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

яио при базе 500 сут. начинает развиваться уже при 0,005% Н2 и при 0,008% Н2 безопасные напряжения со­ ставляют 40 вместо 100 кгс/мм2 для вакуумированного металла, т. е. происходит снижение разрушающих на­ пряжений до уровня 0,4 от прочности надрезанных об­ разцов. Таким образом, замедленное хрупкое разрушение в сплаве ОТ4-1 опаснее ухудшения малоцикло'вой проч­ ности при вакуумном отжиге.

Е. Л. Борисова с сотрудниками [419] изучила влия­ ние вакуумного отжига на структуру и свойства листов толщиной 2 мм из сплавов ВТ6С и ВТ20. Проведенные исследования показали, что отжиг в вакууме увеличива­ ет глубину микронеровностей поверхности сварного шва. Если в исходном состоянии глубина этих неровностей составляла 0,022 мкм, то после вакуумного отжига при 800° С она возросла в двадцать раз в пределах одного зерна и в семьдесят раз по границам зерен. При метал­ лографическом исследовании первые признаки вакуумно­ го растравливания были обнаружены для сплава ВТ6С после отжига при 650° С в течение 2 ч, а для сплава ВТ20 —после отжига при 750—800° С.

В этой же работе было обнаружено, что вакуумный отжиг сплавов ВТ6С и ВТ20 при 650—800° С мало вли­ яет на стандартные механические свойства гладких об­ разцов, но несколько ухудшает длительную прочность надрезанных образцов за 500 ч при комнатной темпера­ туре (на 6—10 кгс/мм2), циклическую прочность (на 10—15%), малоцикловую усталость. Конструктивная прочность при испытаниях пластин сплава ВТ6С в усло­ виях плоского напряженного состояния при вакуумном отжиге не ухудшается.

Авторы работы [419] связывают ухудшение служеб­ ных характеристик сплавов ВТ6С и ВТ20 при вакуумном отжиге с вакуумным растравливанием. Однако оно было очень невелико: микронеровности достигали 0,44 — 1,54 мкм. На поверхности листов при технологических операциях (зачистке, пескоструйной обработке и т. д.) создаются большие неровности, но они не оказывают вредного влияния на служебные характеристики. По-ви­ димому, причины вредного влияния вакуумного отжига на служебные свойства сплавов ВТ6С и ВТ20 более сложны, чем предполагается в работе [419].

В одной из наших работ [6] было обнаружено су­ щественное снижение ударной вязкости титановых об-

511

разцов, отожженных в вакууме при 900—1000° С, в про­ цессе их вылеживания при комнатной температуре. Этот эффект мы объяснили тем, что поверхность вакуумированного металла очень активна и взаимодействует с па­ рами воды даже при комнатной температуре. Это взаи­ модействие носит локальный характер и сказывается на свойствах лишь при наличии острого надреза. Механи­ ческая обработка поверхности или окисление ее при 300—400° С устраняет этот эффект. Американские иссле­ дователи [417] не столкнулись с указанным явлением

идовольно широко применяют вакуумный отжиг титана

иего сплавов, правда, с низкотемпературным их окисле­

нием после отжига. В наших последующих эксперимен­ тах также было обнаружено, что после вакуумного от­ жига при неслишком высоких температурах (700— 800° С) при последующем вылеживании не происходит резкого снижения пластичности даже довольно тонких листов.

Таким образом, мы полагаем, что если при техноло­ гических операциях содержание водорода превышает до­ пустимые пределы, то единственным рациональным в на­ стоящее время способом борьбы с водородной хрупко­ стью является удаление водорода из готовых элементов конструкции путем их вакуумного отжига с последую­ щим окислением поверхности листов путем напуска воз­ духа в систему при 300—400° С для предотвращения наводороживания при эксплуатации.

ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ,

МАЛО СКЛОННЫХ К ВОДОРОДНОЙ х р у п к о с т и

Вакуумный отжиг применяют в том случае, когда со­ держание водорода превышает максимально допустимое значение. Следует, однако, отметить, что он не является наиболее целесообразным методом борьбы с водородной хрупкостью прежде всего потому, что вакуумный отжиг—• дорогостоящая операция, требующая применения слож­ нейшего оборудования и отнимающая значительное время.

Более рациональным является сознательный выбор сплава, не склонного к водородной хрупкости в данных ус­ ловиях эксплуатации [420]. Принципы выбора химичес­ кого состава титановых.сплавов, малосклонных к водород­

512

менее склонны к водородной хрупкости 1 рода. С увеличе­ нием количества (3-фазы в сплаве (с увеличением содер-

Рис. 259. Влияние водорода на ударную вязкость сплава Ti—ЗА1 с разным содержанием ванадия, %:

1 — 0; 2 — 0,75; 3 — 1,5; 4 — 3; 5 — 6; 6 — 9

жания ванадия) склонность типичных a + p -сплавов к водородной хрупкости уменьшается.

Зависимость ударной вязкости сплавов системы Ti— А1—Мп от концентрации водорода приведена на рис. 260. Наиболее склонны к водородной хрупкости первого рода сплавы Ti—ЗА1—0,28Мп и Ti—ЗА1—0,56Мп. Так, в пер­ вом сплаве хрупкость развивается при содержании водо­ рода примерно 0,007%, а во втором — при 0,004%- Ти­ пичные а+р-сплавы менее склонны к водородной хруп­ кости. Склонность их к хрупкому разрушению уменьша­ ется с увеличением количества [3-фазы. Так, например, сплав Ti—ЗА1—2,25Мп охрупчивается при содержании

5 1 4

водорода 0,01%, сплав Ti—ЗА1—3,35Mn —при 0,028%, а сплав Ti—ЗА1—4,5Мп — при 0,075% Н2..

Высокую склонность к водородной хрупкости сплавов с небольшим количеством p-фазы можно объяснить еле-

Рис. 260. Влияние водорода на ударную вязкость сплава Ti—ЗА1 с разным содержанием марганца, %:

a -фазе; практически весь водород, растворенный в спла­ ве, концентрируется в p-фазе. Если количество р-фазы достаточно велико, то содержание водорода в p-фазе не превышает критических значений, необходимых для раз­ вития водородной хрупкости даже при весьма больших средних содержаниях водорода. Действительно, при со­ держании p-фазы порядка 50% концентрация водорода в ней будет всего в два раза больше средней концентра­ ции в сплаве, а в a -фазе остаются тысячные доли про­ цента даже при среднем содержании водорода порядка 0,10%. Водородной хрупкости первого рода в этом слу­

чае не будет, поскольку для ее развития необходимо бо­ лее 0,2—0,3% Н2 в 3-фазе или 0,01—0,02% Н2 в а-фазе.

При малом содержании 3'Фазы она не может ото­ брать много водорода из a -фазы. Содержание его будет во много раз больше. Если содержание водорода в З-фа- зе при комнатной температуре в тридцать раз больше

его содержания в a -фазе, то при среднем содержании водорода в сплаве порядка 0,01 % в |3-фазе будет поряд­ ка 0,3% Н2. Такая концентрация более чем достаточна для развития водородной хрупкости.

Концентрация водорода в 3-фазе возрастает с увели­ чением среднего содержания водорода (рис. 261). Водо­ родная хрупкость начинает развиваться при таких сред­ них содержаниях водорода, когда его концентрация в 3-фазе достигает критического значения. Как видно из рис. 261, эта критическая концентрация достигается при тем меньших средних значениях, чем меньше З’фазы в сплаве.

Из приведенного выше уравнения (63) можно легко получить следующее выражение для средней концентра­ ции водорода в а+3-сплаве, при которой 3-фаза стано­ вится хрупкой;

516