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

жаниях водорода его концентрация превышает предел растворимости в а- и p-фазах. Водород легче образует гидриды с a-фазой, чем с p-фазой. Поэтому гидриды в а+р-сплавах возникают на границе раздела а- и р-фаз. Гидриды обладают плохим сцеплением с металлом, име­ ют больший удельный объем, чем металл, и поэтому на границе раздела металл — гидрид легко раскрываются трещины.

Замедленное разрушение титановых сплавов прояв­ ляется в определенном температурном интервале [347].

Так, например, водород снижает длительную прочность закаленного и состаренного сплава Ti—4А1—4Мп лишь при температурах испытания от 149 до —79° С (рис. 225). При слишком высоких температурах водород не оказы­ вает вредного влияния на статическую усталость. При комнатной температуре разрушение происходит при меньших приложенных напряжениях, чем это происхо­ дит при более высоких или более низких температурах. При заданном уровне внешних напряжений время до> разрушения уменьшается с понижением температуры от 171°С до комнатной, но при более низких температурах оно вновь повышается. Эти данные, представленные в ко­ ординатах логарифм времени — обратная абсолютная температура (рис. 226), показывают, что при темпера­

445

турах ниже комнатной энергия активации процесса раз­ рушения по абсолютной величине близка к энергии акти­ вации при диффузии водорода в (3-титане. Это свидетель­ ствует о том, что замедленное разрушение в рассматри­ ваемом интервале температур определяется диффузией водорода, и увеличение времени до разрушения обуслов­ лено уменьшением подвижности атомов водорода с пони­ жением температуры.

Такой же вывод следует из данных по распределению водорода в образце после испытаний на замедленное разрушение. При спектральном анализе М. X. Шоршоров [361], а также О. П. Назимов [362] обнаружили, что содержание водорода вблизи поверхности разруше­ ния превышает среднюю его концентрацию в три-четыре раза. На рис. 164 было приведено распределение водо­ рода в различных сечениях Трояновских образцов спла­ ва ВТ5Л с 0,01% Н2, простоявших под напряжением 60 кгс/мм2 300 суток. Содержание водорода в устье над­ реза примерно в три раза превышает среднюю концент­ рацию водорода в образце.

На основании описанных выше результатов зарожде­ ние и развитие трещин при замедленном разрушении сплавов можно представить следующим образом. В на­ груженном образце с надрезом происходит перемещение водорода в зоны трехосного растяжения. Когда концент­ рация водорода в зоне трехосного растяжения превысит критическую, зарождается трещина. Далее в поле на­ пряжений происходит непрерывная транспортировка атомов водорода к устью трещины, что облегчает ее раз­ витие. Зародившись в объеме образца, трещина затем выходит на поверхность. Живое сечение образца посте­ пенно уменьшается и, наконец, происходит катастрофиче­ ское развитие трещины и разрушение образца. Переме­ щение водорода в эту зону при небольших напряжениях может происходить путем восходящей диффузии, а при больших напряжениях — за счет транспортировки водо­ рода перемещающимися в поле напряжений дислокация­ ми. При высоком уровне действующих напряжений раз­ витие замедленного разрушения, обусловленного водо­ родом, сходно с механизмом водородной обратимой хрупкости шестого вида.

Вильямс [333] на примере сплава Ti-—4А1—4Мп по­ казал, что замедленное разрушение а+р-титановых сплавов, носит хрупкий характер в очень узком интерва­

4 4 6

ле приложенных напряжений. При напряжениях поряд­ ка 112—116 кгс/мм2 разрушение происходит быстро и пластично. При напряжениях, меньших 108 кгс/мм2, образцы разрушаются лишь после длительного действия напряжений (более 100 ч), но также пластично. Лишь в очень узком интервале напряжений 112—108 кгс/мм2, когда разрушение происходит спустя 2—50 ч после при­ ложения нагрузки, наблюдается хрупкость.

На основе дислокационной гипотезы механизма обра­ тимой водородной хрупкости описанные выше результа­ ты можно объяснить следующим образом. При больших

атмосфер и водородной хрупкости не наблюдается. При снижении напряжений скорость движения дислокаций уменьшается и они начинают увлекать за собой водо­ родные атмосферы. Транспортировка атомов водорода дислокациями к препятствиям, где зарождаются трещи­ ны, облегчает раскрытие трещин.

