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

зарождения трещин должна быть различной для разных металлов.

В стали, как и в других металлах, эндотермически абсорбирующих водород, парциальное давление водоро­ да довольно велико даже при сравнительно малых его концентрациях в растворе. Поэтому можно полагать, что в этих металлах зарождение трещин облегчается в

торых обсуждается влияние высокого давления водоро­

бирующих водород, внутреннее давление весьма мало и не может стимулировать образование и распространение трещин. В этих металлах водород, транспортируемый дислокациями к препятствиям, может облегчить раскры­ тие трещины, по крайней мере, по четырем причинам: 1) водород снижает силы сцепления и вместе с тем тео­ ретическую прочность металлов; 2) в результате абсорб­ ции водорода на поверхности трещины снижается поверхностная энергия; 3) локальная концентрация водо­ рода в области скопления дислокаций становится доста­ точной для образования субмикроскопических выделе­ ний гидридов; 4) водород искажает решетку металла и тем самым препятствует рассеянию энергии скопления дислокаций за счет пластической деформации.

Следует отметить, что ни силы, сцепления, ни теоре­ тическая прочность непосредственно не входят в крите­ рии разрушения, но с ними связана поверхностная энер­ гия у. В ряд критериев, определяющих зарождение тре­ щины, входит модуль сдвига G. В связи с этим представ­ ляют интерес полученные авторами (рис. 143) данные, показывающие, что водород мало влияет на модули уп­ ругости чистого титана и p-титанового сплава ВТ15. Ес­ ли полагать, что модуль сдвига однозначно определяет­ ся силами связи в металлах, то отсюда следует, что сни­ жение сил сцепления при введении водорода не может быть причиной более легкого зарождения трещины в наводороженных образцах, по крайней мере, для титано­ вых сплавов.

Снижение поверхностной энергии при введении водо­ рода вполне может облегчить зарождение трещин в ме­ таллах, экзотермически поглощающих водород. Выше при рассмотрении состояния водорода в титане и его

352

сплавах были приведены доводы в пользу снижения по­ верхностной энергии границ раздела в наводорожепных образцах из-за сегрегации на них водорода.

Можно также допустить, что водородная хрупкость рассматриваемых металлов обусловлена образованием гидридов в местах сегрегации водорода. Обратимая во­ дородная хрупкость в этих металлах развивается при средних концентрациях водорода, меньших предельной растворимости. Однако концентрация водорода в обла­ сти скопления дислокаций во много раз больше средней его концентрации в металле. Когда концентрация водо­ рода в этих сегрегациях превышает предел растворимо­ сти, то образуются выделения гидридов. Эти выделения могут быть весьма дисперсны и даже когерентны с ре­ шеткой металла. Гидриды в металлах образуются в ос­ новном вдоль плоскостей спайности. Поскольку плот­ ность гидридов значительно меньше плотности основного металла, то выделение гидридов приводит к значитель­ ным растягивающим напряжениям вдоль плоскостей спайности, облегчая зарождение трещины.

Экспериментально выявить субмикроскопические гидриды, если они и есть, при обратимой хрупкости до­ вольно сложно. Поскольку средняя концентрация водо­ рода меньше его предельной растворимости, то субмик­ роскопические выделения гидридов в области скопления дислокаций после снятия напряжений будут растворять­ ся и вскоре исчезнут. Учитывая малые размеры гидридных выделений и большую скорость диффузии водорода даже при сравнительно низких температурах, следует ожидать, что этот процесс происходит очень быстро.

Наконец, водород может облегчить зарождение тре­ щин и без образования гидридов. Внутренняя энергия, которая концентрируется в голове скопления дислока­ ций, в пластичных металлах расходуется не на зарожде­ ние трещин, а на возбуждение вторичного скольжения. Повышенная концентрация водорода в области скопле­ ния дислокаций приводит к затруднению вторичного скольжения или из-за искажения решетки, или из-за блокирования вторичных источников дислокаций атома­ ми водорода. В итоге основная доля внутренней энергии расходуется на зарождение трещин, а не на вторичное скольжение.

В принципе не должно быть резкой границы между необратимой хрупкостью пятого вида и обратимой хруп­

костью шестого вида. Растворимость водорода с пониже­ нием температуры уменьшается, и поэтому при проведе­ нии испытаний при низких температурах водород в об­ разцах может оказаться в пересыщенном твердом растворе. Из-за малых скоростей диффузии при низких температурах распад пересыщенного относительно водо­ рода твердого раствора затруднен. Транспортировка ато­ мов водорода дислокациями к препятствиям облегчает зарождение гидридов и их рост. Образование гидридов в голове скопления дислокаций способствует зарождению трещин и приводит к водородной хрупкости. Эта хруп­ кость будет необратимой. Следовательно, механизм раз­ вития хрупкости по Вильямсу [333], о котором упомина­ лось выше, может действовать в определенном интерва­ ле температур.

Дислокационная гипотеза дополняет ряд других, ра­ нее предложенных гипотез водородной хрупкости. Она дополняет их транспортировкой атомов водорода дисло­ кациями к препятствиям. В образовавшихся благодаря этой транспортировке областях с повышенной концентра­ цией водорода развивается водородная хрупкость, кото­ рая в зависимости от природы металла, содержания во­ дорода, температуры эксперимента и предшествующей истории металла может быть обусловлена разными фак­ торами.

