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

ность излома не следует за границами зерен и субзерен. Образование субмикроскопических выделений гидридов такжд не ответственно за рассматриваемый вид хрупко­ сти, поскольку она развивается в металле сразу же после закалки с достаточно высоких температур, когда водо­ род заведомо находится в твердом растворе.

Нет также оснований полагать, что причиной этой хрупкости является физическая адсорбция водорода на внутренних поверхностях раздела. В металлах, поглоща-

ющих водород по экзотермической реакции, внутреннее давление так мало, что этот эффект должен быть мал. Действительно, равновесное давление водорода для ти­ тана при комнатной температуре и содержании 0,2% (по массе) Н2 всего порядка 10~14 мм рт. ст. Таким образом, в несплошностях внутри этих металлов создается такой глубокий вакуум, какой трудно достижим даже в самых совершенных вакуумных системах.

Модули Юнга и сдвига титанового сплава ВТ 15 не меняются при введении водорода (рис. 143) и поэтому влияние водорода на силы межатомного сцепления в ме­ таллах не может быть причиной водородной хрупкости четвертого вида [284].

Авторы работы [325] полагают, что хладноломкость четвертого вида может быть обусловлена взаимодейст­ вием водорода с дислокациями. Ширина рентгеновских линий (ПО), (112), (132) для сплава ВТ15, содержащего до 0,08 %Н2, остается неизменной, но при больших кош

312

центрациях водорода она начинает постепенно увеличи­ ваться.

Как известно, температура конденсации атмосфер Коттрелла определяется уравнением

Если для сплава ВТ 15 энергия взаимодействия дислока­ ций с атомами водорода и0, как и для других металлов, равна 0,08—0,1 эВ, то из уравнения (80) следует, что для образования атмосфер Коттрелла из водородных атомов при комнатной температуре необходимо не менее

2—3,6% (ат.) [0,05—0,09% (по массе)]. Это значение хорошо согласуется с концентрацией водорода, начиная с которой рентгеновские линии расширяются. Между дислокациями и атомами водорода может быть также электрическое взаимодействие, поскольку атомы водоро­ да в металлах ионизированы.

Из уравнения (80) следует, что с понижением темпе­ ратуры уменьшается концентрация примеси, при которой начинается образование конденсированных атмосфер Коттрелла на дислокациях. На рис. 144 приведена зави­ симость между температурой конденсации примесных

ментальная кривая, иллюстрирующая изменение темпе­ ратуры хладноломкости от содержания водорода в спла­ ве ВТ15. За порог хладноломкости была принята темпе­ ратура, при которой ударная вязкость снижается вдвое.

Экспериментальная кривая лежит несколько ниже температуры конденсации атмосфер Коттрелла. Этот факт можно объяснить следующим образом. При выво­ де уравнения (80) Коттрелл исходил из допущения, что в условиях насыщения на краю экстраплоскости каждый атом металла связывает один атом примеси. Последую­ щие эксперименты показали, что в действительности в атмосферах Коттрелла один атом дислокационной ли­ нии может связывать до десяти—пятидесяти примесных атомов. Если полагать, что хладноломкость начинает проявляться лишь в том случае, когда плотность водо­ родных атмосфер достаточно велика, по крайней мере, больше одного атома примеси на один атом на дислока­ ционной линии, то температура хладноломкости должна

313

быть ниже температуры конденсации атмосфер, опреде­

ляемой уравнением (80).

Блокировка источников дислокаций во вторичных плоскостях скольжения не является единственной причи­ ной хладноломкости. Действительно, если наводороженные образцы сплава ВТ15 за­ калить с температуры 1073 К

при увеличении содержания во­ дорода и уменьшением скорости движения генерируемых ими дислокаций.

Водород будет приводить к хрупкому разрушению лишь в том случае, если он облегчает не только зарожде­ ние, но и распространение трещин. Анализ полученных экспериментальных фактов показывает, что водород мо­ жет облегчать хрупкое разрушение сплава ВТ15 при больших скоростях деформации, во-первых, за счет уменьшения эффективной поверхностной энергии. Эта энергия уменьшается из-за затруднения скольжения вследствие блокировки источников дислокаций примес­ ными атомами во вторичных плоскостях скольжения и уменьшения подвижности генерированных ими дисло­ каций. Во-вторых, водород может приводить к хладно­ ломкости из-за повышения предела текучести.

Известно, что склонность металлов к хладноломкости усиливается с увеличением содержания в них примесей. Анализ опубликованных данных показывает, что зависи­ мость температуры хладноломкости от концентрации

314

примеси может иметь линейный или более сложный ха­ рактер. Аналитическое выражение для зависимости тем­ пературы хладноломкости от концентрации растворен­ ных инородных атомов можно получить следующим об­ разом. По уравнению Петча—Холла предел текучести 0Т металлов в зависимости от величины зерна можно выразить уравнением (6).

Напряжение 0д можно разложить на термическую со-

**

ставляющую а0 , мало зависящую от концентрации примеси С, и атермическую составляющую о’0, опреде­

ляемую в основном концентрацией примеси. Зависимость напряжения о** от температуры обычно выражают

уравнением Вехр(—рГ) [326], а напряжение 0Р можно

описать уравнением асп, где п в зависимости от действу­ ющего механизма растворного упрочнения может быть

прямыми линиями, которые соответствуют тем меньшим напряжениям, чем выше температура (рис. 12).

Разрушающие напряжения ар при хрупком разруше­ нии можно описать аналогичным уравнением.

В соответствии с представлениями А. Ф. Иоффе на­ пряжения хрупкого разрушения мало зависят от темпе­

ратуры, и поэтому уравнение (9) в координатах а—/~ 1/г можно выразить в виде узкой заштрихованной полосы (рис. 12). При крупном зерне напряжение хрупкого раз­ рушения меньше предела текучести и металл будет хладноломким. При мелком зерне, наоборот, должно произойти пластическое течение, прежде чем будет до­ стигнуто напряжение хрупкого разрушения. Поэтому, следуя Армстронгу [31], условия хладноломкости можно записать в виде от —Ор или

3 1 5

Обозначив

- 1/2

R — P cn

Уравнение (84) не совсем удобно для расчетов. Если рассматриваемый интервал температур невелик, то, сле­ дуя Петчу [326], температурную зависимость о*0* можно

полагать линейной и имеющей вид Оо—гТ, где а0 и е — константы, не зависящие от температуры. В таком слу­ чае уравнение (82) принимаем вид

ударную вязкость можно оценить, принимая во внима­ ние, что;

а) эффективная скорость деформации при испытани­ ях на удар очень велика;

б) предел текучести в зоне надреза больше предела текучести ненадрезанного образца в m раз. В этом слу­ чае уравнение (86) справедливо, но при иных численных коэффициентах.

Следует отметить, что уравнение(86) определяет кон­ центрационную зависимость температуры хладноломко­ сти в том случае, когда хрупкое разрушение обусловле­ но блокировкой растворенными атомами дислокаций внутри зерна. Если хладноломкость вызвана сегрегацией примесей на границах зерен, тогда необходим другой подход к определению концентрационной зависимости температуры хладноломкости, данный Мак Лином [15], Е. Э. Гликманом [422] и др. Наиболее достоверным

316