книги из ГПНТБ / Колачев, Б. А. Механические свойства титана и его сплавов

коиластичпых сплавов замедленному разрушению сле­ дует оценивать по всем трем критериям (op.min, тр и %>). Чем больше значения этих критериев, тем меньше склонность сплавов к замедленному разрушению. Высо-

Рис. 88. Зависимость разрушающего напряжения от времени до раз­ рушения сплава системы Ti—А1—Zr с различным содержанием во­ дорода и кислорода (сплошные линии — основной металл, пунктир­ ные— околошовная зона), %:

а — 0,29 О; б — 0,10 О; / - 0,014 — 0,015 Н; 2 - 0,010—0,011 Н; 3 — 0,002—0,0025 И

копрочные сплавы разрушаются макроскопически хруп­ ко и их можно сопоставлять, учитывая лишь два крите­ рия (Тр И Gp.min) •

По возрастанию склонности к замедленному разру­ шению М. X. Шоршоров и В. Н. Мещеряков [220] рас­ полагают титановые сплавы в следующей последователь-

190

пости: ВТ6С; сплавы системы Ti—Al--Zr с малым содер­ жанием алюминия; Ti+3,7% Al; ОТ4-1; ВТ6; ВТ14М. Пам кажется, что указанная последовательность спра­ ведлива лишь для сплавов, которые выплавляли в 1963— 1965 гг. В настоящее время чистота губки стала выше, составы сплавов претерпели изменения и поэтому жела­ тельно вновь провести оценку свариваемых титановых сплавов к замедленному разрушению.

В работе [220] отмечается, что сплавы, легирован­ ные р-эвтектоидными стабилизаторами (марганец, хром, железо), более склонны к замедленному разрушению, чем сплавы, содержащие только (4-изоморфные элементы (ванадий; молибден). В сплавах титана с р-эвтектоид- ными стабилизаторами при длительном действии стати­ ческой нагрузки могут выделяться интерметаллиды в по­ лосах скольжения, что должно ограничивать внутризеренную деформацию и релаксацию напряжений.

В наших работах, выполненных совместно с Ю. В. Горшковым, было обнаружено, что высокопроч­ ные титановые сплавы с малым содержанием водорода (0,002%) склонны к замедленному разрушению и при испытаниях по схеме Трояно. При испытаниях по схеме Трояно разрушающие напряжения высокопластичных сплавов (ОТ4, ОТ4-1) мало зависят от времени их дейст­ вия, в то время как сплав ВТ20 склонен к замедленному разрушению. Заметное падение разрушающих напря­ жений со временем их действия наблюдается также для вакуумированного литейного сплава ВТ5Л.

КОРРОЗИОННОЕ РАСТРЕСКИВАНИЕ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

Источники замедленного разрушения можно разде­ лить на два вида: а) внутренние и б) внешние. Внут­ ренними источниками являются примеси внедрения в металле, особенно водород, хотя и не исключена воз­ можность развития замедленного разрушения, обуслов­ ленного элементами замещения, в том числе и легирую­ щими элементами. Внешними источниками могут быть рабочие среды. Типичным примером замедленного раз­ рушения, обусловленного внешними причинами, являет­ ся коррозионное растрескивание. Следует отметить, что не всегда коррозионное растрескивание завершается хрупким разрушением. Разумеется, приведенная выше

191

классификация условна и в действительности в металле может протекать одновременно или в определенной по­ следовательности несколько различных процессов, обу­ словленных как внешними, так и внутренними источни­ ками замедленного разрушения.

Коррозионное растрескивание проявляется в ускоре­ нии зарождения и роста трещин при испытаниях образ­ цов на статическое растяжение или изгиб в агрессивных средах по сравнению с испытаниями в нейтральной сре­ де. Наиболее интенсивно это явление проявляется на образцах с надрезом, оканчивающимся предварительно нанесенной усталостной трещиной. Коррозионное раст­ рескивание снижает разрушающие напряжения тем бо­ лее сильно, чем больше время их действия.

