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

механизмом растворного упрочнения является механизм Флейшера [62]. Для растворов внедрения в переходных металлах следует ожидать параболической зависимости между температурой хладноломкости и концентрацией примеси.

Атомы водорода имеют небольшие размеры по сравнию с размерами междоузлий. Поэтому зависимость температуры хладноломкости от содержания растворен­ ного водорода может иметь линейный характер, что, на­ пример, наблюдается для сплава ВТ15 (рис. 144).

Из полученного анализа следует, что металлы могут быть склонны к хладноломкости и в отсутствие примесей. Это не противоречит существующим представлениям. Хладноломкость может быть обусловлена не только бло­ кировкой дислокаций примесными атомами, но и резким увеличением предела текучести с понижением темпера­ туры из-за сильного возрастания напряжений Пайерл- са—Набарро и, как следствие, инертностью дислокаций во вторичных плоскостях скольжения.

НЕОБРАТИМАЯ ХРУПКОСТЬ» ОБУСЛОВЛЕННАЯ РАСПАДОМ ПЕРЕСЫЩЕННЫХ

ОТНОСИТЕЛЬНО ВОДОРОДА ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ (ХРУПКОСТЬ ПЯТОГО ВИДА}

Водородная хрупкость, развивающаяся при малых скоростях деформации, может быть обусловлена распа­ дом пересыщенных относительно водорода твердых рас­ творов под влиянием приложенных напряжений. Если концентрация водорода в металле не слишком велика, то при закалке в образцах фиксируется пересыщенный от­ носительно водорода твердый раствор. В таком состоя­ нии металл не склонен к водородной хрупкости при больших скоростях деформации, но если пластическая деформация протекает медленно, то твердые растворы распадаются с образованием тонких пластинчатых выде­ лений гидридов. В дальнейшем механизм этого разруше­ ния аналогичен гидридной хрупкости первого рода, опи­ санной выше.

Такого рода хрупкость при малых скоростях дефор­ мации наблюдалась в а-титановых сплавах [327]. Так, например, поперечное сужение сплава ВТ5-1 в отожжен­ ном'состоянии при проведении испытаний на растяжение с большой скоростью резко снижается с введением водо­ рода, а при проведении испытаний с малой скоростью

3 1 7

практически не меняется (рис. 146). Поперечное сужение сплава ВТ5-1 в закаленном состоянии, напротив, очень слабо снижается при введении водорода при проведении испытаний с большой скоростью, но при испытаниях с малой скоростью резко уменьшается, если содержание

сплава ВТ5-1 после закалки (а) и охлаждения с печью (б) при про­

в о д о р о д а п р е в ы ш а е т 0 ,0 1 5 % (по м а с с е ) . Т а к и м о б р а з о м , а - т и т а н о в ы й с п л а в ВТ5-1 в з а к а л е н н о м с о с т о я н и и б о л е е с к л о н е н к в о д о р о д н о й х р у п к о с т и п р и м а л ы х с к о р о с т я х п е р е м е щ е н и я т р а в е р с р а з р ы в н о й м а ш и н ы , чем при б о л ь ш и х .

В о т о ж ж е н н ы х о б р а з ц а х п р и л ю б о й с к о р о с т и д е ф о р ­

с к о р о с т ь ю д е ф о р м а ц и и , б ы л о о б н а р у ж е н о з н а ч и т е л ь н о е к о л и ч е с т в о г и д р и д о в , о р и е н т и р о в а н н ы х п е р п е н д и к у л я р ­ но оси р а с т я ж е н и я .

Ориентированное под влиянием напряжений выделе­ ние гидридов в титане было обнаружено в работах

[328—330]. Гидридные пластинки имеют тенденцию ориентироваться перпендикулярно растягивающим на­ пряжениям, потому что такая их ориентация энергетиче­ ски более выгодна. Плотность гидрида меньше, чем плот­ ность титана. Поэтому выделение пластинок гидридов перпендикулярно растягивающим напряжениям вызыва­ ет снятие напряжений в матрице и тем самым уменьшает свободную энергию системы. При испытаниях на растя­ жение пластинки, перпендикулярные оси растяжения, более резко охрупчивают металлы, чем пластинки, ори­ ентированные параллельно растягивающим напряжени­ ям, так что подобное выделение гидридов является неже­ лательным.

Ориентированные по отношению к действующим на­ пряжения выделения гидридов наблюдаются, когда на­ пряжения превышают некоторое критическое значение, но не достигают предела текучести [328, 329]. Это крити­ ческое напряжение зависит от технологии изготовления образцов и от их ориентации по отношению к направле­ нию действия напряжений. Ориентированный по отноше­ нию к напряжениям распад пересыщенных растворов водорода есть активируемый процесс, а критическое на­ пряжение определяется энергией активации этого про­ цесса.

