Материал: Физическое металловедение титана

сплавами предыдущих систем. Это означает, что измене­ ние электронной структуры титанапри легировании его переходными элементами не сводится просто к увеличе­ нию электронной концентрации; атомы легирующих элементов в твердых растворах на основе титана в из­ вестной мере сохраняют свою индивидуальность и ока­ зывают не однозначное влияние на тонкую электронную структуру.

Для обсуждаемого вопроса представляют интерес ре­ зультаты изучения электронной структуры твердых раст­ воров титана с ниобием и молибденом методами рентге­ новской эмиссионной спектроскопии [14]. Эти исследо­ вания показали, что при легировании титана ниобием или молибденом происходит заполнение состояний d- симметрии во внешней энергетической полосе титана за счет уменьшения p-компоненты электронной плотиостч.

При анализе условий образования рм- и ш-фаз сле­ дует также учитывать, что это метастабильные фазы, и поэтому методы оценки равновесия фаз нельзя к ним применять непосредственно. В этом анализе необходимо принимать во внимание специфику возникновения мета* стабильных состояний и. их связь с равновесными сос­ тояниями.

Глава II

ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

ТОЧЕЧНЫЕ ДЕФЕКТЫ

Вакансии и дислоцированные атомы являются термоди­ намически устойчивыми дефектами, я поэтому каждой температуре соответствует их вполне определенная рав­ новесная концентрация, описываемая уравнением

52

ние вакансии эквивалентно созданию новой поверхности с площадью, .равной площади поверхности одного атом­ ного объема. Кроме этого, он учел уменьшение поверх­ ностной энергии, обусловленное сжатием вокруг дефек­ та. В итоге для энергии образования вакансии он полу­ чил выражение

у— удельная поверхностная энергия;

ц— модуль сдвига.

избыточные вакансии и существует определенное количе­ ство межузельнкх атомов. Избыточные точечные дефек­ ты образуются, в частности, при пластической деформа­ ции металла, например при встрече двух краевых дисло­ каций разного знака. При больших степенях деформации концентрация избыточных межузельных атомов может быть даже больше концентрации избыточных вакансий. По приближенным оценкам, атомная доля точечных де­ фектов, образовавшихся при аннигиляции дислокаций разного знака, пропорциональна степени пластической деформации с коэффициентом пропорциональности 10-4—ю -5.

53

К элементам внедрения в титане относятся водород, углерод, азот и кислород (см. рнс. 14). В г. п. у. решетке а-титана имеются два типа межузельных пор: октаэдри-

О

ческие и тетраэдрические диаметром 1,24 и 0,68А соот­ ветственно. Атомные диаметры водорода, кислорода, азо­ та и углерода в твердых растворах внедрения на основе

а-титана составляют соответственно 0,82; 1,36; 1,40 и

О

1;54А; атомы этих элементов располагаются в октаэдри­ ческих порах. Хотя диаметр октаэдрических пор в р-ти-

О

тане, равный 0,455А, значительно меньше диаметра тет-

о

раэдрических (0,826А), перечисленные выше атомы внед­ рения также располагаются в октаэдрических порах. Это связано с тем, что октаэдрические поры значительно менее жестки, чем тетраэдрические, и легко увеличивают размеры в направлении наименьшей диагонали октаэдра.

Сведения о состоянии атомов внедрения в твердых растворах можно получить, анализируя результаты экс­ периментов по исследованию внутреннего трения. Наибо­ лее подробно изучен пик внутреннего трения, обусловлен­ ный кислородом, но единой точки зрения о природе этого пика нет [28, с. 461; 30, с. 883].

