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

чатой внутризернистой текстурой. При такой структуре деформация сильно локализуется, так как в направле­ нии легкого скольжения может быть ориентировано лишь небольшое число зерен. Из-за грубого характера скольжения и его локализации в деформацию вовлека­ ется сравнительно небольшой объем металла и поэтому

вается одновременно в большом числе зерен по многим параллельным системам скольжения, что обеспечивает большое поперечное сужение фр.

Макроскопическая деформация в околошовной зоне металлов с высоким пределом текучести (ВТ6, ВТ6С, ВТ14) либо совсем не наблюдается, либо оказывается весьма малой. В сплаве ВТ6 деформация сначала пол­ ностью локализуется по границам зерен и только спустя несколько суток начинает развиваться и внутри зерен. Если в околошовной зоне описанных выше металлов с малым пределом текучести трещины преимущественно возникают в объеме зерен, то в околошовной зоне ме­ таллов с высоким пределом текучести преимущественны­ ми местами зарождения трещин служат границы зерен. В основном металле высокопрочных сплавов из-за мел­ козернистой структуры разрушению всегда предшест­ вует заметная пластическая деформация и трещины за­ рождаются как по границам зерен, так и в их объеме. Закалка и старение сплава ВТ14 после сварки повыша­ ют способность околошовной зоны к пластической де­ формации. Этот интересный результат М. X. Шоршоров [210] объясняет появлением участков ос-фазы, обеднен­ ных p-стабилизаторами, а также релаксацией напряже­ ний.

Склонность титановых сплавов к замедленному раз­ рушению усиливается с увеличением содержания в них примесей внедрения: азота, кислорода и особенно водо­ рода [360]. В настоящей главе рассматривается лишь влияние кислорода и азота, так как водороду в титане посвящен специальный раздел.

На рис. 87 приведено изменение разрушающих на­ пряжений в зависимости от времени до разрушения для сплавов ВТ6 и ОТ4-1 с разным содержанием примесей внедрения. Увеличение суммарного содержания азота и кислорода от 0,23 до 0,43% приводит к резкому паде­

188

нию разрушающих напряжений 0p.mln. Поперечное су­ жение -фр и фк уменьшается при этом от 2—3% До нуля и металл околошовной зоны полностью теряет способ­ ность к внутризеренной деформации. Усиление развития

стр.тт сплава системы

Ti—Al—Zr с 0,002% Н2 возрастают с 68 до 84 кгс/мм2,

время до разрушения также увеличивается с 0,4 до 5 сут. Поперечное сужение сплава Ti—Al—Zr при замедленном разрушении уменьшается с увеличением содер­ жания кислорода, но остается на достаточно высоком уровне. Таким образом, хотя кислород и увеличивает блокировку дислокаций в плоскостях скольжения, спо­ собность к внутризеренной деформации остается высокой. Даже при 0,45% 0 2 в высокопластичных сплавах не на­ блюдается макроскопически хрупкого межзеренного раз­ рушения.

М. X. Шоршоров отмечает, что сопротивление высо-

189

коиластичпых сплавов замедленному разрушению сле­ дует оценивать по всем трем критериям (op.min, тр и %>). Чем больше значения этих критериев, тем меньше склонность сплавов к замедленному разрушению. Высо-

Рис. 88. Зависимость разрушающего напряжения от времени до раз­ рушения сплава системы Ti—А1—Zr с различным содержанием во­ дорода и кислорода (сплошные линии — основной металл, пунктир­ ные— околошовная зона), %:

а — 0,29 О; б — 0,10 О; / - 0,014 — 0,015 Н; 2 - 0,010—0,011 Н; 3 — 0,002—0,0025 И

копрочные сплавы разрушаются макроскопически хруп­ ко и их можно сопоставлять, учитывая лишь два крите­ рия (Тр И Gp.min) •

По возрастанию склонности к замедленному разру­ шению М. X. Шоршоров и В. Н. Мещеряков [220] рас­ полагают титановые сплавы в следующей последователь-

190

пости: ВТ6С; сплавы системы Ti—Al--Zr с малым содер­ жанием алюминия; Ti+3,7% Al; ОТ4-1; ВТ6; ВТ14М. Пам кажется, что указанная последовательность спра­ ведлива лишь для сплавов, которые выплавляли в 1963— 1965 гг. В настоящее время чистота губки стала выше, составы сплавов претерпели изменения и поэтому жела­ тельно вновь провести оценку свариваемых титановых сплавов к замедленному разрушению.

В работе [220] отмечается, что сплавы, легирован­ ные р-эвтектоидными стабилизаторами (марганец, хром, железо), более склонны к замедленному разрушению, чем сплавы, содержащие только (4-изоморфные элементы (ванадий; молибден). В сплавах титана с р-эвтектоид- ными стабилизаторами при длительном действии стати­ ческой нагрузки могут выделяться интерметаллиды в по­ лосах скольжения, что должно ограничивать внутризеренную деформацию и релаксацию напряжений.