В работе [328] из холоднокатаных пластин титана вырезали цилиндрические образцы вдоль и поперек про­ катки. В эти образцы вводили водород и выдерживали при 425° С в течение 5—16 ч для перевода водорода в твердый раствор, а затем на образцы накладывали на­ пряжения 0; 10,5 и 21 кгс/мм2 при 425° С. После выдерж­ ки под напряжением при 425° С в течение 2 ч образцы охлаждали до комнатной температуры, не снимая на­ грузки. Металлографический анализ продольных и попе­ речных сечений образцов показал, что если выделение гидридов происходит при напряжении 21 кгс/мм2, то они ориентируются перпендикулярно оси растяжения.

Как известно, гидриды внутри зерна выделяются вдоль определенных плоскостей — плоскостей габитуса. Поэтому чувствительность материала к ориентированно­ му по отношению к действующим напряжениям выделе­ нию гидридов зависит от текстуры металла и схемы на­ пряженного состояния. Материал наиболее чувствителен к ориентированному распаду, если текстура в нем тако­ ва, что плоскости габитуса гидридов перпендикулярны

319

действующим растягивающим напряжениям. Наоборот, материал будет мало склонен к ориентированному выде­ лению гидридов, если плоскости габитуса будут ориенти­ рованы под небольшим углом к направлению действия растягивающих напряжений. На ориентировку гидридов влияет не только расположение образца по отношению к внешним нагрузкам, но и технологические особенности получения материала [328, 330]. Предшествующая де­ формация сплава путем прокатки, ковки, волочения или растяжения приводит к возникновению преимуществен­ ной ориентировки плоскостей габитуса гидридов. Если плоскости габитуса гидридов ориентированы произволь­ но, то гидриды вынуждены выделяться не перпендику­ лярно растягивающим напряжениям, а вдоль имеющих­ ся плоскостей габитуса. Таким образом, путем рацио­ нальной технологии получения полуфабрикатов из титана и изготовления элементов готовых конструкций можно ослабить вредное влияние ориентированного вы­ деления гидридов.

Распад пересыщенных относительно водорода твер­ дых растворов наблюдали и в сплаве T i—8А1—1Мо — IV [53, с. 545]. При наводороживании в аппаратуре Сивертса при 650° С гидриды в структуре сплава не появля­ лись до концентрации 0,08% Н2. Однако деформация всего на 2,5% при комнатной температуре приводила к образованию гидридов вдоль плоскостей скольжения да­ же в сплаве с 0,02% Н2. При содержании 0,02% Н2 гид­ риды занимают около 'Д общей длины линий скольже­ ния, а при содержании 0,04—0,06% Н2 гидриды распо­ лагаются почти вдоль всех линий скольжения. В сплаве

T i—8А1—1Мо—IV с 0,01—0,015% Н2 (трития) при дей­ ствии напряжений от 0,135 до 0,8 предела текучести при 315 и 232° С в течение 24 ч выделения гидридов не про­ исходило [331]. При всех исследованных уровнях напря­ жений наблюдалось лишь скопление трития на границах раздела а- и (5-фаз.

Водород из пересыщенного твердого раствора может выделяться не только под влиянием приложенных напря­ жений, но и в процессе вылеживания при комнатной тем­ пературе. Такого рода эффект был обнаружен Леннингом, Крейхедом и Джаффи [280] в титане (рис. 147).

Снижение пластичности из-за выделения гидридов из пересыщенных водородом твердых растворов в процессе вылеживания при комнатной температуре наблюдается

320

также в а+Р-титановых сплавах, закаленных из |3-обла- сти. Так, в частности, механические свойства сплавов ВТЗ-1 и ВТ6 с повышенным содержанием водорода после закалки из p-области нестабильны [332]; со временем при комнатной темпе­ ратуре происходит по­ степенное снижение пластичности закален­ ных сплавов (рис. 148).

Эту нестабильность свойств можно объяс­ нить распадными про­ цессами, которые раз­ виваются в пересыщен­ ных относительно водо­ рода а- и а'-растворах. При высокой темпера­ туре растворимость во­ дорода в a-фазе до­ вольно велика и близ­ ка к растворимости во­ дорода в p-фазе. Рас­ творимость водорода в а- и а'-фазах при низ­ ких температурах чрез­ вычайно мала. Поэтому при закалке фиксиру­ ются пересыщенные от­ носительно водорода а- и а'-фазы, испытываю­ щие распад в процессе вылеживания при ком­

натной температуре. В результате этого распада выделя­ ются субмикроскопические выделения гидрида титана, которые и приводят к хрупкому разрушению.

Вильямс [333] предполагает, что водородная хруп­ кость, развивающаяся в титановых сплавах при малых скоростях деформации, отличается от хрупкости, прояв­ ляющейся при больших скоростях деформации, лишь различным характером кинетики выделения гидридов.

Если условия изготовления и термической обработки таковы, что появляются массивные выделения гидридной фазы, то наблюдается хрупкость первого рода. Если же гидриды не выделяются в процессе охлаждения, то