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

Точки с разными значениями //2с перемещены без какойлибо закономерности. С увеличением глубины трещины вязкость разрушения сплава Ti—6А1—4V с пределом прочности 113,5 кгс/мм2 повышается, в то время как

Рис. 112. Изменение разрушающих напряжений в зависимости от па­ раметра размера трещин 1/Q для сплава Ti—б А1—4 V различной прочности ав, кгс/мм2:

а — 113,5; 6 — 122; кривые на рисунке соответствуют равным значе-

ниям К кгс/мм- 3/2 ; / — 104; 2 — 141; 3 — 189; 4 — 247

вязкость сплава с пределом прочности 122 кгс/мм2 уменьшается (рис. 113).

В табл. 30 приведены значения Kic; а0,2 и 2,5 (Kid /сго.г)2 для сплава Ti—6А1—4V по результатам испыта­ ний образцов толщиной 6,4 мм при максимальной глуби­ не трещины 3,2 мм. Как было указано выше, для полу­ чения достоверных значений Кю необходимо, чтобы глу-

плавки большей прочности лишь несколько трещин име­ ло достаточную глубину.

Данные K i c для сплава Ti—6 А1—6 V—2 Sn (табл. 30) удовлетворяют всем известным требованиям для опреде­ ления достоверных значений вязкости разрушения. Дан­ ные работы [266] относятся к первым производственным партиям и, вероятно, они не отражают современную практику производства полуфабрикатов, в то время как более поздние [178] типичны для современного произ­ водства.

В работе [261] по описанной выше методике (см. стр. 250) был определен коэффициент /(фдля сплава Ti—

При толщине образцов менее 2,5 мм испытания давали недостоверные значения критического коэффициента ин­ тенсивности напряжений с разбросом значений от 120 до

200 кгс/мм3/2. При больших толщинах образцов (от 2,5 до 30 мм) KQ соответствовало Ки со средним значением

110 кгс/мм*'г.

258

Вработах [263, 267] была оценена вязкость разру­ шения отечественных титановых сплавов по результатам статических и усталостных испытаний. Н. А. Воробьев и др. [267] определили вязкость разрушения сплава ВТЗ-1 при циклическом нагружении образцов диаметром 7,5 мм

вусловиях чистого изгиба, используя методику расчета, предложенную В. С. Ивановой и В. Т. Кудряшовым.

Втой же работе [267] была измерена вязкость раз­ рушения сплава ВТЗ-1 при статическом изгибе плоских

щимся усталостной трещиной длиной 2,5 мм. Параметр Kic в этом случае (^ 2 0 0 кгс/мм3/2) оказался выше, чем

при усталостных испытаниях (^1 6 5 кгс/мм /г). Это свя­ зано с тем, что толщина образца (7 мм) была меньше критерия 2,5 (Атс/оо.г)2, равного для сплава ВТЗ-1 10 мм. Поэтому испытания на вязкость разрушения дали завы­ шенные результаты.

В работе [263] определена вязкость разрушения отожженных титановых сплавов ВТ8 и ВТ9. Исследова­ ния были проведены на прессованных профилях и прут­ ках диаметром 35 мм. Критический коэффициент интен­ сивности напряжений сплава ВТ8, оцененный по резуль­ татам усталостных испытаний гладких образцов диамет-

ром 5 мм, составил 180—205 кгс/мм .

Авторы работы [263] отмечают, что полученные ими значения /Cjc на образцах диаметром 5 мм занижены.

Последующая оценка вязкости разрушения по схеме, приведенной на рис. 109,(5, при статическом нагружении, дала для профилей из сплавов ВТ8 и ВТ9 значения кри­ тического коэффициента интенсивности напряжений 235

и 250 кгс/мм ,г соответственно.

