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

То вполне конкретного металла, хотя в основу нх были положены допущения, которые позволяли распростра­ нить их и на другие сходные металлы. Так, в частности, теории,, предложенные для стали, можно распространить на ряд металлов, эндотермически абсорбирующих водо­ род, и даже на металлы, поглощающие водород по экзо­ термической реакции. Мы не будем здесь рассматривать все предложенные гипотезы, их обзор дан в монографиях [8, 11], а остановимся лишь на тех, которые применимы к титану и его сплавам.

Первые исследователи обратили внимание на тот факт, что поведение а+|3-титановых сплавов аналогично поведению стали: а+р-титановые сплавы, как и стали, наиболее чувствительны к водороду при малых скоро­ стях растяжения. На этом основании Риплинг [337] по­ стулировал, что механизмы водородной хрупкости а+ Р - титановых сплавов и стали одинаковы. Поэтому, по его мнению, водородную хрупкость а+р-титановых сплавов можно объяснить на основе теорий, предложенных для объяснения причин водородной хрупкости стали, напри­ мер на основе теории конкурирующих скоростей диффу­ зии и деформации.

Определяющая роль диффузии водорода в развитии обратимой водородной хрупкости второго рода под­ тверждается тем фактом, что энергия активации восста­ новления пластичности при низких температурах для ряда металлов совпадает с энергией активации при тер­ мической диффузии водорода. При сравнении этих двух процессов возникают трудности, связанные с тем, что диффузия водорода во многих металлах изучена лишь при высоких температурах. Экстраполяция же высоко­ температурных данных по диффузии до низких темпера­ тур, как показали последние исследования, не вполне законна, так как при низких температурах на диффузию водорода в металлах могут существенно влиять несовер­ шенства кристаллического строения. Об этих трудностях можно судить по данным, полученным для а+р-титано-

328

сужения, полученные при этих условиях. Область с вы­ сокими значениями поперечного сужения отделяется прямой линией от области с низкими значениями. На­ клон этой прямой дает энергию активации процесса вос­ становления пластичности. Эта энергия оказывается равной около 3000 кал/моль для всех исследованных

Температура, К

Рис. 153. Зависимость поперечного сужения в процентах (цифры на рисунке) от условий эксперимента для сплава

Ti — 140 А с 0,0375% На

концентраций водорода, т. е. она значительно меньше активации при диффузии водорода (см. табл. 43).

Расхождение между значениями энергии активации при диффузии и при восстановлении пластичности мож­ но объяснить двояко. Во-первых, скорость диффузии во­ дорода в |3-фазе сплава Ti — 140А может существенно отличаться от скорости диффузии в (3-фазе исследован­ ных сплавов. Во-вторых, при низких температурах диф­ фузия водорода в титане и его сплавах в отличие от диффузии при высоких температурах может существен­ но зависеть от структурных факторов.

В свое время наибольшее признание получила гипо­ теза водородной хрупкости а+|3-сплавов, предложен­ ная в наиболее полной форме Джаффи, Деннингом

329

ваться и приведут к разрушению. Поскольку для обра­ зования этих обогащенных водородом мест необходима диффузия водорода, то водородная хрупкость проявля­ ется лишь при малых скоростях растяжения.

и Джаффи, были не вполне корректны прежде всего по­ тому, что состав p-фазы в а+р-сплавах, в которых наб­ людалась водородная хрупкость при комнатной темпе­

ВТ15 (3% AI; 11% Сг; 7% Мо) почти совпадает с соста­ вом p-фазы в сплаве ВТЗ-1 после изотермического отжи­ га (2% А1; 11% Сг; 10% Мо). В соответствии с этим водородная хрупкость в сплаве ВТЗ-1 наблюдается практически в том же температурном интервале, что и в сплаве ВТ15. Совпадение интервалов водородной хруп­ кости для сплавов ВТ15 и ВТЗ-1, хотя и неполное, пока­ зывает, что за хрупкость а+р-титановых сплавов ответ­ ственны не границы раздела а- и p-фаз. Межзеренный характер разрушения при водородной хрупкости обус­ ловлен не специфической природой процессов, протека­ ющих на границах раздела двух разных фаз, а свойст­ вами самой границы зерна.

В силу приведенных выше экспериментальных фак­ тов гипотеза Джаффи, Деннинга и Крейхеда не может быть признана удовлетворительной.

Обратимся теперь к другой гипотезе водородной хрупкости, которая была предложена в работах [343—345] и в известной мере прямо противоположна рассмотренной выше. Вторая гипотеза базируется на перераспределении легирующих элементов между (3- и a-фазами, в результате чего состояние фаз приближа­ ется к равновесному и [3-фаза обогащается р-стабили- заторами и водородом. На этом основании авторы пола­ гают, что водородное охрупчивание а+р-сплавов обус­ ловлено обогащением p-фазы в процессе пластической деформации водородом с последующим выделением в ней мелкодисперсных включений гидридов или интерметаллидов или же охрупчиванием самой p-фазы. Эта

331

теория, однако, не объясняет всю совокупность экспери­ ментальных фактов по водородной хрупкости а+р-спла-

Вильямс полагает, что выдвигаемая им гипотеза во­ дородной хрупкости, основанная на распаде пересыщен­ ных относительно водорода а- и p-твердых растворов, справедлива для всех видов водородной хрупкости тита­ новых сплавов, проявляющихся при малых скоростях деформации. Нам представляется, что выдвигаемые им идеи объясняют лишь частный случай хрупкости, клас­ сифицированной выше как хрупкость пятого вида. Экс­ периментальные данные, полученные в ряде работ [346, 347], убедительно показывают, что в а+р-титановых сплавах водородная хрупкость развивается и при кон­ центрациях водорода, меньших его предельной раство­ римости.

Д И С Л О К А Ц И О Н Н А Я Г И П О Т Е З А О Б Р А Т И М О Й В О Д О Р О Д Н О Й Х Р У П К О С Т И

Описанные выше гипотезы водородной хрупкости не могут объяснить всей совокупности экспериментальных фактов, полученных при изучении влияния водорода на структуру и свойства титановых сплавов. В решении этой проблемы оказалось полезным применение дисло­ кационных представлений о механизме пластической деформации и разрушения. Водородная хрупкость ше­ стого вида наблюдается во многих металлах независимо от кристаллической структуры. Она обнаружена в ме­ таллах, имеющих объемноцентрированную решетку (же­ лезо, ниобий, ванадий, тантал, никель), в аустенитных сталях, имеющих гранецентрированную кубическую структуру, а также в а-титановых сплавах с гексаго­ нальной плотноупакованной структурой. Эта хрупкость наблюдается как в металлах, эндотермически абсорби­ рующих водород, например железо и никель, так и в металлах, экзотермически абсорбирующих водород, на­ пример, титан, ванадий, ниобий,тантал. В металлах пер­ вой группы при тех температурах, при которых развива­ ется обратимая хрупкость, водород создает огромные

3 3 2