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

нии пульсирующим циклом при комнатной температуре циклическая прочность прутков названных сплавов с мелкозернистой равноосной структурой выше, чем цик­ лическая прочность прутков с пластинчатой структурой. При температуре 450° С в условиях асимметричного на­ гружения со средним напряжением ат= 30 кгс/мм2 цик­ лическая прочность прутков сплавов ВТЗ-1 и ВТ18 с равноосной и пластинчатой структурой одна и та же.

Влияние структуры на усталостную прочность наблю­ дается и для однофазных р-сплавов [248]. Исследования были выполнены для р-сплава и сплава ИВТ1. Промыш­ ленный слиток массой 530 кг был выплавлен методом расходуемого электрода в вакуумной дуговой печи. Ус­ талостные свойства в условиях консольного кругового. симметричного изгиба определяли на образцах с диамет­ ром рабочей части 10 мм. Частота нагружения составля­ ла 3000 об/мин. Свойства и структуру изучали для спла­ ва в термически обработанном состоянии. Режимы тер­ мической обработки были следующие:

воде и старение при 575° С в течение 15 ч; 3) отжиг при температуре 800° С в течение 1 ч с по­

следующим переносом в печь с температурой 550° С, вы­ держка при этой температуре в течение 15 ч, дальнейшее охлаждение на воздухе.

После закалки с температуры 800° С и старения при

550° С в течение 15 ч cr_i = 53 кгс/мм2; ав= 160,6 кгс/мм2; отношение o_i/aB= 0,3.

Свойства сплава после закалки с температуры 780° С и старения при 575° С в течение 15 ч были следующие: a_i = 41 кгс/мм2; 0В= 127,4 кгс/мм2 и a_i/aB= 0,33. После отжига при 800° С в течение 1 ч и последующей изотер­ мической выдержки при 550° С в течение 15 ч a-j =

=35=40 кгс/мм2; aB= 125,7 кгс/мм2 и cr_i/crB= 0,27=0,31.

Исследование микроструктуры сплава при увеличе­

нии в 1350 и 7000 раз показало, что после отжига при 800° С и последующей изотермической выдержки при 550° С в течение 15 ч наблюдается значительная неодно­ родность распада |3-твердого раствора в отличие от структуры сплава после закалки с температуры 800 и 780° С и старения при 550 и 575° С. Неоднородность рас-

235

пада p-твердого раствора, вероятно, и является причиной более низкого предела усталости сплава после отжига. Более высокое значение (53 кгс/мм2) предела усталости сплава, закаленного с 800°С н состаренного при 550°С в течение 15 ч, по сравнению со значением 41 кгс/мм2 для сплава, закаленного с 780°С и состаренного при 575° С в течение 15 ч, связано с более мелкими выделе­ ниями a -фазы в первом сплаве.

В работе [249] определялось влияние макро- и мик­ роструктуры на предел усталости сплавов ВТЗ-1 и ВТ8. Мелко- и крупнокристаллическая структура сплава ВТ8 была получена путем подбора условий деформации и ре­ жимов термической обработки прутков диаметром 40 мм. Оценка макро- и микроструктуры осуществлялась по шкалам АМТУ 518—69. Предел усталости определяли при 20, 300 и 450° С на образцах диаметром 7,5 мм. Концентратор напряжения — круговая выточка радиу­ сом 0,75 мм с коэффициентом концентрации напряже­ ний, равным 1,89.

Оценку предела усталости проводили на базе 2-107 циклов нагружения. Результаты испытаний приведены в табл. 28.

Т а б л и ц а 28

Влияние типа структуры на усталостную прочность сплава ВТ8

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что макроструктура сплава оказывает существенное влияние на предел усталости. Мелкозернистая структура

236

обеспечивает более высокий предел усталости при всех режимах испытания, чем игольчатая структура. Но при повышении температуры испытания с 20 до 300° С пре­ дел усталости сплава с мелкозернистой структурой сни­ жается на 11%, а с крупнозернистой—на 6%.

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

Большинство изделий из титановых сплавов, кроме операций холодной и горячей пластической деформации, подвергают механической обработке — шлифованию, фрезерованию, точению и т. д.

При механической обработке титановых сплавов в по­ верхностном слое образуется два рода остаточных на­ пряжений — растягивающие и сжимающие. Сжимающие напряжения [250] повышают предел усталости, растяги­ вающие — снижают.

Вид напряжений, их величина, глубина распростра­ нения зависят от вида механической обработки (шлифо­ вание, полирование и т. д.), режима обработки (скорость резания, скорость подачи)-, геометрии режущего инстру­ мента, а также от ряда технологических факторов — об­ работки давлением, режима термической обработки

идр.

Вработе [250] показано, что при обработке резани­ ем сплава ВТ8 со скоростями 20, 30, 40 мм/мин в поверх­ ностном слое возникают остаточные напряжения разно­ го знака. Влияние остаточных напряжений на цикличе­ скую прочность сплава ВТЗ-1 показано на рис. 104. При уменьшении растягивающих напряжений и переходе их

всжимающие усталостная прочность линейно возрастает [251] . Обработка поверхности шлифованием приводит к

снижению предела усталости сплава Ti—4А1 на 20—25% [252] по сравнению с пределом усталости этого сплава после токарной обработки. Аналогичная картина наблю­ дается и для сплава ВТЗ-1 (рис. 105).

В настоящее время имеется значительное количество экспериментальных данных, из которых следует, что со­ ответствующим подбором абразивных материалов, ско­ рости охлаждения, режимов резания удается снизить уровень растягивающих напряжений при шлифовании. Но полностью устранить растягивающие напряжения, которые образуются при шлифовании, не удается [249].

