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

ры испытания, по данным А. В. Малькова, представлена на рис. 218 (низкие температуры получали с помощью бензина и сухого льда). Приведенная зависимость не­ сколько отличается от аналогичной, полученной при ис­ пытаниях сплава ВТ15. Характерный провал пластично­ сти в интервале температур (—30) -f- (—50° С) обнаружен только для образцов с содержанием водорода 0,01 %. Для этой концентрации водорода, по-видимому, применимы все те рассуждения, которые приведены в работе [339]. Однако следующая концентрация водорода 0,05% не при­ вела к появлению провала пластичности; наоборот, по­ перечное сужение несколько возросло при понижении температуры испытания от +20 до —20° С и в дальней­ шем осталось практически постоянным вплоть до —70° С. Для образцов с содержанием водорода 0,1% пластич­ ность с понижением температуры от — 20 до —70° С плав­ но падает с 58 до 40%. Еще более резкое уменьшение пластичности в интервале температур от —10 до —40° С наблюдается для образцов с содержанием водорода 0,3%• Если при комнатной температуре поперечное су­ жение составило для этих образцов около 55%, то при —40° С оно упало практически до нуля.

При концентрациях водорода от 0,01 до 0,03% в спла­ ве (5-111, по-видимому, проявляется хрупкость, связанная с растворенным водородом (хрупкость шестого и седьмо­ го вида), так как выделений гидридной фазы нс было об­ наружено при электронномикроскопических исследова­ ниях. Дальнейшее увеличение содержания водорода до 0,05—0,1% не приводит к появлению хрупкости этих ви­ дов. Причина исчезновения пластичности сплава с уве­ личением содержания в нем водорода от 0,03 до 0,05% не ясна.

Н. Я. Гусельников, И. Д. Низкин изучили влияние во­ дорода на механические свойства р-титановых сплавов при испытаниях по схеме трехточечного изгиба на спе­ циально сконструированной и изготовленной ими уста­ новке, которая позволила не только деформировать образцы, но и непрерывно наблюдать за развитием пла­

нии (низкие температуры получали с помощью бензина и сухого льда).

Результаты испытаний образцов сплава ВТ15 на трех­ точечный изгиб при скорости перемещения нагружаю-

431

щего ножа 0,5 мм/мин приведены на рис. 219. Концент­ рация водорода, равная 0,03% (по массе), уже приводит к появлению провала пластичности. В интервале темпе-

и°с

Рис. 219. Влияние температуры испытаний на угол загиба закаленного сплава BTI5 с разным содержанием водорода, %:

/ — 0,002; 2 — 0,03; 3 — 0,05; 4 — 0,1

0,1% Н2 0,44 от его значения при комнатной температу­ ре. В интервале температур от —20 до —30° С происхо­ дит восстановление пластичности. Провал пластичности можно объяснить только действием введенного водорода, так как для вакуумированного образца падение пластич­ ности в указанном интервале температур незначительно. Провал пластичности при исследованной скорости дефор­ мации обнаружен в интервале температур от + 5 до —-20° С, т. е. он смещен в сторону более высоких темпе­ ратур по сравнению с температурами, приведенными в работе [339], в которой провал пластичности обнару­ жен в интервале (—20)-4-(—40° С ). Это, по-видимому,

4 3 2

связано прежде всего с разным видом деформации и раз­ ными скоростями испытаний.

Провал пластичности сплава ВТ15 в интервале тем­ ператур от + 5 до —20° С связан с развитием в нем обра­ тимой водородной хрупкости. Уменьшение пластичности наводороженных образцов при уменьшении температуры ниже —30° С обусловлено низкотемпературной хруп­ костью (хладноломкостью сплава), водород на этом эта­ пе выступает как катализатор хладноломкости. Если соб­ ственная хладноломкость (3-титанового сплава ВТ15 на­ чинает проявляться при температурах (—60)-г-(—80°С), то водород сдвигает эту температуру к более высоким значениям — порядка (—40) (—30° С ).

