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

Поправку на пластичность у вершины трещины учи­ тывали путем увеличения длины трещины на некоторую величину гу:

I= Г + г ,

сс ' у *

где 1С— расчетная критическая длина трещины; Гс— критическая длина трещины, полученная опыт­

ным путем; гу— размер зоны пластической деформации перед

трещиной.

Поправку на пластическую зону у вершины трещины вычисляли по формуле

г

где К — коэффициент интенсивности напряжений в пер­ вый момент нагружения;

°о 2 — предел текучести материала.

На рис. 238 приведена зависимость критической дли­ ны трещины для сплавов ОТ4 и ОТ4-1 от содержания водорода в образцах, полученная из анализа диаграмм разрушения, записанных по методу электросопротивле­ ния. Критическая длина трещины /с определялась при помощи специально построенного градуировочного графика в координатах электросопротивление k.R— дли­ на трещины I. Для исследованных сплавов критическая длина трещины несколько уменьшается с увеличением содержания водорода, причем для сплава ОТ4 крити­ ческая длина трещины на 1—-1,5 мм больше, чем для сплава ОТ4-1 при тех же концентрациях водорода.

На ряде изломов образцов наблюдалась достаточно четкая граница между зоной замедленного распростра­

471

хорошо выявляются три характерные зоны: первая со­ ответствует усталостной трещине и имеет гладкую ма­ товую поверхность, вторая зона — это участок медлен­ ного движения трещины и третья зона (зона долома) соответствует быстрому движению трещины. Зона мед-

Содержание Нг , %

Рис. 238. Зависимость критической длины трещины от со­

держания водорода в образце для сплавов OT4 (/) и OT4-1 (2)

Рис. 239. Зависимость критического коэффициента интенсивности напряжений Кс от времени работы под нагрузкой для образцов сплавов OT4 (а) и OT4-1 (б)

с различным содержанием водорода, %:

/ — 0,015; 2 — 0,008; 3 — 0,03; 4 — 0,006; 5 - 0,02

ленного движения трещины отделена от зоны долома кривой параболической формы, подобной приведенной на рис. 108.

Полученные данные позволили вычислить критичес­ кий коэффициент интенсивности напряжений в зависи­ мости от содержания водорода в металле, так как были известны форма образцов, напряженное состояние, схе­ ма нагружения, критическая длина трещины в момент разрушения и сами разрушающие напряжения.

На рис. 239 приведены зависимости критического ко­ эффициента интенсивности напряжений (Кс) от време­ ни работы образцов сплавов ОТ4 и ОТ4-1 под нагруз­

472

кой. Как и следовало ожидать, данный критерий при любом содержании водорода в сплавах не является кон­ стантой материала и с увеличением времени пребыва­ ния под загрузкой уменьшается. Так, для сплава ОТ4 с содержанием 0,015% водорода величина Кс от значе-

Рис. 240. Влияние водорода на вязкость разрушения сплавов ОТ4 (а) и ОТ4-1 (б) при базе испытаний 100 (/) и 1000 (2) ч

ний 450 кгс/мм3/2 при базе испытаний 100 ч уменьшилась

до 300 кгс/мм3/2 при базе около 500 ч. Аналогичная кар­ тина наблюдается и для сплава ОТ4-1.

Кроме временного фактора, на критический коэффи­ циент интенсивности напряжений оказывает влияние и содержание водорода. Это происходит, по-видимому, за счет транспортировки водорода под действием напря­ жений в объемы металла непосредственно перед фрон­ том трещины, что приводит к дополнительному охруп­ чиванию материала. На рис. 240 приведено изменение вязкости разрушения для сплавов ОТ4 и ОТ4-1 в зави­ симости от содержания водорода при базе испытаний 100 и 1000 ч. Вязкость разрушения сплава ОТ4 с увели­ чением содержания водорода до 0,01% растет. При кон­ центрации 0,01% водорода абсолютная величина коэф­ фициента интенсивности напряжений составляет

440 кгс/мм /г для базы 100 ч и около 350 кгс/мм /г для базы 1000 ч. Дальнейшее увеличение концентрации во­ дорода приводит к снижению величины коэффициента интенсивности напряжений. Для сплава ОТ4-1 при уве­ личении концентрации водорода от 0,004 до 0,02% ве­ личина коэффициента интенсивности напряжений умень­

шается от 220—260 до 160—200 кгс/мм/г.

Полученные результаты о зависимости вязкости раз­ рушения от содержания водорода в сплаве указывают

473

на перспективность применения механики разрушения для решения вопросов, связанных с водородной хруп­ костью титановых сплавов.

Изменение вязкости разрушения отражается и па структуре изломов разрушенных образцов с разным со­ держанием водорода, так как сам излом является сле­ дом развития разрушающей трещины и поэтому отража­ ет локальные особенности и кинетику разрушения. Из­ ломы образцов, содержащих до 0,012% Н2, как правило, вязкие, волокнистые с сильно развитой поверхностью. Разрушению в этом случае предшествовала довольно сильная пластическая деформация, которая проявлялась в утяжке кромок образца. Появление их объясняется тем, что пластическая деформация в центральных слоях образца стеснена влиянием соседних зон. При удалении от центра к поверхности это влияние ослабевает, пла­ стическая зона увеличивается и напряженное состояние релаксирует до одноосного. В итоге у поверхности об­ разца работа внешних сил тратится не на развитие тре­ щин, а на пластическую деформацию. Следы этой де­ формации в виде утяжек кромок, как правило, хорошо видны на поверхности образца. При содержании водоро­ да в образцах, равном 0,02—0,03%, утяжины исчезают, а излом становится хрупким, кристаллическим, поверх­ ность его гладкая, ровная и перпендикулярна действию нормальных напряжений. Такой излом Сроули и Браун [260] называют прямым.