Водород приводит к хрупкости, если он облегчает не только зарождение, по и распространение трещин. При росте образовавшейся трещины снижение поверхностной энергии за счет адсорбции водорода уже не играет до­ минирующей роли. Согласно современным представлени­ ям, механизм разрушения металлов определяется эффек­ тивной поверхностной энергией, которая складывается из поверхностной энергии трещины у и работы пластиче­ ской деформации металла р, связанной с распространени­ ем трещины. В пластичных металлах работа пластической деформации в тысячи раз превышает поверхност­ ную энергию у, так что, если водород снизит поверхност­ ную энергию трещины даже до нуля, это не внесет суще­ ственных изменений в характер распространения трещин.

Понижение поверхностной энергии трещины благода­ ря адсорбции водорода на ее поверхностях не является решающей причиной водородной хрупкости титановых сплавов. Это вовсе не означает, что адсорбция водорода поверхностью трещины не играет никакой роли. Хрупкое

3 5 4

разрушение должно быть обусловлено причинами, сни­ жающими работу пластической деформации при распро­ странении трещин, но, как только эта работа снижена до значений, сравнимых со значениями поверхностной энер­ гии у, адсорбция водорода начинает играть весьма важ­ ную роль.

Работа пластической деформации при росте трещины может уменьшаться в результате транспортировки водо­ рода к устью возникшей трещины. Орован [358] и Мак Лин [15] считают, что трещина после достижения крити­ ческой длины за счет слияния дислокаций может распро­ страняться путем притяжения дислокаций к вершине трещины. В наводороженном металле дислокации, при­ тягиваемые полем напряжений к вершине трещины, транспортируют к ней водород. Возможна также и на­ правленная диффузия атомов водорода, к поверхности трещины из-за неоднородного поля напряжений. Водо­ род, накапливаемый в вершине растущей трещины, об­ легчает ее распространение или за счет затруднения скольжения по вторичным плоскостям скольжения, или за счет вызываемых им искажений решетки, или за счет выделения субмикроскопических гидридов.

В связи с обсуждаемой проблемой большой интерес представляют данные о влиянии водорода на характер распространения трещин в (5-титановом сплаве ВТ15 [359]. Характер разрушения образцов из сплава ВТ15 в температурном интервале водородной хрупкости (—40)ч-(0°С) резко отличается от характера разруше­ ния образцов всех ранее исследованных сплавов в подоб­ ных условиях. На поверхности наводороженных образцов сплава ВТ15 наблюдаются надрывы (рис. 162), располо­ женные выше и ниже поверхности разрушения. Поверх­ ность разрушения наводороженных образцов имеет гру­ бозернистое строение, -характерное для межзеренного разрушения. Однако наряду с такими грубозернистыми участками имеются и участки с волокнистым характером разрушения. На ненаводороженных образцах подобных надрывов не наблюдалось во всем исследованном ин­ тервале температур.

В образцах сплава ВТ15 без водорода вблизи поверх­ ности разрушения не наблюдается дополнительных тре­ щин, в то время как в наводороженных образцах их до­ вольно много, причем размеры трещин часто ограничены пределами одного зерна. Это свидетельствует о том, что

шейки возникают микропоры, которые постепенно слива­ ются между собой, образуя трещину, перпендикулярную оси растяжения. Эта трещина сначала распространяется перпендикулярно оси образца, а затем происходит раз­ рушение по поверхности под углом 45° к действующей силе.

При комнатной температуре, когда водородная хруп­ кость в закаленном (3-сплаве ВТ15 не развивается, при всех исследованных концентрациях водорода (от 0,003 до 0,1%) трещины зарождаются или в стыке трех зерен (рис. 163,с,б), или вдоль границы между двумя зернами

механизму, затем распространяются по границам зерен (рис. 163, г) и разрушение носит межкристаллитный ха­ рактер. Тем не менее образцы разрушаются вязко с образованием ярко выраженной шейки. Какой-либо суще­ ственной разницы в характере зарождения и распростра­ нения трещины в закаленном сплаве ВТ15 с разным со­ держанием водорода при комнатной температуре заме­ чено не было.

ХРУПКОСТЬ, ОБУСЛОВЛЕННАЯ НАПРАВЛЕННОЙ ДИФФУЗИЕЙ ВОДОРОДА (ХРУПКОСТЬ СЕДЬМОГО ВИДА)

При испытаниях на длительную прочность при напря­ жениях, меньших предела текучести, перемещение водо­ рода к границам зерен осуществляется не за счет движе­ ния дислокаций вместе с атмосферами Коттрелла, как при обратимой водородной хрупкости шестого вида, а за счет восходящей диффузии. Несомненно, что этот вид диффу­ зии играет доминирующую роль в замедленном разру­ шении при статическом изгибе, а также при работе ре­ альных конструкций.

Выше были приведены результаты экспериментов, свидетельствующие о перемещении водорода в растяну­ тые области листов, подвергнутых статическому нагру­ жению по схеме трехточечного изгиба.

В другой серии экспериментов надрезанные круг­

358