Наблюдения за кинетикой деформации и ее развитием в процессе нагружения показали, что на первых стадиях механизм деформации образцов с различным содержа­ нием водорода примерно одинаков и отличается толь­ ко интенсивностью его протекания. Сначала в отдельных, наиболее благоприятно ориентированных зернах появ­ ляются линии скольжения. С увеличением нагрузки чи­

приводящая к появлению характерного рельефа ти­ па «апельсиновой корки». Следующим этапом явля­ ется массовое образование микротрещин с последую­ щим их слиянием. Образование микротрещин и в те­ ле зерна, и на границе практически одинаково ве­ роятно.

ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА СКЛОННОСТЬ |3-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ К ВОДОРОДНОЙ х р у п к о с т и

При изучении водородной хрупкости титановых спла­ вов в интервале температур от 0 до —18° С часто поль­ зуются смесью льда (или снега) с поваренной солью. С соленой водой титановые сплавы могут также контак­ тировать при эксплуатации. Поэтому важно знать, мо­ жет ли вода влиять на склонность титановых сплавов к водородной хрупкости.

Влияние «соленой» воды на пластичность, определяе­ мую углом загиба 0 закаленного сплава ВТ15 при ис­ пытаниях на трехточечный изгиб при комнатной темпе-

ратуре, по данным Н. Я. Гусельникова и И. Д. Низкина, приведено на рис. 220. Испытания проводили при ско­ рости перемещения нагружающего ножа, равной 0,5 мм/мин. Приведенные данные показывают, что даже для вакуумированных образцов такая среда оказывает вредное влияние: пластичность снижается на 50%. Во­

шаяся на поверхности об­ разца трещина непрерывно распространяется и про­ растает на всю ширину образца. Наблюдается так­ же заметное ветвление трещины. Чем больше во­ дорода в образце, тем больше степень ветвления. Та­ кая картина микродзижения разрушающей трещины обусловлена сложившейся в структуре системой микро­ трещин, образовавшихся на начальных стадиях процес­ са деформации. Металлографический анализ (рис. 221) подтвердил наличие в структуре образцов с большим со­ держанием водорода сильно ветвящихся микротрещин. Ветвление трещин возможно даже в пределах одного зерна.

При разрушении образцов на воздухе кинетика ро­ ста трещин заметно отличается от рассмотренной выше. После образования на поверхности образца характерно­ го рельефа зародившаяся макротрещина растет с оста­ новками, в процессе которых происходит дальнейшая пластическая деформация в прилегающих зернах и со­ ответственно дальнейшее накопление упругой энергии в образце. Только в определенный, фиксированный мо-

434

мент эта «медленная» трещина переходит в лавинооб­ разную.

Даже при испытаниях в дистиллированной воде на­ блюдается дополнительное охрупчивание наводороженных образцов, связанное с «хрупким» образованием мик­ ротрещин, и их ветвление. Такое поведение образцов можно связать только с совместным действием меха­ нических напряжений и среды.

Гла ва 6

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СЛУЖЕБНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ К ТРЕЩИНЕ

Ряд исследований, выполненных на титане и его сплавах, показал, что водород облегчает зарождение и распространение трещин. В работе [2] описано влия­ ние водорода на склонность титана к распространению трещин. Способность металла к распространению тре­ щин увеличивается с уменьшением работы, затрачивае­ мой на разрушение образца или изделия после зарож­ дения трещины. Эту работу определяют графически из диаграммы в координатах нагрузка — стрела прогиба, полученной при испытании на статический изгиб надре­ занных образцов. Работа, необходимая для распростра­ нения трещины, количественно равна площади части диаграммы, записанной после образования трещины.

Полученные данные показали, что титан невысокой прочности (ав^ 4 5 кгс/мм2) с небольшим содержанием водорода [менее 0,01% (по массе)] по этой характери­ стике несколько уступает легированным сталям такой же прочности при температурах выше —20° С и превос­ ходит последние при низких температурах. Однако вве­ дение небольших количеств водорода существенно об­ легчает распространение трещин в титане.