При еще меньших напряжениях скорость движения дислокаций становится настолько малой, что термиче­ ская диффузия, стремящаяся распределить атомы рав­ номерно, преобладает над накоплением водорода в голо­ ве скопления дислокации из-за транспортировки атомов водорода. По той же причине не успевают образоваться достаточно мощные сегрегации водорода в голове расту­ щей трещины. В итоге металл деформируется и разру­ шается вязко. Возможно, что при еще больших длитель­

направленная диффузия водорода в поле напряжений. С этих же позиций можно объяснить и проявление замедленного разрушения в определенном интервале температур. При слишком низких температурах подвиж­ ность атомов водорода слишком мала, чтобы они следо­

447

пия дислокации при замедленном разрушении и подвиж­ ность атомов водорода сопоставимы, так что происходит транспортировка атомов водорода дислокациями, на­ копление водорода в областях зарождения трещин и в устье растущей трещины, в результате чего облегчается разрушение. Развитие замедленного разрушения в опре­

деленном интервале темпе­ ратур можно объяснить и на основе гипотезы, предложен­ ной М. X. Шоршоровым (см.

с. 181).

Выше рассмотренные слу­ чаи преждевременного раз­ рушения наводороженных образцов при статическом действии нагрузки относи­ лись к таким сплавам и та­ ким концентрациям водоро­ да, когда в металле не обра­ зуется выделений гидридной фазы. В действительности водород приводит к сниже­ нию разрушающих напря­ жений и при наличии гид-

ридных выделений в структуре материала и тем более при их выделении из пересыщенных относительно водо­ рода растворов под действием приложенной нагрузки.

На рис. 227 приведены кривые, характеризующие влияние величины нагрузки на время до полного разру­ шения надрезанных образцов титана с разным содержа­ нием водорода при статическом изгибе. Эти данные по­ казывают, что водород усиливает падение напряжений разрушения в зависимости от времени нагружения.

В работе [214] указывается, что водород должен сильно снижать время до разрушения при статическом нагружении закаленных или быстро охлажденных об­ разцов титана. В этом случае развитию трещин, обус­ ловленному коагуляцией вакансий у границ зерен, долж­ но способствовать выделение гидридов. В связи с тем, что гидридное превращение в титане имеет большой объемный эффект (в три раза больший, чем для мартен­ ситного превращения в стали), то даже при небольшом количестве гидридных выделений водород существенно снижает разрушающие напряжения.

448

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СКЛОННОСТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ К ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ

Из опробованных Ю. В. Горшковым различных схем статических испытаний (растяжение надрезанных образ­ цов свободно висящим грузом, статический консольный изгиб образцов с предварительно нанесенной усталост­ ной трещиной, двухосное растяжение по схеме Е. А. Бо­ рисовой, растяжение надрезанных образцов ио схеме Трояно) для пруткового материала и других массивных полуфабрикатов наиболее чувствительным методом оценки склонности к замедленному хрупкому разруше­ нию оказались испытания по схеме Трояно [219],в кото­ рой надрезанные круглые образцы нагружаются посто­ янной нагрузкой за счет упругой деформации предвари­ тельно сжатого кольца. Следует также отметить, что приспособления Трояно компактны, просты в изготовле­ нии и надежны в работе. Поэтому оценка склонности титановых сплавов к замедленному разрушению была проведена по схеме Трояно.

Однако для титановых сплавов испытания по указан­ ной схеме оказались менее чувствительными, чем для сталей. Для сталей, в применении к которым Трояно и разработал свой метод, достаточно 1 —10 ч испытаний, чтобы определить те пороговые напряжения, при кото­ рых водород не оказывает вредного влияния при даль­ нейшем увеличении длительности испытаний. Для тита­ новых сплавов пороговые напряжения достигаются при­ мерно через 500—1000 ч, что существенно затрудняет оценку склонности титановых сплавов к водородной хрупкости.

Ю. В. Горшковым была оценена склонность к замед­ ленному хрупкому разрушению промышленных титано­ вых сплавов всех основных типов: а-сплавы (ВТ5Л); псевдо-а-сплавы (ОТ4, ОТ4-1, ВТ20); а+р-сплавы (ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ16, ВТ22) и р-сплавы (ВТ15 и р-Ш ). Испытания были проведены на круглых образцах диа­ метром 6,35 мм с 60° надрезом глубиной 0,9 мм на моди­ фицированном приспособлении Трояно, описанном в ра­

боте [375].

На рис. 228, б, в приведена зависимость разрушаю­ щих напряжений от времени до разрушения образцов сплавов ОТ4 и ОТ4-1 с разным содержанием водорода [375, 392]. При малых содержаниях водорода напряже-