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

ся стационарное распределение водорода. Поскольку ко­ эффициент диффузии водорода резко уменьшается с по­ нижением температуры, то чем ниже температура, тем больше требуется времени для установления равновесия.

Рис. 128. Распределение водорода в образцах из титана (а) и (5 -сплава BTI5 (б) после выдержки в температурном поле с градиентом 2 град/мм в течение 250 ч; сплошные линии — экспериментальные кривые; пунктир—» теоретические кривые

В итоге перераспределение водорода, обусловленное тер­ модиффузией, успевает проявиться лишь при достаточно высоких температурах. При низких температурах кон­ центрация водорода остается неизменной. Поэтому на кривых, иллюстрирующих изменение концентрации водо­ рода по длине образцов после выдержки в неоднородном температурном поле, имеются пики. Среднее содержание водорода в процессе экспериментов существенно не из­ меняется.

Распределение водорода в высокотемпературной ча­ сти в координатах IgC—1/7 описывается прямой линией (рис. 129), угол наклона которой определяется теплотой переноса Q*. Решение уравнения (68) с учетом экспери­ ментальных параметров дает следующие значения теп­ лоты переноса: для сплава ВТ1-1 Q* = 6900 кал/г-атом, для сплава ВТ15 Q* = 6300 кал/г-атом.

Сопоставление высокотемпературных участков экспе­ риментальных кривых распределения водорода в темпе­ ратурном поле с теоретическими кривыми (рис. 128, а, б), построенными по уравнениям (71) и (72), свидетельству­ ет об удовлетворительной качественной сходимости по­ лученных теоретических и экспериментальных резуль­ татов.

286

Количественное расхождение экспериментальных и теоретических кривых можно трактовать двояко. Вопервых, стационарное распределение водорода может не достигаться даже при высоких температурах. Во-вторых,

Рис. 129. Распределение водорода в высокотемпературной части образцов из титана (а) и сплава ВТ15 (б) после выдержки в тем­ пературном поле с градиентом 2 град/мм в течение 250 ч

для исследованных материалов значения теплоты растворения водорода Q могут не совпадать со значениями, приведенными в работе [277] для иодидного титана.

В другой серии экспериментов1 была изучена термо­ диффузия водорода в титановых сплавах при более вы­ соких температурах.

Эксперименты проводились в эвакуированных квар­ цевых ампулах на сплавах ВТ1 и ВТ15 при температуре холодных и горячих концов 650 и 1100°С соответствен­ но. В этом случае на кривой распределения водорода по длине образца в сплаве ВТ1 наблюдается ступенька, ко­ торая соответствует температуре а^р-перехода и объ­ ясняется различной растворимостью водорода в сс- и [}-фазах. Каждый из участков этой кривой (до и после «ступеньки») можно рассматривать отдельно как термо­ диффузию в а- и p-фазах (рис. 130).

Для изучения направленной диффузии при действии напряжений образцы из титана ВТ 1 -1 и р-титанового сплава ВТ15 размерами 120X20X1 мм были подвергну­

в воде с 800° С. Среднее содержание водорода в образ­ цах было равно 0,019% (по массе). Длительность экспе-

287

римента составляла 500 ч. Чтобы избежать обратного процесса, образцы немедленно после снятия нагрузки подвергали повторному анализу на содержание водоро­ да. Результаты экспериментов приведены в табл. 32 и 33.

Рис. 130. Термодиффузия водорода в техническом титане при температуре холодного и горячего концов образца 650 и 1100° С соответственно

Т а б л и ц а 32

Распределение водорода в титане ВТ1-1 при диффузии в поле напряжений

Приведенные данные свидетельствуют о перемеще­ нии водорода в растянутые части образца. Из-за этого эффекта содержание водорода в растянутых зонах образ­ ца может в полтора раза превышать средние концентра­ ции.

Водород в титане и его сплавах может также переме­ щаться под действием электрического поля. Электропе­ ренос водорода обусловлен перемещением ионов в элект­ ростатическом поле и действием электронного ветра. Электронный ветер обусловлен тем, что на атом вне узла

288

действует давление электронного газа, которое смещает его к аноду. Электронный ветер противодействует переме­ щению положительных ионов к катоду.