Коррозионное растрескивание титана и его сплавов вызывают естественная и синтетическая морская вода [221, 222], дымящая азотная кислота [53, с. 267], рас­ плавы солей, N20 4, метанол [53, с. 267; 223], жидкая ор­ ганика [224], кипящий раствор MgCl2 [225], метаноловые растворы, содержащие бром, хлор и иод [53, с. 283]. Довольно полный перечень сред, в которых наблюда­ лось коррозионное растрескивание титановых сплавов, приведен в работах [53, с. 267; 223].

Наиболее детально изучено коррозионное растрески­ вание титановых сплавов в морской воде и в водных растворах соли. Было обнаружено, что несмотря на прекрасную общую коррозионную стойкость титана и его сплавов в морской воде и полное отсутствие коррозии под напряжением гладких образцов, острый надрез вы­ зывает коррозионное растрескивание образцов в этих средах. Особенно сильно коррозионное растрескивание титановых сплавов в естественной и синтетической мор­ ской воде развивается при проведении испытаний на образцах с усталостной трещиной.

К коррозионному растрескиванию в морской воде склонен титан с большим содержанием кислорода

(0,317%) и следующие его сплавы: T i—8Mn, T i—2,25 А1—1Мо— 11 Sn—5 Zr—0,2 Si (IMI—679), Ti—-3 A1—11 Cr—13 V, Ti—4 Al—4 Mn, Ti—5 Al—2,5 Sn, Ti—6 Al— 2,5 Sn, Ti—6 Al—4 V, Ti—6 Al— 3 Nb— 2 Sn, Ti—6 Al — 4 V—1 Sn, Ti—6 Al—4 V—2 Co, Ti—6 Al—6 V—2,5 Sn, Ti—7 Al—2 Nb—1 Та, Ti—7 Al—3 Nb, Ti—7 Al—3 Mo, Ti—7 Al—3 Nb—2 Sn, Ti—8 Al—1 Mo—1 V, Ti—8 Al— 3 Nb—2 Sn [53, c. 267].

192

В ряде работ [53, с. 283; 223; 226; 268] отмечается,

что склонность титановых сплавов к коррозионному рас­ трескиванию не только в морской воде, но и других сре­ дах усиливается с увеличением содержания в них алю­ миния.

Олово, кислород, марганец и кобальт также способст­ вуют развитию коррозионного растрескивания. Склон­ ность титановых сплавов к коррозионному растрескива­

Склонность сплавов к коррозионному растрескиванию в морской воде особенно резко возрастает при увеличении содержания алюминия с 4 до 6% (по массе). С увеличе­ нием содержания алюминия усиливается коррозионное растрескивание не только двойных, но и сложных спла­ вов, в том числе и промышленных [266, 268]. Когда со­ держание алюминия в а-сплавах возрастает от 4 до 6%, происходит переход от вязкого разрушения к хруп­ кому.

Усиление склонности а-сплавов к коррозионному рас­ трескиванию с увеличением содержания алюминия Вилльямс [231] связывает с изменением их дислокацион­ ной структуры. В а-сплавах, содержащих до 4% А1, фор­ мируется структура с беспорядочным расположением

дислокаций; при 6 и 8% А1 образуются заторможенные группы дислокаций в плоскости скольжения {1010}. Об­ разование скоплений дислокаций по плоскостям скольже­ ния облегчает зарождение трещин и развитие коррозион­ ного растрескивания.

Хотя наблюдается общая тенденция к увеличению склонности сплавов к коррозионному растрескиванию с повышением содержания алюминия, из этой законо­ мерности есть довольно много исключений. Так, напри­ мер, в работе [53, с. 267] отмечается, что коррозионное растрескивание в морской воде не наблюдается для спла­ вов Ti—2А1—4Мо—4Zr, Ti—4А1—ЗМо—IV, Ti—5А1—-

указанных расхождений неясны. Следует, однако, отме­ тить, что почти все сплавы, нечувствительные к коррози­ онному растрескиванию, легированы молибденом, в то время как большинство сплавов, склонных к растрески­ ванию, не содержит его.