Фредерик и Ханн [268] изучили влияние химического состава и микроструктуры на вязкость разрушения а- и а+р-титановых сплавов. Вязкость разрушения определя­ ли на плоских образцах при температурах —196 и —253°С. При выбранных размерах образцов условия плоской деформации не обеспечивались и поэтому авто­ ры называют полученные ими параметры квазивязкостыо разрушения. Проведенные исследования показали, что с увеличением содержания примесей внедрения в титане прочностные характеристики возрастают, а квазивяз­ кость разрушения уменьшается. Олово повышает чувст­

вительность титана к распространению трещин, а алю­ миний, наоборот, уменьшает. На примере сплава Ti— —6А1—4V было установлено, что при игольчатой струк­ туре, образовавшейся при р->-а-превращении, квазивяз­ кость разрушения больше, чем при равноосной.

В работе [269] для титанового сплава Ti—5А1— 2,5Sn(ELI) с малым содержанием примесей внедрения на сварных пластинах толщиной 6,3; 12,7 и 25,4 мм, по­ лученных различными методами дуговой сварки в защит­ ной атмосфере, изучена вязкость разрушения в условиях плоской деформации и прочностные свойства при растя­ жении при комнатной температуре, —196 и —253° С. Ко­ эффициент интенсивности напряжений сварного соедине­ ния несколько выше, чем для основного металла, что ав­ торы связывают со специфичной структурой а-фазы (зубчатость границ) в зоне сварного шва. Возможно, что и для сплава Ti—5А1—2,5Sn большая вязкость разру­ шения околошовной зоны по сравнению с основным ме­ таллом связана с пластинчатой структурой металла, примыкающего к шву, в то время как основной металл имеет равноосную структуру.

Работа Н. А. Воробьева и др. [267] посвящена иссле­ дованию зависимости вязкости разрушения а+р-тита- нового сплава ВТЗ-1 от структуры. Прокаткой в разных температурных интервалах были получены структуры трех типов: / — структура, представленная грубыми пла­ стинами а- и p-фаз с выделениями a -фазы по границам макрозерен; I I — структура, аналогичная первой, но с более тонкими пластинами и меньшим количеством вы­ делений a -фазы по границам макрозерен бывшей р-фазы; III — мелкозернистая, равноосная структура.

Вязкость разрушения была оценена по результатам испытаний при циклическом разрушении в условиях чис­ того изгиба при вращении образца, повторного растяже­ ния и растяжения с постоянной статической нагрузкой 30 кгс/мм2, а также при статическом изгибе плоских об­ разцов. Коэффициент интенсивности напряжений К “с

при циклическом нагружении был определен для глад­ ких образцов диаметром 7,5 мм по методике В. С. Ива­ новой и В. Г. Кудряшова. При использовании указанной методики вязкость разрушения оказалась не зависящей ни от типа структуры, ни от максимального напряжения цикла, ни от схемы нагружения. При 20° С значения К ]1с

укладываются в 10%-ную полосу со средним значением

260

165 кгс/мм >г, а при 450°С — в 18%-ную полосу со сред­ ним значением 120 кгс/мм^2.

Авторы работы [267] нечувствительность параметра Kjc к структуре объясняют тем, что в их экспериментах

диаметр зерен равноосной структуры был близок к раз­ меру колоний параллельных пластин а- и (3-фаз внутри бывших p-зерен при пластинчатой структуре. Размеры колоний были много меньше размеров бывших р-зереи. Линии скольжения при равноосной структуре меняли свое направление при переходе из одного зерна в другое, а при пластинчатой структуре линии скольжения прохо­ дили через пластины внутри одной колонии без прелом­ ления и лишь на границах колоний изменяли свое на­ правление. Поскольку длины полос скольжения при раз­ личных структурах были близки, то сопротивление пла­ стической деформации для исследованных структур дол­ жно быть близким.

Все же полученный в работе [267] вывод о нечувст­ вительности вязкости разрушения к структуре нельзя признать всеобщим. Он противоречит данным по вязко­ сти разрушения, полученным в работах [268, 269].

Линк и Мунц [270] на примере сплава Ti—6А1—4V также показали, что характер структуры оказывает су­ щественное влияние на вязкость разрушения титановых сплавов. Для определения значения Кic был использо­ ван метод изгиба прямоугольных образцов высотой 28 и толщиной 14 мм с острым надрезом глубиной 14 мм. Об­ разцы подвергали повторным нагружениям и записывали кривые зависимости раскрытия трещины от нагрузки, а также по изменению электросопротивления регистриро­ вали появление новой поверхности разрушения.