237

Неблагоприятное влияние шлифования па предел ус­ талости титановых сплавов может быть устранено либо дополнительной упрочняющей механической обработкой (обработка поверхности дробью, накатыванием и др.), либо удалением поверхностного слоя электрохимической

4~-1,кгс/ммг so -

40

30

20

обработкой [252—254]. Дополнительная дробеструйная обработка с применением дроби малого диаметра позво­ ляет существенно повысить предел усталости сплава Ti—4А1—4Мп. При максимальном растягивающем на­ пряжении 56 кгс/мм2 число циклов до разрушения увели­ чивается с 10 000 (после шлифования) до 100 000 (пос­ ле обработки дробью). Воздействие обработки дробью малого диаметра сводится к созданию на поверхности изделия серии мелких углублений. Суммарный эффект таких углублений в отношении концентрации напряже­ ний значительно меньше, чем после шлифования в ре­ зультате наличия шлифовальных царапин. Кроме того, обработка дробью создает существенный наклеп в по­ верхностном слое, повышая этим усталостную прочность.

Весьма эффективное влияние на повышение предела усталости титановых сплавов оказывает поверхностное упрочнение, которое создается обкаткой гладким шари­ ком [252]. Предел усталости сплава Ti—4А1 удалось по­ высить с 27 (после шлифования) до 46 кгс/мм2 (после обкатки), т. е. на 70%• Применение обкатки вибрирую­ щим шариком позволяет увеличить предел усталости с 26 до 34 кгс/мм2, т. е. на 30%. Чистота поверхности при

238

обкатке гладким шариком значительно повышается, поч­ ти до 10-го класса, в то время как обкатка вибрирующим шариком обеспечивает чистоту поверхности до 8-го клас­ са. Большая эффективность обкатки гладким шариком обусловлена большей интенсивностью и глубиной поверх; постного упрочнения.

Электрохимическая обработка титановых сплавов ухудшает их усталостные свойства [252, 254, 255]. Пре­ дел усталости на базе 2 -107 циклов для сплава ВТ8 пос­

стоянии (после механической обработки). Значительное снижение предела усталости в результате электрохими­ ческой обработки обусловлено двумя основными факто­ рами: снятием наклепа и растравливанием поверхности по границам зерен.

Электрополирование поверхности после электрохими­ ческой обработки приводит к значительному повышению чистоты поверхности и тем самым к восстановлению пре­ дела усталости. Удаление поверхностного слоя электро­ химической обработкой путем обработки наждачной бу­ магой позволяет существенно повысить предел устало­ сти. Снятие слоя толщиной 0,02 мм позволяет повысить предел усталости сплава ВТ8 до 44—46 кгс/мм2, что на 12—13 кгс/мм2 выше предела усталости после электрохи­ мической обработки. Удаление слоя толщиной 0,03— 0,08 мм позволяет полностью восстановить предел уста­ лости сплава ВТ8.

Электрохимическая обработка сплава ВТЗ-1 [255] также приводит к существенному снижению предела ус­ талости.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что процесс электрохимической обработки в качестве окончательной операции при изготовлении деталей из ти­ тановых сплавов не следует применять.

М А Л О Ц И К Л О В А Я У С Т А Л О С Т Ь Т И Т А Н А И Е Г О С П Л А В О В

В настоящее время большое внимание уделяется прочности материалов и элементов конструкции в усло­ виях малого числа циклов нагружения с одновременным накапливанием макропластической деформации и уста­ лостных повреждений [255, 256]. Соотношение скорости накапливания макропластической деформации и уста­

239

лостных повреждений определяет сопротивление разру­ шению, его характер и зависит от свойства материала, величины и характера распределения напряжений. Ско­ рость накапливания макроскопической деформации и ус­ талостных повреждений зависит от прочности материа­ ла, температуры, концентрации напряжений и других факторов.

Влияние предела прочности, температуры испытания, концентрации напряжений и упрочнения поверхности на малоцикловую усталость сплавов ВТ8 и ВТ9 было иссле­ довано в работе [257]. Испытание на повторно-статиче­ ское растяжение при 20, 200, 350, 450 и 500° С проводи­ ли на установках с пульсирующим знакопостоянным цик­ лом нагружения с частотой 14 циклов в минуту. Определе­ ние прочности при малоцикловой усталости проводили

ких и надрезанных образцах (радиус надреза 0,1 мм, теоретический коэффициент концентрации напряжений 4—6) после стандартной термической обработки иВТМО, которая включала деформацию при 950—970° С с ох­ лаждением в воде и последующее старение.

Изменение предела прочности сплавов от 105 до 157 кгс/мм2 приводит к изменению предела малоцикло­ вой прочности от 91 до 98,5 кгс/мм2 на гладких образ­ цах, а на образцах с надрезом к снижению предела ма­ лоцикловой прочности с 40 до 29 кгс/мм2. Отношение предела усталости к пределу прочности для гладких об­ разцов уменьшается от 0,82 до 0,63 и для образцов с над­ резом от 0,38 до 0,20.

Предел малоцикловой усталости понижается с повы­ шением температуры, причем основное снижение имеет место при повышении температуры от 20 до 200° С. В ди­

с надрезом. Коэффициент чувствительности к повтор­ ности нагружения практически не зависит от температу­ ры и для гладких образцов составляет 0,75, а для образ­ цов с надрезом 0,3.

Поверхностное упрочнение, как видно из табл. 29, яв­

240