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

вительность титана к распространению трещин, а алю­ миний, наоборот, уменьшает. На примере сплава Ti— —6А1—4V было установлено, что при игольчатой струк­ туре, образовавшейся при р->-а-превращении, квазивяз­ кость разрушения больше, чем при равноосной.

В работе [269] для титанового сплава Ti—5А1— 2,5Sn(ELI) с малым содержанием примесей внедрения на сварных пластинах толщиной 6,3; 12,7 и 25,4 мм, по­ лученных различными методами дуговой сварки в защит­ ной атмосфере, изучена вязкость разрушения в условиях плоской деформации и прочностные свойства при растя­ жении при комнатной температуре, —196 и —253° С. Ко­ эффициент интенсивности напряжений сварного соедине­ ния несколько выше, чем для основного металла, что ав­ торы связывают со специфичной структурой а-фазы (зубчатость границ) в зоне сварного шва. Возможно, что и для сплава Ti—5А1—2,5Sn большая вязкость разру­ шения околошовной зоны по сравнению с основным ме­ таллом связана с пластинчатой структурой металла, примыкающего к шву, в то время как основной металл имеет равноосную структуру.

Работа Н. А. Воробьева и др. [267] посвящена иссле­ дованию зависимости вязкости разрушения а+р-тита- нового сплава ВТЗ-1 от структуры. Прокаткой в разных температурных интервалах были получены структуры трех типов: / — структура, представленная грубыми пла­ стинами а- и p-фаз с выделениями a -фазы по границам макрозерен; I I — структура, аналогичная первой, но с более тонкими пластинами и меньшим количеством вы­ делений a -фазы по границам макрозерен бывшей р-фазы; III — мелкозернистая, равноосная структура.

Вязкость разрушения была оценена по результатам испытаний при циклическом разрушении в условиях чис­ того изгиба при вращении образца, повторного растяже­ ния и растяжения с постоянной статической нагрузкой 30 кгс/мм2, а также при статическом изгибе плоских об­ разцов. Коэффициент интенсивности напряжений К “с

при циклическом нагружении был определен для глад­ ких образцов диаметром 7,5 мм по методике В. С. Ива­ новой и В. Г. Кудряшова. При использовании указанной методики вязкость разрушения оказалась не зависящей ни от типа структуры, ни от максимального напряжения цикла, ни от схемы нагружения. При 20° С значения К ]1с

укладываются в 10%-ную полосу со средним значением

260

165 кгс/мм >г, а при 450°С — в 18%-ную полосу со сред­ ним значением 120 кгс/мм^2.

Авторы работы [267] нечувствительность параметра Kjc к структуре объясняют тем, что в их экспериментах

диаметр зерен равноосной структуры был близок к раз­ меру колоний параллельных пластин а- и (3-фаз внутри бывших p-зерен при пластинчатой структуре. Размеры колоний были много меньше размеров бывших р-зереи. Линии скольжения при равноосной структуре меняли свое направление при переходе из одного зерна в другое, а при пластинчатой структуре линии скольжения прохо­ дили через пластины внутри одной колонии без прелом­ ления и лишь на границах колоний изменяли свое на­ правление. Поскольку длины полос скольжения при раз­ личных структурах были близки, то сопротивление пла­ стической деформации для исследованных структур дол­ жно быть близким.

Все же полученный в работе [267] вывод о нечувст­ вительности вязкости разрушения к структуре нельзя признать всеобщим. Он противоречит данным по вязко­ сти разрушения, полученным в работах [268, 269].

Линк и Мунц [270] на примере сплава Ti—6А1—4V также показали, что характер структуры оказывает су­ щественное влияние на вязкость разрушения титановых сплавов. Для определения значения Кic был использо­ ван метод изгиба прямоугольных образцов высотой 28 и толщиной 14 мм с острым надрезом глубиной 14 мм. Об­ разцы подвергали повторным нагружениям и записывали кривые зависимости раскрытия трещины от нагрузки, а также по изменению электросопротивления регистриро­ вали появление новой поверхности разрушения.

В результате этих испытаний были получены следу­ ющие данные:

Критический коэффициент интенсивности напряжении при пластинчатой структуре оказался в 1,35 раза больше, чем при зернистой.

В работе [271] изучалась вязкость разрушения р-ти-

танового сплава В-120 УСА (11,5% Сг; 3,2% А1; 14% V;

261

0,02% С; 0,25% Fe; 0,018% N2; 0,11% 0 2). Исследования были проведены на отожженных в вакууме листах тол­ щиной 1,15—1,72 мм, из которых вырезали образцы дли­ ной 190 и шириной 50,8 мм. В центральной части образ­ ца был сделан сквозной надрез длиной 15 мм с радиу-

после закалки с 788° С

сом закругления не более 0,075 мм. Затем в устье надреза создавалась усталостная трещина длиной 1,5 мм с той и другой стороны. Образцы испытывали на растя­ жение. Поскольку толщина листов была малой, авторы работы [271] обозначают коэффициент интенсивности напряжений как Кс ■

Рис. 114 иллюстрирует влияние температуры нагрева под закалку на вязкость разрушения сплава В-120 VCA. Вязкость разрушения незначительно уменьшается с по­ вышением температуры нагрева под закалку от 705 до 845° С (все эти температуры для сплава В-120 VCA вы­ ше температуры Ас3). Следует отметить, что вязкость закаленного сплава была довольно велика, так что вряд ли при толщине листов от 1,15 до 1,72 мм коэффициент интенсивности напряжений отражал К1с.