В результате этих испытаний были получены следу­ ющие данные:

Критический коэффициент интенсивности напряжении при пластинчатой структуре оказался в 1,35 раза больше, чем при зернистой.

В работе [271] изучалась вязкость разрушения р-ти-

танового сплава В-120 УСА (11,5% Сг; 3,2% А1; 14% V;

261

0,02% С; 0,25% Fe; 0,018% N2; 0,11% 0 2). Исследования были проведены на отожженных в вакууме листах тол­ щиной 1,15—1,72 мм, из которых вырезали образцы дли­ ной 190 и шириной 50,8 мм. В центральной части образ­ ца был сделан сквозной надрез длиной 15 мм с радиу-

после закалки с 788° С

сом закругления не более 0,075 мм. Затем в устье надреза создавалась усталостная трещина длиной 1,5 мм с той и другой стороны. Образцы испытывали на растя­ жение. Поскольку толщина листов была малой, авторы работы [271] обозначают коэффициент интенсивности напряжений как Кс ■

Рис. 114 иллюстрирует влияние температуры нагрева под закалку на вязкость разрушения сплава В-120 VCA. Вязкость разрушения незначительно уменьшается с по­ вышением температуры нагрева под закалку от 705 до 845° С (все эти температуры для сплава В-120 VCA вы­ ше температуры Ас3). Следует отметить, что вязкость закаленного сплава была довольно велика, так что вряд ли при толщине листов от 1,15 до 1,72 мм коэффициент интенсивности напряжений отражал К1с.

Вязкость разрушения и пределы прочности и текуче­ сти с повышением температуры нагрева под закалку из­

262

меняются согласованно; повышение К. сопровождается

ростом ав и 0о,2, и наоборот. После старения сплава при 482° С наблюдаются иные закономерности: с повышени­ ем температуры нагрева под закалку прочностные свой­ ства растут, а вязкость разрушения уменьшается. При увеличении длительности старения вязкость разрушения также падает, а пределы прочности, текучести растут (рис. 115). Это несогласованное изменение вязкости раз­ рушения и пределов прочности и текучести авторы ра­ боты [271] связывают с микроструктурными измене­ ниями.

Излом сплава В-120 VCA после закалки имеет вяз­ кий характер; поверхность разрушения покрыта ямка­ ми, характерными для вязкого разрушения, их размер довольно велик и составляет десятки микрон. Такому характеру излома соответствует значение К , равное

147 кгс/мм3/г. После старения при 482° С в течение 10 ч

параметр ХСз повышается до 350 кге/мм</г, а характер разрушения остается вязким, но размер ямок в поверх­ ности излома уменьшается до 4—5 мкм. При увеличе­ нии продолжительности старения до 20 ч размер ямок еще более уменьшается, но появляются элементы межкристаллитного излома, а коэффициент КСз уменьшает­

ся до 242 кгс/мм3/2. При дальнейшем увеличении дли­ тельности старения до 72 ч параметр КСз уменьшается

до 136 кгс/мм’/г, а характер разрушения становится межкристаллитным с малой долей ямочного излома.

Одна из важнейших задач сводится к установлению связи вязкости разрушения со свойствами материала при стандартных методах механических испытаний. Эта проблема становится особенно важной для дефицитных, редких металлов или сплавов на основе распространен­ ных металлов, легированных редкими, дорогостоящими элементами. Важность этой задачи очевидна: для полу­ чения достоверных значений Кю нужны образцы боль­ ших размеров, особенно для вязкого материала.

Фрид К- Н. [261] изучил взаимосвязь различных па­ раметров вязкости разрушения для ряда титановых сплавов. Были проведены испытания на ударную вяз­ кость, испытания падающим грузом на отрыв при из­ гибе (ИПГ) с обработкой результатов эксперимента методами линейной механики разрушения и испытания

263