на растяжение плоских образцов с одним боковым над резом, оканчивающимся усталостной трещиной. Испы тания на ударную вязкость были выполнены на образ цах Шарпи, для испытаний на изгиб падающим грузом были использованы образцы, изготовленные из плиты толщиной 25,4 мм. Длина образцов составляла 406 мм при ширине 127 мм. Для инициирования трещины на плиту был нанесен сварной шов длиной 38 мм, охрупченный железом. Для определения значения Кю изго тавливали образцы длиной 330, шириной 127 и толщи
ной 25,4 мм. Образцы имели боковой надрез |
длиной |
|
38 |
мм, оканчивающийся усталостной трещиной |
длиной |
2,5 |
мм. |
|
|
Испытания образцов с боковым надрезом проводили |
|
по схеме растяжения и чистого изгиба; оба метода да ли практически одинаковые средние значения K i c . Ког да диаграмма нагрузка — смещение была линейной, для расчетов брали максимальную нагрузку; если линей ность нарушалась, то Кю определяли по наименьшей на грузке, при которой обнаруживалась явная нестабиль ность трещины.
Проведенные исследования показали, что вязкость разрушения уменьшается с увеличением предела текуче сти, особенно сильно, если последний становится больше 100—120 кгс/мм2. При пределе текучести порядка 90— 100 кгс/мм2 наибольшая вязкость разрушения характер на для сплавов Ti—6А1—4Zr—2Nb и Ti—6А1—4V.
Коэффициент K i c возрастает с увеличением энергии разрушения при испытании на изгиб падающим грузом до 165 кгм. При больших энергиях разрушения ИПГ па раметр K i c остается постоянным, что связано с зани женными значениями критического коэффициента интен сивности напряжений при большой вязкости разруше ния.
На рис. 116 приведена зависимость параметра (Kic/oo,2)2, характеризующего допустимые размеры тре щин, от предела текучести для сплавов Ti—6А1—4V и Ti—6А1—6V—2Sn. График, приведенный на рис. 116, построен по данным табл. 41 с учетом только достовер ных значений K i c ■ Как видно из этих данных, допусти мые размеры трещин уменьшаются с увеличением пре дела текучести материала.
Следует также упомянуть о работе Лейса [272], в которой приведена диаграмма в координатах (Кы/ов)2—
264
— для сталей, алюминиевых и титановых сплавов (рис.
Р
117), а также зависимость прочности листовых образцов с трещиной от исходной ее длины. Анализ этих диа грамм показывает, что критическая длина трещины, про порциональная (Aic/сгв)2, при одной и той же удельной прочности (ав/р) наибольшая у титановых сплавов.
Приведенные данные по испытанию на проч ность листовых материа лов с трещиной показали, что для реальных деталей, нагруженных статической
Рис. 116. |
Взаимосвязь |
параметра |
Рис. 117. Зависимость парамет |
||
ра |
(К\с1®в )2 от отношения |
||||
|
и предела текучести для |
ав/р |
для стали (/), алюминие |
||
титановых |
сплавов Ti—6 А1—6 V—2 Sn |
||||
вых (2) и титановых (3) спла |
|||||
(/) и Ti—6 A l-4 V (2) |
|
вов |
|
||
нагрузкой, переход к материалам с более высокой проч ностью не всегда дает экономию в весе конструкции, так как снижается сопротивление материала распростране нию трещины.
Осгуд [273] сопротивление титановых сплавов разру шению представил в виде диаграммы вязкости разруше ния (рис. 118). На диаграмме по оси ординат отложены работа разрушения титановых сплавов при испы таниях на динамический отрыв W и критический ко эффициент интенсивности напряжений Кю, а по оси абс
цисс — предел текучести. По мнению Осгуда, |
критический |
||
коэффициент |
К ic в первом приближении |
пропорцио |
|
нален W. Линии на диаграмме |
ограничивают области |
||
возможных значений W (К\с) в зависимости от преде |
|||
ла текучести для а-, псевдо-а, |
а + р - и р-сплавов. Пря |
||
мые линии |
соответствуют |
разным соотношениям |
|
Klc/Oo,2-
265
5 6 8 \
1
№ I
ч*
Рис. 118. Диаграмма вязкости разрушения для титановых сплавов
Рис. 119. Зависимость коэффициента интенсивности напря жений для отожженных сплавов Ti—4А1—ЗМо—IV (/), Ti—6А1— 4V (2) и Ti—8 Al —1 Mo—1 V (<?) от времени действия на пряжений при испытаниях на замедленное разрушение в ус ловиях коррозионного растрескивания в 3,5%-ном водном рас творе NaCl
266
Диаграмма вязкости разрушения позволяет по резуль татам различных испытаний оценить сопротивление ма териала разрушению. Те материалы, свойства которых
описываются точкой ниже линии A ' i c / c t 0,2= 2,5 м м '% — это сплавы с низким сопротивлением разрушению. Тол стые детали, изготовленные из этих материалов, долж ны проходить натурные испытания для проверки их
прочности. Для точек между 2,5 мм /г и бесконечных значений отношения Агс/оо.г линейную механику разру шения можно применять для определения допустимых размеров трещин для различных толщин деталей и уров ней нагрузки. Материалы выше линии KicIgq,2— 00 пред ставляют собой малопрочные, высоковязкие сплавы, до статочно пластичные, чтобы поддерживать трещину в течение периода медленного роста перед разрушением.