В наших работах, выполненных совместно с Ю. В. Горшковым, было обнаружено, что высокопроч­ ные титановые сплавы с малым содержанием водорода (0,002%) склонны к замедленному разрушению и при испытаниях по схеме Трояно. При испытаниях по схеме Трояно разрушающие напряжения высокопластичных сплавов (ОТ4, ОТ4-1) мало зависят от времени их дейст­ вия, в то время как сплав ВТ20 склонен к замедленному разрушению. Заметное падение разрушающих напря­ жений со временем их действия наблюдается также для вакуумированного литейного сплава ВТ5Л.

КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Источники замедленного разрушения можно разде­ лить на два вида: а) внутренние и б) внешние. Внут­ ренними источниками являются примеси внедрения в металле, особенно водород, хотя и не исключена воз­ можность развития замедленного разрушения, обуслов­ ленного элементами замещения, в том числе и легирую­ щими элементами. Внешними источниками могут быть рабочие среды. Типичным примером замедленного раз­ рушения, обусловленного внешними причинами, являет­ ся коррозионное растрескивание. Следует отметить, что не всегда коррозионное растрескивание завершается хрупким разрушением. Разумеется, приведенная выше

191

классификация условна и в действительности в металле может протекать одновременно или в определенной по­ следовательности несколько различных процессов, обу­ словленных как внешними, так и внутренними источни­ ками замедленного разрушения.

Коррозионное растрескивание проявляется в ускоре­ нии зарождения и роста трещин при испытаниях образ­ цов на статическое растяжение или изгиб в агрессивных средах по сравнению с испытаниями в нейтральной сре­ де. Наиболее интенсивно это явление проявляется на образцах с надрезом, оканчивающимся предварительно нанесенной усталостной трещиной. Коррозионное раст­ рескивание снижает разрушающие напряжения тем бо­ лее сильно, чем больше время их действия.

Коррозионное растрескивание титана и его сплавов вызывают естественная и синтетическая морская вода [221, 222], дымящая азотная кислота [53, с. 267], рас­ плавы солей, N20 4, метанол [53, с. 267; 223], жидкая ор­ ганика [224], кипящий раствор MgCl2 [225], метаноловые растворы, содержащие бром, хлор и иод [53, с. 283]. Довольно полный перечень сред, в которых наблюда­ лось коррозионное растрескивание титановых сплавов, приведен в работах [53, с. 267; 223].

Наиболее детально изучено коррозионное растрески­ вание титановых сплавов в морской воде и в водных растворах соли. Было обнаружено, что несмотря на прекрасную общую коррозионную стойкость титана и его сплавов в морской воде и полное отсутствие коррозии под напряжением гладких образцов, острый надрез вы­ зывает коррозионное растрескивание образцов в этих средах. Особенно сильно коррозионное растрескивание титановых сплавов в естественной и синтетической мор­ ской воде развивается при проведении испытаний на образцах с усталостной трещиной.

К коррозионному растрескиванию в морской воде склонен титан с большим содержанием кислорода

(0,317%) и следующие его сплавы: T i—8Mn, T i—2,25 А1—1Мо— 11 Sn—5 Zr—0,2 Si (IMI—679), Ti—-3 A1—11 Cr—13 V, Ti—4 Al—4 Mn, Ti—5 Al—2,5 Sn, Ti—6 Al— 2,5 Sn, Ti—6 Al—4 V, Ti—6 Al— 3 Nb— 2 Sn, Ti—6 Al — 4 V—1 Sn, Ti—6 Al—4 V—2 Co, Ti—6 Al—6 V—2,5 Sn, Ti—7 Al—2 Nb—1 Та, Ti—7 Al—3 Nb, Ti—7 Al—3 Mo, Ti—7 Al—3 Nb—2 Sn, Ti—8 Al—1 Mo—1 V, Ti—8 Al— 3 Nb—2 Sn [53, c. 267].

192

В ряде работ [53, с. 283; 223; 226; 268] отмечается,

что склонность титановых сплавов к коррозионному рас­ трескиванию не только в морской воде, но и других сре­ дах усиливается с увеличением содержания в них алю­ миния.

Олово, кислород, марганец и кобальт также способст­ вуют развитию коррозионного растрескивания. Склон­ ность титановых сплавов к коррозионному растрескива­

Склонность сплавов к коррозионному растрескиванию в морской воде особенно резко возрастает при увеличении содержания алюминия с 4 до 6% (по массе). С увеличе­ нием содержания алюминия усиливается коррозионное растрескивание не только двойных, но и сложных спла­ вов, в том числе и промышленных [266, 268]. Когда со­ держание алюминия в а-сплавах возрастает от 4 до 6%, происходит переход от вязкого разрушения к хруп­ кому.

Усиление склонности а-сплавов к коррозионному рас­ трескиванию с увеличением содержания алюминия Вилльямс [231] связывает с изменением их дислокацион­ ной структуры. В а-сплавах, содержащих до 4% А1, фор­ мируется структура с беспорядочным расположением