ПРЕДИСЛОВИЕ
Титановые сплавы, обладая сочетанием ценных свойств, находят все более широкое применение в раз нообразных отраслях народного хозяйства нашей 'стра ны. Успешное применение любого металла, в том числе и титана, невозможно без всестороннего изучения его свойств, тех особенностей, которые отличают его от дру гих металлов.
Общие вопросы металловедения титановых сплавов в той или иной мере были описаны в ряде книг [1—4], но они рассмотрены с традиционных позиций без учета достижений современной физики металлов, в частности теории дислокаций. По физическому металловедению, в том числе по теории дислокаций, физике пластичности и разрушения, опубликовано довольно много моногра фий [5—11], однако в них эти вопросы рассматривают ся для металлов в целом, без учета специфики конкрет ных сплавов.
В предлагаемой книге вопросы металловедения тита на и его сплавов описаны на Основе последних достиже ний физики металлов. В ней рассмотрены электронное строение титана и его сплавов, взаимодействие титана с легирующими элементами и примесями, физические ос новы упрочнения титана при легировании, физика проч ности и пластичности титана и его сплавов.
В отличие от ранее опубликованных -книг по титану п его сплавам в настоящей монографии описаны не меха нические свойства, а определяющие их элементарные процессы, лежащие в основе механизмов пластической деформации и разрушения. Приведены не справочные данные о том, какими свойствами обладают титан и его сплавы, а проанализированы причины, почему эти мате риалы обладают данным комплексом свойств, а не иным.
Последняя глава книги написана.автором совместно с А. В. Мальковым.
7
Автор выражает |
глубокую благодарность проф. |
докт. техн. наук М. |
Л. Бернштейну, проф. докт. техн. |
наук С. 3. Бокштейну, проф. докт. техн: наук И. И. Но викову, канд. физ.-мат. наук Ю. С. Старку и канд. техн. •наук С. Г. Федотову, а также рецензенту рукописи за ценные замечания, которые позволили улучшить содер жание изложенного в книге материала. Автор признате лен А. В. Малькову, М. Г. Мишановой, которые оказали большую помощь в изготовлении оригинальных иллюст раций.
Г л а в а 1
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ИСТРУКТУРА ТИТАНА
ИЕГО СПЛАВОВ
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ТИТАНА
Кристаллическая структура титана изучена достаточно полно и описана во многих работах [2—4, 12]; здесь имеет смысл остановиться лйшь на некоторых специфи ческих особенностях его кристаллического строения, не обходимых для дальнейшего изложения. Будучи поли морфным металлом, титан при температурах ниже
882°С кристаллизуется в г. п. у. решетке с параметрами
о
а=2,9511 и с— 4,6848 А. Соотношение осей cja для низ котемпературной модификации а-титана, равное 1,5873, меньше теоретически ожидаемого для идеальной плотноупакованной гексагональной структуры (с/а= 1,633). Возможно, это обусловлено тем, что связь в титане не является чисто металлической; между атомами в плос костях базиса, помимо металлической связи, действует ковалентная составляющая, сближающая их вдоль оси с.
■При температурах от 882,5°С до точки плавления стабильна ^-модификация титана, имеющая объемноцентрированную кубическую структуру. Параметры ре шетки (3-титана при комнатной температуре можно оце нить лишь косвенным путем. Один из них заключается •в экстраполяции параметров решетки (3-титановых ра-
створов до чистого титана; этот метод дает |
$ |
О |
Ь = 3,282 А. |
||
При полиморфном превращении (З^а |
соблюдается |
|
принцип структурного и размерного соответствия; между кристаллографическими плоскостями и направлениями (3- и a-модификаций титана устанавливается определен ное соотношение [12]. Взаимосвязь между кристалличе скими решетками при полиморфном превращении объемноцентрированной структуры в гексагональную плотноупакованную впервые установил Бюргере на при мере Zr. Эти соотношения справедливы и для Ti.
Перестройку кристаллической решетки при поли морфном превращении следует представлять как ряд
9
последовательных сдвигов, что иллюстрируется рис. 1 на примере циркония. Вверху слева показана элементар ная ячейка о. ц. к. решетки,^ориентированная таким об
разом, чтобы плоскость (ПО), наиболее плотноупакованная атомами, была горизонтальна. На следующей схеме, расположенной правее, эта ячейка показана в цент ре с четырьмя пристроенными новыми ячейками (две сверху и две снизу). В этой схеме выделена тетрагональ ная объемоцентрированная ячейка с восемью атомами в вершинах и одним атомом в центре. Эта ячейка сверху и снизу ограничена плоскостями типа {ПО}, а сбоку —
Рис. .1. Схема, иллюстрирующая крметаллографичеакне сдвиги при •превращении (3-фазы с о. ц. к. решеткой в a -фазу с г.п.у. решеткой
плоскостями семейства {112}. Для получения гексагональ ной ячейки необходимо сместить плоскости {112} в про тивоположных направлениях, как показано на следующей схеме, расположенной правее. Угол между направления ми < 1 1 1 > должен три этом уменьшиться ic 70°32' до 60°. Для достижения размерного соответствия получен ной ячейки с ячейкой а-циркония необходимо растянуть
•о
ее©доль оси с с 5,10 до 5,16 А и сжать юдоль направле
ний < 1120> с 3,12 до 3,24 А.
ю
Из приведенной схемы перестройки о. ц. к. решетки в г. п. у. следует, что между ними должны наблюдаться сле дующие ориентационные соотношения:
(0001)J{110}P <1120>о < ш > р
i iToo}a || I '21 !р <0001 > а 1 < Т 0 1 > ,
{ n S o J J Im ^ n o o ^ l < 1 5 1 > э
Таким образом, наиболее плотноупакованные плоскости в г. п. у. и о. ц. к. решетках оказываются примерно парал лельными. В первом приближении параллельны между
собой «плоскости {112} о. ц. к. 'решетки .и тризм атичеокие {1100} гексагональной плотноупaiKOвэнной структуры.
ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ ТИТАНА
Титан относится к* переходным металлам; электрон ная структура свободного атома титана ls22s22/?63s^3p6 3d24s2. В конденсированном состоянии (жидком или твер дом) валентные 3d — 4s электроны Ti коллективизиро ваны и образуют обобществленную энергетическую по лосу.
.Электронная структура титана в конденсированном состоянии не установлена с достаточной полнотой. Это связано с тем, что электронная структура переходных ме таллов занимает промежуточное положение между мо делью энергетических зон (или коллективизированных электронов) и моделью локализованных электронов. Об щей электронной теории переходных металлов до сих пор не создано, и разработанные модели применимы для объяснения тех или иных особенностей переходных метал лов, а не их электронного строения в целом. В настоящей монографии нет необходимости рассматривать все пред ложенные гипотезы электронного строения переходных -металлов'(ши описаны в обзорных работах [13, 14]); достаточно рассмотреть лишь те из них, в которых име ется описание структуры исвойств титана и его сплавов.
В приближении почти свободных электронов энерге тические свойства кристаллической решетки описывают
ся зонами Бриллюэна, представляющими в пространстве
—>■ —
волновых векторов k (^-пространстве) геометрическое место точек, в которых происходит скачкообразное изме-
И
| 134126 |
| 1444 |
| 1532 |
| 1804 |
| 1sma5-0at3rev1 |
| 2 Общ фарм + |
| 2270 |
| 2409 |
| 2737 |
| 3 (лекция) Метод нейтрализации |