Большинство исследователей полагает, что коррози­ онное растрескивание включает в себя электрохимичес­ кую стадию [223; 53, с. 239]. Коррозионное растрескива­ ние происходит в средах, содержащих ионы хлора, бро­ ма и иода. В системе металл — коррозионная среда при действии напряжений в области трещины возникают по­ токи ионов. Ионы галогенов диффундируют к вершине трещины, где способствуют раскрытию трещины или по химическому механизму, или из-за снижения поверхност­ ной энергии. По мере развития коррозионного растрески­ вания голова трещины удаляется от адсорбированного на поверхности моноатомного слоя галогенов, атомы гало­ генов замещаются атомами кислорода и вновь диффун­ дируют к вершине трещины.

При электрохимических реакциях вблизи вершины трещины образуется также водород, который поглощает­ ся металлом. Некоторые авторы [267, 229] полагают, что коррозионное растрескивание в конечном итоге сводится к водородной хрупкости. Адсорбированный металлом во­ дород или приводит к выделению гидридов, вызывающих гидридную хрупкость, или растворяется в металле, спо­ собствуя развитию обратимой хрупкости (см. гл. 2 раз­ дела III), или снижает поверхностную энергию, тем са­ мым облегчая раскрытие трещин.

194

Причиной разрушения титана и его сплавов могут быть также жидкие металлы. Впервые разрушение по этой причине было отмечено при испытании на выносли­ вость компрессора Вестингауз ХУ-54, в котором разру­ шился диск 16-й ступени [221, с .152]. Причиной разру­ шения оказалось кадмирование болтов. При температу­ рах работы компрессора кадмий плавится, а жидкий кадмий приводит к хрупкому разрушению [230]. Ртуть при комнатной температуре и при температурах 370 и 700° С [53, с. 267], жидкий цинк [221, с. 152] также вы­ зывают хрупкое разрушение титановых сплавов. Замед­ ленное разрушение под действием жидких металлов но­ сит интеркристаллитный характер. Жидкий металл про­ никает по границам зерен, снижает межзеренную энергию и тем самым облегчает распространение тре­ щин.

Глава 3

СОЛЕВАЯ КОРРОЗИЯ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СОЛЕВОЙ КОРРОЗИИ

В 1955 г. Бауэр при испытании сплава Т1—6А1—4V на ползучесть обнаружил сильное растрескивание об­ разца, на котором случайно оказался солевой отпечаток пальца. Этот образец находился под нагрузкой 42 кгс/мм2 при температуре 370° С. Бауэр объяснил рас­ трескивание коррозией под напряжением, вызванной взаимодействием соли с титаном. Последующие ис­ следования [221, 231] подтвердили предположение Ба­ уэра.

Солевая коррозия проявляется в том, что при дейст­ вии напряжений в месте контакта соли с титановым сплавом возникают трещины, которые постепенно рас­ пространяются в глубь металла, обычно вдоль границ зерен, приводя к преждевременному разрушению. Это растрескивание наблюдается при температурах пример­

Рис. 90. Схема изготовления образцов для изучения солевой коррозии:

а —• самонапряженные образцы; б, в — образцы с остаточными напряжения­

ми; 1 — исходная пластина; 2 — пластина с загнутыми концами; 3 — гото­ вый образец

Рис. 91. Типичная деформация самонапряженных образцов при испытаниях на сжатие:

а— с солевым покрытием; б— без солевого покрытия

197

нии длительной прочности на растяжение и консольный изгиб. Для оценки влияния концентраторов напряжений в развитии разрушения при солевой коррозии применяют надрезанные образцы, а также об­ разцы с надрезом, заканчивающимся усталостной трещиной. Образ­ цы последнего типа получают нанесением надреза или сверлением образца с последующим циклическим его нагружением до развития усталостной трещины заданной длины.

