Файл: Колачев, Б. А. Механические свойства титана и его сплавов.pdf

Описанные выше данные свидетельствуют о том, что водород, содержащийся на поверхности, по крайней ме­ ре, при концентрациях до 0,05% не приводит к катастро­ фическому снижению служебных свойств титановых сплавов ОТ4 и ОТ4-1. Об этом же свидетельствуют и данные по изучению влияния различных сред (воздух, пары воды, масло) на стойкость сплава ОТ4 при стати­ ческих испытаниях на консольный изгиб листовых над­ резанных образцов (с. 459).

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКУЮ ПЛАСТИЧНОСТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

До сих пор водород рассматривается только как вредная примесь, приводящая к водородной хрупкости. Однако Цвикер и Вальтер1 еще в 1957 г. установили, что водород повышает деформируемость сплавов титана с 8, 10 и 13% А1 в горячем состоянии. Сплавы с таким вы­ соким содержанием алюминия представляют большой практический интерес, так как могут работать при нео­ бычно высоких для титана температурах. К сожалению, сплавы титана, содержащие более 7,5% А1, мало техно­ логичны и разрушаются при обработке давлением. Леги­ рование сплавов системы Ti — А1 водородом позволило преодолеть этот недостаток. Заготовка из сплава титана с 8% А1, содержащая 0,505% Н2, была осажена при тем­ пературе 950° С на 78% без образования трещин. Заго­ товка не содержащая водорода, при тех же условиях де­ формации разрушилась в процессе осадки. Титановый сплав, содержащий 13% А1, был насыщен водородом до 0,24%. При температуре 950° С и степени деформации 69% на осаженной заготовке наблюдалось незначитель­ ное растрескивание. И в этом случае заготовка, не со­ держащая водорода, была полностью разрушена при ковке. Введение 1,0% Н2 в сплав, содержащий 10% А1 и 90% Ti, позволило Цвикеру и Вальтеру при температу­ рах выше 750° С прокатать лист с 6,5 до 0,8 мм без ма­ лейшего растрескивания, в то время как горячая прокат­ ка образца того же листа, но не насыщенного водородом, оказалась невозможной. Благоприятное действие водо­ рода проявлялось также при выдавливании сплавов че­ рез очко матрицы.

1 Пат. (США), № 2892742, 1959. Кл. 148—11.5.

490

Однако с 1957 г. нс было опубликовано ни одной ра­ боты но этому вопросу. Это, очевидно, связано с тем, что

вте годы основной была проблема устранения водород­ ной хрупкости титановых сплавов. Работы, проведенные

впоследнее время В. К- Носовым [411], подтвердили благоприятное влияние водорода на технологическую пластичность высокоалюминиевых титановых сплавов: опытного сплава Ti-f-9Al и сплава СТ4.

Оценку технологической пластичности и характера разрушения проводили путем определения пластичности сплава при испытании образцов на осаживание до появ­ ления первой трещины, замечаемой невооруженным глазом.

Технологические свойства цилиндрических образцов сплава Ti —9А1 при осадке в интервале температур 800— 1100° С в зависимости от содержания водорода обобще­ ны в виде диаграммы пластичности (рис. 248). В изучен­ ном температурном интервале пластичность этого спла­ ва с исходным содержанием водорода 0,006% имеет при температуре 1100° С аномальный всплеск с признаками сверхпластичности, характерными для сплавов с поли­ морфными превращениями. Запас пластичности образ­ ца, деформированного на 75—80%, еще далеко не исчер­ пан; удельное давление при степени деформации 50% составляет 3—4 кге/мм2 (рис. 249). Снижение темпера­ туры испытания резко уменьшает запас пластичности

(рис. 38) для данного сплава, трещины на боковой по­ верхности появляются при степени деформации 50%, а при температуре 800° С даже небольшие обжатия ( ~ 5 % ) приводили к образованию трещин..Падение пла­ стичности при снижении температуры сопровождается значительным возрастанием сопротивления пластиче­ ской деформации. Как видно из рис. 249, удельное давле­ ние при температуре осадки 800° С и степени деформа­ ции 50% достигает 57 кге/мм2.