В работе [173] было изучено влияние водорода на чувствительность к трещинам сплавов ОТ4 и ОТ4-1. Ли­ сты имели толщину 2,0 мм. Чтобы исключить влияние разброса химического состава сплавов на результаты исследования, выбрали плавки с минимальной разни­

436

цей в содержании компонентов. Все исследованные ли­ сты по химическому составу и механическим свойствам удовлетворяли ТУ. Образцы для испытаний вырезали из листа вдоль и поперек прокатки.

Чувствительность к трещинам определяли по величи­ не работы разрушения аут образцов с шестидесятигра­ дусным надрезом, заканчивающимся усталостной трещи­ ной, полученной на резонансном вибраторе. Надрез об­ разцов и нанесение уста­ лостной трещины произ­ водили до термической обработки. Затем часть образцов отжигали, и кон­ трольные отожженные и пеотожжеиные образцы подвергали спектрально­ му анализу на содержа­ ние водорода.

Работу разрушения определяли на копре. Ре­ зультаты исследований представлены на рис.222. Для поперечных образцов из сплавов ОТ4 и ОТ4-1 в состоянии поставки удель­ ная работа разрушения значительно больше, чем удельная работа разру­ шения для продольных образцов (следует иметь в виду, что в образце, вы­

резанном вдоль прокатки, усталостная трещина ориен­ тирована поперек прокатки, и наоборот). Для отожжен­ ного состояния наблюдается аналогичная картина с той разницей, что аут на 3—5% больше.

Водород резко снижает удельную работу разрушения образцов, вырезанных как поперек, так и вдоль прокат­ ки. При содержании водорода меньше 0,01% удельная работа разрушения образцов, вырезанных поперек про­ катки, больше, чем удельная работа разрушения образ­ цов, вырезанных вдоль прокатки. При больших содер­ жаниях водорода удельная работа разрушения попереч­ ных образцов становится меньше работы разрушения продольных образцов.

437

Приведенные данные показывают, что чувствитель­ ность к трещинам при ударных испытаниях и анизотро­ пия удельной работы разрушения для сплава ОТ4 мень­ ше, чем для сплава ОТ4-1, особенно при малых содер­ жаниях водорода. Так, например, при 0,005% Н2 удельная работа разрушения образцов, вырезанных вдоль направления прокатки, составляет 8,0 кгс-м/см2 для сплава ОТ4 и 5,43 кгс-м/см2 для сплава ОТ4-1.

Полученные значения удельной работы разрушения вдоль и поперек прокатки при концентрациях водорода, меньших максимальных по техническим условиям, в зна­ чительной степени отличаются от существующих норм и поэтому следует различать нормы работы разруше­ ния вдоль и поперек прокатки для листового материала указанных сплавов.

ЗАМЕДЛЕННОЕ РАЗРУШЕНИЕ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ ВОДОРОДОМ

Как было отмечено выше, примеси внедрения, осо­ бенно водород, резко усиливают развитие замедленного разрушения в титановых сплавах. Замедленное разру­ шение титановых сплавов, обусловленное водородом, имеет ряд особенностей по сравнению с разрушением, вызванным другими причинами. Эти особенности сво­ дятся к следующим.

Во-первых, при замедленном разрушении, обуслов­ ленном водородом, имеется четко выраженный инкуба­ ционный период, в течение которого не происходит сни­ жения разрушающих напряжений во времени. Кривые замедленного разрушения в полулогарифмических коор­ динатах состоят из трех участков: первого, когда разру­ шающие напряжения мало зависят от времени действия нагрузки; второго, когда разрушающие напряжения рез­ ко снижаются с увеличением времени их действия, и третьего, на котором развитие замедленного разруше­ ния затрудняется и напряжения стремятся к некоторым пороговым значениям, ниже которых разрушение не происходит даже при весьма большой длительности на­ гружения.

Во-вторых, замедленное разрушение проявляется лишь при содержаниях водорода свыше некоторого кри­ тического значения. Отсюда следует, что чувствитель­ ность сплавов к водородной хрупкости при замедленном

438