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

кость сплава ВТ5 с прочностью 110 кгс/мм2 начинает сильно снижаться при концентрациях водорода более 0,012%, а ударная вязкость того же сплава с прочностью 85 кгс/мм2 сильно снижается при концентрациях водо­ рода более 0,03%. Необходимо подчеркнуть, что в ис­ следованных плавках содержание алюминия было прак­ тически неизменным. Высокая прочность исследованных плавок обусловлена не повышенным содержанием алю­ миния, а большим содержанием примесей внедрения.

Из этих данных следует важное заключение. Обычно полагают, что повышение прочности усиливает склон­ ность сплавов к водородной хрупкости. Приведенные данные показывают, что это не всегда справедливо. Ха­ рактер влияния прочности зависит от того, каким обра­ зом достигается упрочнение. В а-титановых сплавах уве­ личение прочности, обусловленное повышенным содер­ жанием кислорода, приводит к усилению их склонности к водородной хрупкости. Увеличение прочности сплавов, обусловленное повышением содержания алюминия, со­ провождается уменьшением их склонности к водородной хрупкости.

Влияние водорода на структуру и свойства отечест­ венных а-титановых сплавов при испытаниях на растя­ жение было исследовано в работах [368, 373]. Исследо­ вания проводили на кованом материале. Водород вводи­ ли после вакуумного отжига. Механические испытания на растяжение были выполнены со скоростями порядка 2,7-10“3с-1. На рис. 181 приведено влияние водорода на механические свойства сплавов ВТ5 и ВТ5-1. Прочност­ ные свойства сплава ВТ5 (рис. 181, а) при содержании водорода до 0,075% (по массе) несколько повышаются, но при содержании водорода выше этого значения резко падают. При 0,07% (по массе) Н2 сплав ВТ5 имеет пре­ дел прочности 120 кгс/мм2, а при 0,12% (по массе) 'Н2 предел прочности равен 54 кгс/мм2. Удлинение и попе­ речное сужение сплава ВТ5 резко уменьшаются при вве­ дении водорода. Изменение свойств сплава ВТ5-1 при введении водорода происходит аналогично изменению свойств сплава ВТ5.

Водородная хрупкость типичных «-титановых спла­ вов в отожженном состоянии возрастает с повышением скорости перемещения траверс разрывной машины. Особенно резко водородная хрупкость а-сплавов и тита­ на обнаруживается при испытании надрезанных образ-

3 8 2

'-U-.

8

GO

Цов при больших скоростях перемещения траверс раз­ рывной машины и испытании на удар.

Влияние водорода на механические свойства «-тита­ нового сплава ВТ5-1 при разных скоростях растяжения приведено на рис. 181,6. При всех исследованных скоро­ стях растяжения пределы прочности и текучести сплава ВТ5-1 несколько повышаются при малых содержаниях водорода, а затем падают. Однако по прочностным свой­ ствам, полученным в результате механических испыта­ ний на гладких образцах при комнатной температуре, нельзя судить о склонности сплава к водородной хруп­ кости. В значительно большей степени изменяются в за­ висимости от содержания водорода пластические свой­ ства титана и его сплавов, особенно поперечное сужение. Поперечное сужение и удлинение обнаруживают макси­ мум при 0,015% (по массе) Н2, а затем резко уменьша­ ются, причем пластичность сильнее снижается при боль­ шой скорости растяжения. Ударная вязкость сплава снижается при содержаниях водорода более 0,030% (по массе).

Детальное исследование водородной хрупкости зару­ бежного сплава титана с 5% А1 и 2,5% Sn было проведе­ но в работе Хайнеса [374]. Обнаруженные им законо­ мерности совпадают с описанными выше для отечест­ венного сплава ВТ5-1. Хрупкое разрушение сплава Ti— 5А1—2,5 Sn при испытаниях на растяжение наблюдает­ ся при 0,05% (по массе) Н2, а при испытании на удар — при 0,035% (по массе) Н2. Как и для сплава ВТ5-1, уд­ линение и поперечное сужение сплава Ti—5А1—2,5 Sn имеют максимум при 0,02—0,03% (по массе) Н2.

В а-титановых сплавах водородная хрупкость может развиваться не только при больших, но и при малых ско­ ростях перемещения траверс разрывной машины. Как было показано выше (см. стр. 318), водородная хруп­ кость при малых скоростях испытания наиболее интен­ сивно развивается в закаленных се-сплавах. Избыточные выделения гидридов, имеющие, как правило, пластинча­ тую форму, являются причиной водородной хрупкости а-сплавов при больших скоростях перемещения траверс разрывной машины, а пересыщенные относительно водо­ рода твердые растворы распадаются под длительным действием приложенных напряжений, также приводя к хрупкости материала.

Не исключена возможность, что в а-сплавах могут

384

развиваться процессы, приводящие к водородной хруп* кости и без образования выделений гидридной фазы, аналогичные тем, которые имеют место в насыщенных водородом а+р-титановых сплавах, сталях и других ма­ териалах, склонных к водородной хрупкости при малых скоростях растяжения.

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ПСЕВДО-а-СПЛАВОВ

Наиболее детально изучено влияние водорода на структуру и свойства псевдо-а-сплавов системы Ti—

А1—Мп (ОТ4-1, ОТ4).