Благоприятное влияние водорода на технологиче­ скую пластичность исследуемого сплава проявляется уже при введении 0,1% Н2 (по массе). Указанная кон­ центрация водорода понижает температуру начала про­ явления максимальной пластичности с 1100 до 1000° С (рис. 248). При температурах ниже 1000° С для сплава с 0,1% Н2 допустимая степень деформации уменьшается,

491

оставаясь, однако, выше, чем для сплава с 0,006% Н2, во всем исследуемом температурном интервале. При еще больших содержаниях водорода (0,15—0,3%) пластич­ ность сплава увеличивается еще в большей степени. Так,

Рис. 249. Влияние водорода на удельное давление сжатия сплава Ti+9% А1 (а) и СТ4 (б) при различных температурах (ед0П =50%)

сплав, содержащий 0,18% Н2, деформируется при темпе­ ратуре 900° С на 80% и более, а сплав с 0,3% Н2 при температуре испытания 800° С допускает обжатие на 35% против 5% для сплава с 0,006% Н2.

492

Водород значительно снижает сопротивление пласти­

с удельным давлением сплава с исходным содержанием водорода. Подобное влияние водорода на снижение со­ противления пластической деформации наблюдается до температуры 1000° С. При более высоких температурах усилия становятся примерно равными для сплава с во­ дородом и без него.

Водород оказывает также благоприятное влияние при горячей обработке давлением высокожаропрочного

менными и длительными свойствами при высоких темпе­ ратурах. Однако технологическая пластичность этого сплава невысока. Как показали проведенные исследова­ ния, допустимая степень деформации для сплава с ис­ ходным содержанием водорода (0,008%) (рис. 248,6) начинает уменьшаться ниже температуры 900° С. При температуре осадки 800° С и степени деформации 40% сплав имеет довольно высокое значение удельного дав­ ления сжатия: 30 кгс/мм2. Введение в сплав СТ4 0,3% Н2 позволяет деформировать образец без всякого наруше­ ния целостности при температуре 700° С.

Особо следует отметить, что введение водорода не только повышает предельно допустимую степень дефор­ мации, но и резко уменьшает деформирующее усилие (рис. 249,6). Безусловно, снижение сопротивления пла­ стической деформации и температуры горячей обработки во всех случаях целесообразно и может быть использо­ вано на практике. По окончании пластической деформа­ ции водород должен быть удален последующим вакуум­ ным отжигом для восстановления заданных механиче­ ских свойств сплава.

Механизм благоприятного влияния водорода на тех­ нологическую пластичность титановых сплавов при тем­ пературах горячей обработки металлов продолжает оста­ ваться предметом дальнейших исследований. Возможные гипотезы подобного влияния сводятся к следующему.

Увеличение содержания алюминия в титановых спла­ вах приводит к пересыщению a-твердого раствора и вы­ делению из него мелкодисперсных частиц упрочняющей

493

аг-фазы на основе ннтерметаллида Ti3Al, располагаю­ щихся по плоскостям скольжения и блокирующих про­ цессы скольжения не только внутри, но и по границам зе­ рен. Пластическая деформация становится невозможной, когда в структуре сплавов содержится значительное ко­ личество мелкодисперсной аг-фазы.

Добавка водорода затрудняет образование мелкодис­ персных выделений аг-фазы, с которой связано хрупкое разрушение исследуемых сплавов при деформировании. Водород способствует внутри- и межзеренному скольже­ нию и разрушение становится транскристаллитным и вязким.

Подавление выделений аг-фазы при легировании сплава водородом не является единственной причиной повышения технологичности. Даже в сплаве без водоро­

технологичности, сходный с явлением сверхпластич­ ности, впервые детально изученным А. А. Бочваром

[179].

Водород облегчает условия развития аномального всплеска технологичности, связанного с эффектом сверхпластичпости в сплаве T i—9А1 при фазовом переходе. Особо следует отметить, что введение водорода не толь­ ко повышает допустимое сжатие, но и резко уменьшает деформирующие усилия.

Водород может облегчить развитие сверхпластично­ сти, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, во­ дород, будучи (3-стабилизатором, понижает температуру а+Р^-Р-перехода и поэтому эффект пластифицирования в наводороженных образцах проявляется при более низ­ ких температурах. Во-вторых, коэффициент диффузии водорода на несколько порядков больше коэффициентов диффузии других элементов. Так, например, при темпе­ ратуре 1000° С коэффициент диффузии водорода в р-ти- тане в 106 раз больше коэффициента самодиффузии в р- титане. Весовые концентрации водорода порядка 0,15— 0,20% соответствуют 5—10% (ат). При таких больших концентрациях водород не может не оказывать ускоряю­ щего действия на диффузию атомов титана, хотя он и яв­ ляется примесью внедрения.

Наиболее благоприятное влияние при деформации при 950° С водород оказывает в интервале концентраций 0,15—0,2%. Как при меньших, так и при больших кон­

494