Электронофрактографический анализ, проведенный А. В. Мальковым, показал существенные различия в строении микрорельефа для образцов с разным содер­ жанием водорода. Вязкие изломы имеют «чашечное» строение с элементами «квазиотрыва» и отвечают мало­ му содержанию водорода, хрупкие представляют собой чередование участков «квазиотрыва» и межзеренного разрушения.

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА ТЕРМИЧЕСКУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ а+р-ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

В первых работах, посвященных исследованию во­ дородной хрупкости а+р-титановых сплавов, было об­ наружено, что вредное влияние водорода сильно прояв­ ляется при испытаниях на термическую стабильность. Барт [335] обнаружил, что водород вызывает охрупчи­

474

вание сплавов при испытании образцов с большой ско­ ростью растяжения при комнатной температуре после выдержек под нагрузкой при повышенных температурах. Поскольку при больших скоростях растяжения охрупчи­ вание а + Р - с п л а в о в в процессе испытания не происходит, то понижение пластичности было приписано влиянию предшествующей выдержки при повышенных температу­ рах под напряжением. В последующих работах было установлено, что это охрупчивание связано с понижени­ ем термической стабильности а+р-сплавов в присутст­ вии водорода.

В работе [406] было исследовано влияние водорода на термическую стабильность а+р-татанового сплава

Ti—140 А. Термическая стабильность определялась ими путем испытания образцов на разрыв при комнатной температуре после выдержки при повышенных темпе­ ратурах под напряжением или без него. Образцы спла­ ва Ti—140 А, содержащие водород, после выдержки при температурах 315—425° С обладают пониженной пла­ стичностью, причем охрупчивание проявляется тем бо­ лее резко, чем выше температура обработки (в исследо­ ванных пределах). Приложение напряжений еще более увеличивает охрупчивание. Этими же авторами было обнаружено, что вакуумный отжиг резко повышает тер­

дых растворов. По мнению авторов работы [406], не исключена возможность, что уменьшение термической стабильности а+р-титановых сплавов с увеличением со­ держания водорода обусловлено выделением гидрида. Следует отметить, что микроструктура сплава Ti—140 А, содержащего 0,036% Н2 и выдержанного при 425° С

втечение 200 ч, представлена белыми частицами а-фазы

вслегка серой p-матрице и третьей темно-серой фазой, природа которой авторами не была определена. Анало­ гичной третьей фазы не было обнаружено в отожжен­ ных в вакууме образцах.

Вболее поздней работе [379] не было обнаружено существенного влияния водорода на термическую ста­ бильность сплава Ti—2А1—2Мп. При длительных вы­ держках в интервале температур 300—350°С сплав охрупчивается в одинаковой степени независимо от со­ держания в нем водорода. Приложение напряжений

4 7 5

усиливает охрупчивание сплавов с водородом и без не­ го также в одинаковой степени.

В ряде работ [6, 8, 343, 344, 407] было обнаружено, что водород уменьшает термическую стабильность оте­ чественных сплавов ВТЗ и ВТЗ-1. В работе [407] сооб­ щается, что если сплав ВТЗ отжечь в течение несколь­ ких десятков часов при температуре 450—500° С, то про­ исходит резкое падение ударной вязкости. Этот эффект еще более усиливается, если в сплаве имеется водород. В то время как после отжига при 450° С хорошо дегази­ рованного путем вакуумного отжига сплава ВТЗ удар­ ная вязкость падает с 8 до 2,5 кгс-м/см2, ударная вяз­

ВТЗ-1, в который преднамеренно не был введен водо­ род, приводит к некоторому повышению прочностных свойств и небольшому понижению поперечного суже­

с 0,05% Н2, для которого после аналогичного отжига на­ блюдается резкое падение пластичности. Пластические свойства сплава ВТЗ-1 с 0,05% Н2 уменьшаются с по­ вышением температуры отжига более резко, чем свой­ ства сплава ВТЗ-1 без водорода. После отжига при тем­ пературах ниже 500° С поперечное сужение при быстром растяжении больше, чем при медленном. После отжига при температуре 550° С поперечное сужение сплава ВТЗ-1 с 0,05% Н2 при большой деформации, наоборот, мень­ ше, чем при малой.

Влияние водорода на механические свойства сплава ВТЗ-1 после отжига при температуре 450° С в течение 100 ч при проведении испытаний с разными скоростями растяжения показано на рис. 242. Водород до 0,030% не влияет существенно на поперечное сужение, относи­ тельное удлинение и ударную вязкость сплава ВТЗ-1, при большем содержании водорода происходит падение как поперечного сужения, так и относительного удлине­ ния. Из приведенных экспериментальных данных следу­ ет, что водород уменьшает термическую стабильность сплава ВТЗ-1 и поэтому сплавы, содержащие водород,

47G