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

Т а б л и ц а 27

Влияние нагартовки и старения на усталостные характеристики титана

вается. Наиболее заметное увеличение усталостной проч­ ности наблюдается после вылеживания в течение шести месяцев.

Повышение предела усталости по мере увеличения времени вылеживания авторы объясняют старением.

В работе [243] было исследовано зарождение и рас­ пространение усталостных трещин в условиях знакопе­ ременного кручения с частотой нагружения 1700 циклов в минуту и при ультразвуковой частоте 1600 циклов в секунду при небольшой деформации (~0,003). Установ­ лено, что при испытании с обычной частотой нагружения (1700 циклов в минуту) на поверхности обнаруживается

229

большое число плоскостей скольжения и трещин. При ультразвуковой частоте нагружения пластическая де­ формация локализуется в единичных полосах скольже­ ния, в которых впоследствии развивается магистральная усталостная трещина.

В работе [244] проведены испытания технически чи­ стого титана на усталость при кручении с постоянной ам­ плитудой, ограниченной упругой деформацией при ча­ стоте нагружения 1700 и 12 циклов в минуту. Методом сканирующей микроскопии исследована поверхность из­ ломов. Установлено, что в определенных зернах развива­ ется скольжение, но в подавляющем большинстве зерен признаков скольжения не наблюдается. В процессе цик­ лического деформирования в этих зернах появляются усталостные трещины, которые распространяются далее в направлении максимального сдвига. Авторы делают вывод о том, что процесс усталости в титане может раз­ виваться без признаков скольжения.

Ц И К Л И Ч Е С К А Я П Р О Ч Н О С Т Ь Т И Т А Н О В Ы Х С П Л А В О В

Исследованию усталости титановых сплавов в на­ стоящее время уделяется большое внимание. Значитель­ ное число работ посвящено изучению усталостных свойств сплава Ti — 6А1 —4V.

В работе [244] наряду со сплавом Ti —6А1—4V была исследована усталостная прочность сплава T i—5А1 — 2,5Sn. Исследования проводили на листах толщиной 4 мм и на кованых прутках диаметром от 12 до 18 мм. Листы и прутки сплава Ti—5А1—2,5Sn были изготовле­ ны из слитка одной плавки, а сплава T i—6А1—4V — из слитков двух плавок. Свойства определяли для сплавов в отожженном состоянии: сплав Ti—5А1—2,5Sn отжи­ гали при 800° С в течение 1 ч с последующим охлажде­ нием на воздухе; сплав Ti—6А1 —4V отжигали при 700° С в течение 1 ч, охлаждение на воздухе. Свойства сплава Ti —6А1—4V оценивали также после закалки в воде с температуры 930° С и старения при 500° С в тече­ ние 2 ч с последующим охлаждением на воздухе. Предел усталости определяли при растяжении-сжатии (0_iP) и

на воздухе. Поверхность образцов не охлаждалась. Пре­ дельное число циклов составляло 108. Для значений пре­

2 3 0

дела прочности в диапазоне от 80 до 120 кгс/мм2 для первого сплава и от 80 до 140 кгс/мм2 для второго спла­ ва большинство значений a_i лежит в области, которая характеризуется отношением a-i/aB= 0 ,65-1-0,40. Значе­ ния сг_1р для обоих сплавов попадают в область значений

Рис. 102. Кривые усталости при растяжении-сжатии (а) и кручении (б) ци­ линдрических образцов кованого сплава Ti—5 А1—2,5 Sn в отожженном со­ стоянии с надрезом (/) и без надреза (2)

сплава Ti—6А1—4V отношение a-i/oB составляет 0,42— 0,62 для образцов без надреза и от 0,17—0,13 для образ­ цов с надрезом.

На рис. 102 приведены зависимости между макси­ мальным напряжением и числом циклов до разрушения для сплава T i—5А1 —2,5Sn при растяжении-сжатии и кручении цилиндрических образцов в отожженном состо­ янии. Предел усталости на базе 107 циклов при растяже­ нии-сжатии равен 35 кгс/мм2 для образцов без надреза и 11 кгс/мм2 для образцов с надрезом. Предел усталости при кручении составляет 26 кгс/мм2 для образцов с над­ резом и 14 кгс/мм2 для образцов без надреза. Отношение

231

T-i/cr-ip=0,74 для ненадрезанных образцов выше, чем

для стали (0,58).

Кривые усталости при плоском и круговом изгибе для указанного сплава подобны кривым усталости при растяжении-сжатии и кручении. Предел усталости при плоском изгибе на базе 5 -107 циклов изменяется от ±18 до ±30 кгс/мм2. Для образцов с отверстием он составля­ ет 25 кгс/мм2 и для образцов с U-образным надрезом предел усталости составляет ±16 кгс/мм2 на базе 2-107 циклов. При круговом изгибе на кривой усталости для надрезанных образцов имеется ярко выраженный изгиб при числе циклов 5 -105.