Солевое покрытие наносят или погружением образцов в насыщен­ ный раствор соли, или намазыванием рапы с последующей сушкой

Рис. 92. Приспособление для проведения испытаний на со­ левую коррозию при циклировании условий эксперимента (а)

и один из режимов циклических испытаний (б):

/— образец; 2 — стеклянный сосуд с раствором; 3 — верхний нагреватель; 4 — изоляция; 5 — ввод воздуха; 6 — нижний на­

греватель; 7 — вывод из сосуда

при температурах порядка 100° С. Для получения более толстого по­ крытия эту операцию повторяют несколько раз. При испытаниях на растяжение солевое покрытие обычно наносят на всю поверхность образца, при испытаниях на изгиб солью покрывают лишь растяну­ тую поверхность образца.

В работе [221, с. 31] изучали солевую коррозию при циклическом изменении условий эксперимента. Рабочая часть образца, на кото­ рую действовали постоянные растягивающие напряжения, находи­ лась внутри стеклянного стакана с раствором поваренной соли. Этот стакан в свою очередь помещали в печь (рис. 92). Сначала при ком­ натной температуре стакан заливали 3,5%-ным раствором NaCl и выдерживали в течение 10 мин (рис. 92,6, зона /), затем раствор сливали и образец нагревали в течение 10 мин до температуры 288° С (зона //), выдерживали при этой температуре в течение 2,5 ч (зона III), а затем охлаждали на воздухе до комнатной температу­ ры около 10 мин (зона IV). Затем этот цикл многократно повторяли.

198

ВЛИЯНИЕ СОЛЕВОЙ к о р р о з и и н а м е х а н и ч е с к и е с в о й с т в а т и т а н о в ы х с п л а в о в

Солевая коррозия приводит к преждевременному раз­ рушению титановых сплавов при повышенных темпера­ турах. Если даже не происходит преждевременного раз­ рушения, механические характеристики сплавов при проведении испытаний при комнатной температуре пос­ ле охлаждения и снятия напряжений резко ухудшаются. К сожалению, в разных работах применяли различные образцы и схемы нагружения и поэтому сравнение по­ лученных результатов затруднительно, тем более что данные о влиянии способа нанесения соли, толщины по­ крытия, состава солевого покрытия на развитие солевой коррозии противоречивы.

В работах [221, с. 31 и 53] указывается, что солевое покрытие, полученное путем погружения образцов в со­ левой раствор, действует сильнее, чем покрытие, нане­ сенное намазыванием рассола на поверхность. Однако Хаймерл и др. [221, с. 179] не обнаружили какой-либо зависимости склонности к коррозии от способа нанесе­ ния соли.

Первые эксперименты, проведенные на сплавах

Ti—13V—ПСг—ЗА1; Т1—6А1—4V; Ti—8А1—1Мо—IV; Ti—4А1—ЗМо—IV, показали, что солевая коррозия усиливается с увеличением толщины солевого покрытия. Однако последующие эксперименты не подтвердили это­ го заключения. Авторы работ [221, с. 54 и 194] пришли к выводу, что с увеличением толщины покрытия склон­ ность сплава Ti—8А1—1 Мо—IV к солевой коррозии уменьшается, а Доначи и др. [221, с. 194] не обнаружи­ ли какой-либо зависимости склонности к солевой кор­ розии от толщины покрытия. Причины подобных разно­ гласий неясны, но они могут быть вызваны различиями в длительности действия соли. Так, в частности, Хай­ мерл и др. [221, с. 194] указывают, что тонкое соле­ вое покрытие приводит к более интенсивной коррозии, чем толстое, лишь при больших уровнях напряжений, когда время до разрушения невелико. При большой дли­ тельности эксперимента и толстое, и тонкое покрытия приводят к одинаковым последствиям. Большинство ис­ следователей полагают, что солевая коррозия усилива­ ется с уменьшением толщины покрытия и развивается сильнее при нанесении покрытия из поваренной соли, чем из морской.

199