Из анализа диаграммы вязкости разрушения следует, что для титановых сплавов при различных уровнях прочности возможна широкая область значений вязко сти разрушения. Предел текучести а- и псевдо- ос-спла- вов обычно не превышает 85 кгс/мм2; сопротивление этих сплавов разрушению достаточно высокое и разру шения при плоской деформации не наблюдается. Боль шинство р-сплавов имеет предел текучести выше 85,0 кгс/мм2 и их сопротивление разрушению соответст венно низкое, они описываются точками ниже линии
для отношения KiJoо,2= 5,0 мм /2. Прочность и вязкость а+р-сплавов колеблются в весьма широких пределах. Необходимы тщательный контроль за содержанием кис лорода и точное соблюдение технологии производства и режимов термообработки для достижения сопротивле
ния разрушению выше линии отношений |
5,0. |
В заключение отметим, что линейная |
механика раз |
рушения в последнее время довольно широко использу ется для описания результатов испытаний на коррози онное растрескивание. В этих испытаниях образец с над резом, оканчивающимся усталостной трещиной, сначала непрерывно нагружается до разрушения в предположи тельно нейтральной среде и по максимальной нагрузке вычисляется коэффициент интенсивности напряжений, основанный на начальной длине трещины. Это началь ное значение коэффициента интенсивности напряжений Ки служит основой построения кривой замедленного разрушения. Последующие образцы испытывают в аг
267
рессивной среде при приложении последовательно более низких коэффициентов интенсивности напряжений (Ки) и регистрируют время до разрушения. Результаты экс периментов выражают в виде' графика, связывающего Ки или KulKix со временем до разрушения.
На рис. 119 приведены типичные результаты стати ческих испытаний в соленой воде трех титановых спла вов. Эти данные получены при испытаниях на изгиб по четырехточечной схеме образцов с усталостной трещи ной в основании надреза. Они показывают, что способ ность всех трех сплавов выдерживать нагрузку умень шается при испытаниях в 3,5%-ном водном растворе по варенной соли. Коэффициент интенсивности напряжений Ки со временем действия нагрузки уменьшается и стре мится к пороговому значению, обозначенному как Kiscc, выше которого разрушение происходит быстро. Заме тим, что этот порог значительно ниже для сплава
Ti—8А1—1Мо— IV, чем для сплавов Ti—6А1—4V и
Ti—4А1—ЗМо—IV.
В большинстве случаев замедленное разрушение про исходило в течение нескольких часов, и нет убедитель ных доказательств, что разрушение не наблюдалось бы ниже указанных значений Kiscc, если бы время дейст вия нагрузки было достаточно продолжительным. Тем не менее ясно, что уровни интенсивности напряжений, превышающие это значение, являются опасными.
Р а з д е л HI
ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
Водородная хрупкость титана и его сплавов была ^впервые обнаружена в США в 1952 г., когда из-за повышенного содержания водорода разрушился ряд деталей, предназначенных для авиационного двигателя. Поэтому в ряде стран, в том числе и в СССР, были про ведены широкие исследования по выяснению причин во
дородной хрупкости и их устранению. |
|
||
за |
Несмотря на многочисленные работы, проведенные |
||
последние двадцать лет как |
в нашей |
стране, |
|
так |
и за рубежом, водородная |
хрупкость |
продол |
жает оставаться проблемой, без разрешения которой не возможна нормальная эксплуатация титановых изделий. За это время центр исследований переместился из ме таллургии в технологию производства. В настоящее вре мя металлургическая промышленность основную массу металла поставляет с содержанием водорода меньше допустимых концентраций; в слитках среднее содержа ние водорода не превышает тех концентраций, при ко торых возможна водородная хрупкость. Однако и при производстве полуфабрикатов из титановых сплавов, и при технологических операциях в процессе изготовле ния изделий содержание водорода может увеличиться до значений, превышающих максимально допустимые. Изза наводороживания в процессе производства в издели ях может развиваться водородная хрупкость, хотя, ис ходя из качества исходного металла, ее не должно быть. Поэтому при решении вопроса о возможности примене ния титана и его сплавов в том или ином конкретном случае следует учитывать возможность их наводорожи вания и развития в них водородной хрупкости как в про цессе изготовления конструкции, так и при ее эксплуа тации.
269