Исследование влияния водорода на ударную вяз­ кость сплава ОТ4 было проведено на промышленных ко­

сплава ОТ4 исследо­

ванной плавки была представлена a -матрицей и неболь­ шим количеством (3-фазы. При введении водорода коли­ чество |3-фазы увеличивается из-за ^-стабилизирующего

действия водорода.

Зависимость ударной вязкости от среднего содержа­ ния водорода в образце приведена на рис. 182 (кривая 2). До концентрации водорода, равной 0,008% (по мас­ се), ударная вязкость сохраняется высокой—порядка 6,5 кгс-м/см2. Дальнейшее увеличение содержания во­ дорода до 0,03% (по массе) приводит к резкому паде­ нию ударной вязкости до 2 кгс-м/см2. Кривая 1 на рис. 182 иллюстрирует изменение остаточного угла про­ гиба, характеризующего изменение пластических свойств материала, в зависимости от содержания водорода.

д л я о б р а з ц а с с о д е р ж а н и е м в о д о р о д а 0 ,0 3 % ( н о м а с с е ) . Н а рис. 183 п р и в е д е н о в л и я н и е в о д о р о д а н а м ех ан и -

Рис. 183. Влияние водорода на механические свойства сплавов ОТ4 (а)

и ОТ4-1 (б)

ческие свойства сплава ОТ4 при проведении испытаний со скоростью 4 мм/мин на образцах, полученных из прес­ сованного прутка диаметром 15 мм. Прочностные свойст­

a -фазы, по границам которых залегает вторая фаза, яв­ ляющаяся, по данным рентгеноструктурного анализа, [5-твердым раствором. При исследовании под микроско­ пом она имеет светлую окраску и четко выраженные границы, хорошо выявляемые также и в темном поле. При введении водорода по границам между указанными фазами появляются темнотравящиеся гидридные выде­ ления, количество которых возрастает по мере увеличе­ ния содержания водорода.

Введение 0,008% (по массе) Н2 в этот сплав приво­ дит к снижению ударной вязкости вдвое, а введение 0,012% (по массе) Н2 снижает ударную вязкость в шесть раз. Излом образцов сплава ОТ4-1, подвергнутых вакуумному отжигу, проходит преимущественно по телу зерна, вызывая при этом значительную пластическую деформацию металла. В образцах сплава ОТ4-1 с высо­ ким содержанием водорода (0,1%) излом проходит пре­ имущественно по границам бывшего зерна (3-фазы. Пла­ стической деформации пластинок а- и [5-фаз при этом не наблюдается.

В последних работах даже при содержании водоро­ да, равном 0,1% (по массе), не было обнаружено явных

исходило увеличение доли |3-фазы из-за (5-стабнлизиру- юшего действия водорода. Подобное расхождение в экс­ периментальных данных, по-видимому, связано с тем, что плавки последних лет содержат больше алюминия и

марганца и меньше примесей внедрения, чем первые ис­ следованные сплавы.

В последнее время детальное исследование влияния водорода на структуру и свойства сплава ОТ4-1 было проведено в работе [375]. После ковки по принятым в промышленности режимам заготовки подвергали ваку­ умному отжигу при 800° С и затем вводили заданное ко­ личество водорода по описанной выше методике. Изме­ нение механических свойств сплава ОТ4-1 в зависимости от содержания водорода приведено на рис. 183,6. Проч­ ностные характеристики сплава в довольно широком ин­ тервале концентраций несколько повышаются при уве­ личении содержания водорода; предел прочности сплава ОТ4-1 после вакуумного отжига равен 70,5 кгс/мм2, а после введения 0,10% (по массе) Н2 74,3 кгс/мм2. Попе­ речное сужение сплава остается практически постоян­ ным при содержании в нем водорода до 0,03% (по мас­ се), а затем уменьшается. Удлинение сравнительно мало зависит от содержания водорода, обнаруживая слабую тенденцию к понижению. Ударная вязкость практически не изменяется при содержании в сплаве до 0,005% Н2, а затем резко падает до чрезвычайно низких значений от 8,5 кгс-м/см2 для отожженного сплава до 0,5 кгс-м/см2 для сплава, содержащего 0,025% (по массе) Н2 (рис. 179).

Поскольку гидриды в сплавах ОТ4 и ОТ4-1 не были обнаружены даже при содержании в нем 0,1% (по мас­ се) Н2, а снижение пластических свойств происходит уже при содержании водорода 0,01—0,03%, то следует полагать, что в исследованных сплавах развивается не гидридная хрупкость, а хладноломкость, обусловлен­ ная растворенным водородом.

Ударная вязкость сплава ВТ20 изменяется с увели­ чением в нем содержания водорода менее сильно, чем для остальных исследованных нами сплавов (рис. 179), и остается на уровне значений для вакуумированного ме­ талла до необычно высоких для а-сплавов концентраций

ноструктурный анализы сплава ВТ20 показали, что вве­ дение в него водорода действительно приводит не к вы­ делению гидридов, а к образованию p-фазы. Подобный эффект был обнаружен нами для сплава ВТ4 [6].

388