Уравнение диффузии при электропереносе водорода имеет вид

где С — концентрация примеси;

Е— напряженность электрического поля;

Т— абсолютная температура;

D — коэффициент диффузии;

г*— эффективный заряд иона при электропереносе.

где С(/, т) и С (0, т) — концентрация на концах образцов

1г

в момент времени т. Это решение справедливо для т<С— •

На рис. 131 приведено распределение водорода по длине проволоки из титана и сплава ВТ15 при темпера­ турах 673 и 1073 К после прохождения электрического тока в 10 А в течение 6 ч. Эти данные показывают, что со­ держание водорода в катодной области увеличилось, а в анодной уменьшилось. Поскольку, несмотря на электрон­ ный ветер, водород смещается к катоду, то очевидно, что квазиион водорода имеет положительный заряд. С уве-

ЛИченйем напряженности электрического поля и дли­ тельности его действия эффект электропереноса усилива­ ется.

С помощью уравнения (74) был найден эффективный заряд водорода. Зависимость эффективного заряда вти-

Расстояние от катода, мм

&75 675 875 /875 /275

Температура, к

Рис. 132. Зависимость эффективного заряда квазииона водорода от температуры для титана (а) и сплава ВТ15 (б)

тане от температуры приведена на рис. 132. Из этих дан­ ных видно, что эффективный заряд водорода в титане, уменьшается с повышением температуры.

И С Т О Ч Н И К И Н Л В О Д О Р О Ж И В А Н И Я

Наводороживание является неотъемлемым процессом при полу­ чении титановых сплавов, изготовлении изделий и их эксплуатации. Водород может проникать в металлы при литье слитков, обработке металлов давлением, термической обработке, сварке, травлении, при нанесении электролитических покрытий, а также при работе в водо­ родсодержащих средах.

В окружающей атмосфере свободного водорода практически нет. Основной источник наводороживания при взаимодействии титана и его сплавов с окружающей средой — пары воды.

290

Процесс взаимодействия титана с парами воды можно описать следующей схемой:

где [Н] Ti — водород, растворенный в титане.

Таким образом, при взаимодействии с титаном водяные пары разлагаются с образованием окисной пленки на поверхности образ­ ца и водорода. Водород при взаимодействии титана с парами воды должен диффундировать через пленку окиси титана. Поэтому ско­ рость поглощения титаном водо­ рода, образующегося по реакции (75), меньше скорости поглоще­ ния молекулярного водорода вы­ сокой чистоты [6]. Окисная плен­ ка резко замедляет диффузию во­ дорода в глубь металла. Кроме этого, кислород диффундирует с поверхности металла в глубь него, образуя обогащенный кислородом слой, также замедляющий диффу­ зию водорода в титане.

И. П. Бардин и А. В. Ревякин [309] показали, что взаимодейст­ вие титана с водяным паром при температурах 800—950° С происхо­ дит очень интенсивно. И. П. Кага­ нович и Т. В. Шихалеева [310] обнаружили, что при газовом на­ греве заметное поглощение водо­ рода происходит при температу­ рах выше 850—960° С. Аналогич­ ные результаты были получены в работе [311].

Обстоятельное исследование за­ грязнения титана водородом и кислородом при его взаимодейст­ вии с парами воды было выпол­

нено Хьюгом и Лэмборном [312]. Для устранения окисления от лю­ бых других источников, кроме водяного пара, эксперимент проводили во влажной аргопной атмосфере, после чего образцы закаливали в ртуть. Для сравнения проводили аналогичные эксперименты во влажном воздухе. Содержание влаги в атмосфере регулировали со­ ответствующим смешением сухого и насыщенного газа. Влажный газ проходил через трубчатую печь при постоянной скорости потока 1 л/мин. Все эксперименты проводили при атмосферном давлении. Образцы вырезали из горячекатаного листа. Размеры образцов после

удаления шлифованием окалины составляли 19,05X6,35X2,2 ммОбщий характер влияния содержания влаги и температуры на

поглощение титаном водорода при его выдержке в течение 0,5—6 ч в атмосфере аргона показан на рис. 133, из которого видно, что уве­ личение влажности или температуры приводит к увеличению за­ грязнения металла водородом. При температурах ниже 590° С не было обнаружено поглощения после тридцатиминутной выдержки.

*