Закономерности изменения напряжения от числа циклов для сплава T i—6А1—V совершенно подобны за­ кономерностям, характерным для сплава Ti—5А1 — 2,5Sn: предел усталости a_ip для ненадрезанных образ­ цов составляет 34 кгс/мм2 при числе циклов 2 -107 и 10 кгс/мм2 для образцов с надрезом при 3-107 циклов. Предел усталости при кручении для ненадрезанных об­ разцов равен 27 кгс/мм2. Отношение t-i/a-ip —0,80 вы­ ше для сплава Ti —6А1—4V, чем для сплава Ti—5А1 — 2,5Sn. Для надрезанных образцов предел выносливости при кручении составляли 13 кгс/мм2 при числе циклов 4-107; для ненадрезанных образцов cr_i = 46 кгс/мм2 при числе циклов 107; для образцов с надрезом cr_i = = 22 кгс/мм2 при числе циклов 107.

Усталостные кривые для сплава Ti—6А1—4V в зака­ ленном и состаренном состоянии подобны аналогичным кривым для сплава в отожженном состоянии, но абсолют­ ные значения усталостных характеристик для закаленно­ го и состаренного сплавов несколько выше, чем для ото­ жженного сплава.

Циклическая прочность листов сплава Ti—6А1—4V при всех прочих равных условиях выше, чем для ковано­ го металла. Штамповки из сплавов ВТЗ-1 и ВТ6 имеют более низкий предел усталости, чем прутки. Более низ­ кое значение предела усталости штамповок связано с неоднородностью их макро- и микроструктуры.

На усталостные свойства титановых сплавов сущест­ венное влияние оказывает структура. Влияние структу­ ры на свойства сплава Ti —6А1 —4V было детально изу­ чено в работе [245]. Исходным материалом для исследо­ вания были прутки диаметром 88,9 мм. Прутки были прокованы на диаметр 31,75 мм. Деформацию осуществ­

2 3 2

ляли при 955° С. Заготовки диаметра 31,75 мм были про­ катаны при 900° С сначала на диаметр 15,875 мм и затем на диаметр 6,35 мм. Температура превращения а + р ^ р (точка Ас3) была равна 1000° С. Для получения различ­ ной структуры заготовки подвергали отжигу. Отжиг про­ водили в диапазоне температур 840—1070° С с последую-

Температура, °С

Рис. ЮЗ. Влияние температуры нагрева на предел усталости об­ разцов сплава Ti—б А1—4V при последующем охлаждении на воздухе (а), с печью (б), в воде (в) и после закалки со старе­ нием при 540° С в течение 4 ч (г):

1 — гладкие образцы (К= 1); 2 — надрезанные образцы (/(=3,5)

щим охлаждением с печью, на воздухе и в воде. Предел усталости определяли на базе 107 циклов. Влияние тем­ пературы отжига на изменение предела усталости пока­ зано на рис. 103.

Повышение температуры отжига до температуры Ас3 с последующим охлаждением на воздухе приводит к не­ которому снижению предела усталости ненадрезанных образцов (рис. 103, а ) . Дальнейшее повышение темпера­ туры отжига сопровождается некоторым увеличением предела усталости. Повышение температуры отжига до температуры Ас3 с последующим охлаждением с печью приводит к снижению предела усталости как гладких, так и надрезанных образцов (рис. 103, б). Дальнейшее повышение температуры отжига свыше температуры Ас3 сопровождается слабым увеличением предела усталости. При охлаждении в воде предел усталости увеличивается При повышении температуры нагрева (рис. 103, в).

Предел усталости сплава в закаленном и состарен­

2 3 3

ном состояниях при проведении испытаний па надрезан­ ных образцах практически не меняется при изменении температуры нагрева, а усталостная прочность гладких образцов несколько повышается (рис. 103, г).

Отношение предела усталости к пределу прочности сплава Ti—6А1—4V в закаленном и состаренном состоя­ ниях практически не зависит от температуры нагрева под закалку и составляет 0,58—0,62 (для гладких образ­ цов). Отношение предела усталости к пределу прочности сплава в отожженном состоянии остается достаточно вы­ соким, если температура отжига не превышает темпера­ туру а+Р^Р-превращения. После отжига при темпера­

Это отношение для надрезанных образцов составляет 50% от значения, характерного для гладких образцов. Лучшую комбинацию прочностных и усталостных свойств обеспечивает мелкозернистая а+р-структура или смесь мартенситной и избыточной мелкозернистой a -фазы. Микроструктура, представленная мартенситной фазой, обеспечивает высокий предел усталости, но низ­ кую пластичность при растяжении. Медленное охлажде­ ние из p-области приводит к образованию пластинчатых кристаллов a -фазы. Сплав с такой структурой обладает низкой прочностью и низким пределом усталости. Мик­ роструктура сплава, образующаяся в процессе медлен­ ного охлаждения из двухфазной а+р-области, обеспечи­ вает высокий предел прочности, но низкий предел уста­ лости.

Влияние структуры сплавов ВТЗ-1 и ВТ18 на сопро­ тивление усталости было изучено в работах [246, 247]. Исследованию подвергали сплавы стандартного химиче­ ского состава с мелкозернистой равноосной и пластинча­ той структурой. Разные виды структуры сплавов были получены путем прокатки при разных температурах. Испытания на усталость проводили на гладких и надре­ занных образца в условиях повторного растяжения при комнатной и повышенных температурах на машине УМУЗ.

Структура сплавов ВТЗ-1 п ВТ 18 оказывает влияние на их усталостные свойства. Это влияние в значительной степени зависит от условий нагружения. При нагруже*

234