Атомы кислорода, расположенные в октаэдрических порах г. п. у.' решетки, не могут взаимодействовать с внешним полем напряжений, так как создаваемые ато­ мом кислорода напряжения вызывают искажения решет­ ки, обладающие сферической симметрией. Эффекта Сно­ вка в металлах с г. п. у. структурой не должно быть. Гупта и Вейниг [51] •предположили, что атомы кислорода смещаются из симметричного положения в октаэдриче­ ской поре вследствие их взаимодействия с блнерасполо­ женными дефектами (например, из-за чужеродных атомов замещения, всегда имеющихся в техническом титане). В этом случае поле напряжений вокруг атома кислорода теряет сферическую симметрию и становится возможным его взаимодействие с -полем внешних напря­ жений.

температурах 450—475°С, причем высота пика линейно возрастала с увеличением содержания кислорода. Из приведенных в этой работе данных следует, что размер­ ный фактор нс является единственной причиной, ответ­

04

ственной за рассматриваемые релаксационные эффекты. Пики внутреннего трения в системах Ti—О—Fe и Ti—

О—V с довольно большим параметром несоответствия

.размеров атомов титана и атомов замещения значитель­ но выше, чем в системах Ti—О—А1 и Ti—О—Nb с не­ большими параметрами размерного несоответствия. Од­ нако сплавы системы Ti—О—Аи выпадают из общей за­ кономерности. Несмотря на близость размеров атомов титанд и золота, пик внутреннего трения в системе Ti— О—Аи сравним с ликом в твердых растворах Ti—О—Fe.

Поэтому следует считать, что, помимо искажений решет­ ки атомами замещения, для проявления указанных эф­ фектов существенное значение имеет и химическое взаи­

да в междоузлии D становится более энергетически вы­ годным, чем в положении С, и он перескакивает из С в В.

При наложении напряжений сжатия вдоль направления А—D энергетически выгодной становится октапора С, и происходит обратный перескок D—С.

55

Обнаруженные авторами работы [51] релаксацион­ ные явления оцениваются энергией активации 45± 1±5 ккал/моль. Энергия активаций при диффузии кисло­ рода в а-титане при содержаниях до 2 % (ат.) 0 2 состав­ ляет 48—55 ккал/моль [36, с. 142]. По-видимому, описан­ ные релаксационные эффекты определяются в основном диффузионной подвижностью атомов кислорода, а не энергией химического взаимодействия примесей замеще­ ния и внедрения, которая должна быть небольшой. Позд­ нее авторами работы [30, с. 883] было обнаружено, что с увеличением разницы в размерах атома примеси заме­ щения и атома титана температура кислородного пика снижается, а энергия активации уменьшается.

Возможность взаимодействия атомов кислорода с атомами замещения в а-титане подтверждается экспери­ ментальными данными, полученными И. И. Корниловым и В. В. Глазовой при изучении свойств сплавов системы

характеризуется не гладкой поверхностью, а поверхно­ стью е ярко выраженной сингулярной складкой, соответ­ ствующей квазибинарному разрезу Ti—А120з. Подобный • характер зависимости микротвердости от состава авторы работы [27] объясняют образованием в решетке а-твер- дого раствора комплексов типа А120з из-за химического взаимодействия атомов алюминия с атомами кислорода. Образование комплексов А120з приводит к локализации искажений решетки, к снижению общего фона искажений в a-твердом растворе и облегчению пластической дефор­ мации, что и проявляется в снижении микротвердости.

Миллер и Браун [28, с. 401] обнаружили кислород­ ный пик внутреннего трения в сплавах Ti—О, приготов­ ленных из титана высокой чистоты [0,012 0 2; 0,006 С; 0,02 Мп; 0,002% Mg (по массе)]. В отличие от результа­ тов Гупта и Вейнига высота кислородного пика в спла­ вах, приготовленных на чистейшем титане, возрастала пропорционально квадрату концентрации кислорода (рис. 22,а). На этом основании авторы приходят к выво­ ду, что обнаруженный ими кислородный пик обусловлен образованием пар атомов кислорода, так называемых гантелей.

В то*же время Миллер и Браун не отрицают возмож­ ности образования взаимосвязанных пар атом внедре­ ния — чужеродный атом замещения. Действительно, в

56