Вязкость разрушения и пределы прочности и текуче­ сти с повышением температуры нагрева под закалку из­

262

меняются согласованно; повышение К. сопровождается

ростом ав и 0о,2, и наоборот. После старения сплава при 482° С наблюдаются иные закономерности: с повышени­ ем температуры нагрева под закалку прочностные свой­ ства растут, а вязкость разрушения уменьшается. При увеличении длительности старения вязкость разрушения также падает, а пределы прочности, текучести растут (рис. 115). Это несогласованное изменение вязкости раз­ рушения и пределов прочности и текучести авторы ра­ боты [271] связывают с микроструктурными измене­ ниями.

Излом сплава В-120 VCA после закалки имеет вяз­ кий характер; поверхность разрушения покрыта ямка­ ми, характерными для вязкого разрушения, их размер довольно велик и составляет десятки микрон. Такому характеру излома соответствует значение К , равное

147 кгс/мм3/г. После старения при 482° С в течение 10 ч

параметр ХСз повышается до 350 кге/мм</г, а характер разрушения остается вязким, но размер ямок в поверх­ ности излома уменьшается до 4—5 мкм. При увеличе­ нии продолжительности старения до 20 ч размер ямок еще более уменьшается, но появляются элементы межкристаллитного излома, а коэффициент КСз уменьшает­

ся до 242 кгс/мм3/2. При дальнейшем увеличении дли­ тельности старения до 72 ч параметр КСз уменьшается

до 136 кгс/мм’/г, а характер разрушения становится межкристаллитным с малой долей ямочного излома.

Одна из важнейших задач сводится к установлению связи вязкости разрушения со свойствами материала при стандартных методах механических испытаний. Эта проблема становится особенно важной для дефицитных, редких металлов или сплавов на основе распространен­ ных металлов, легированных редкими, дорогостоящими элементами. Важность этой задачи очевидна: для полу­ чения достоверных значений Кю нужны образцы боль­ ших размеров, особенно для вязкого материала.

Фрид К- Н. [261] изучил взаимосвязь различных па­ раметров вязкости разрушения для ряда титановых сплавов. Были проведены испытания на ударную вяз­ кость, испытания падающим грузом на отрыв при из­ гибе (ИПГ) с обработкой результатов эксперимента методами линейной механики разрушения и испытания

263

на растяжение плоских образцов с одним боковым над­ резом, оканчивающимся усталостной трещиной. Испы­ тания на ударную вязкость были выполнены на образ­ цах Шарпи, для испытаний на изгиб падающим грузом были использованы образцы, изготовленные из плиты толщиной 25,4 мм. Длина образцов составляла 406 мм при ширине 127 мм. Для инициирования трещины на плиту был нанесен сварной шов длиной 38 мм, охрупченный железом. Для определения значения Кю изго­ тавливали образцы длиной 330, шириной 127 и толщи­

по схеме растяжения и чистого изгиба; оба метода да­ ли практически одинаковые средние значения K i c . Ког­ да диаграмма нагрузка — смещение была линейной, для расчетов брали максимальную нагрузку; если линей­ ность нарушалась, то Кю определяли по наименьшей на­ грузке, при которой обнаруживалась явная нестабиль­ ность трещины.

Проведенные исследования показали, что вязкость разрушения уменьшается с увеличением предела текуче­ сти, особенно сильно, если последний становится больше 100—120 кгс/мм2. При пределе текучести порядка 90— 100 кгс/мм2 наибольшая вязкость разрушения характер­ на для сплавов Ti—6А1—4Zr—2Nb и Ti—6А1—4V.

Коэффициент K i c возрастает с увеличением энергии разрушения при испытании на изгиб падающим грузом до 165 кгм. При больших энергиях разрушения ИПГ па­ раметр K i c остается постоянным, что связано с зани­ женными значениями критического коэффициента интен­ сивности напряжений при большой вязкости разруше­ ния.

На рис. 116 приведена зависимость параметра (Kic/oo,2)2, характеризующего допустимые размеры тре­ щин, от предела текучести для сплавов Ti—6А1—4V и Ti—6А1—6V—2Sn. График, приведенный на рис. 116, построен по данным табл. 41 с учетом только достовер­ ных значений K i c ■ Как видно из этих данных, допусти­ мые размеры трещин уменьшаются с увеличением пре­ дела текучести материала.

Следует также упомянуть о работе Лейса [272], в которой приведена диаграмма в координатах (Кы/ов)2—

264

— для сталей, алюминиевых и титановых сплавов (рис.

Р

117), а также зависимость прочности листовых образцов с трещиной от исходной ее длины. Анализ этих диа­ грамм показывает, что критическая длина трещины, про­ порциональная (Aic/сгв)2, при одной и той же удельной прочности (ав/р) наибольшая у титановых сплавов.

Приведенные данные по испытанию на проч­ ность листовых материа­ лов с трещиной показали, что для реальных деталей, нагруженных статической

нагрузкой, переход к материалам с более высокой проч­ ностью не всегда дает экономию в весе конструкции, так как снижается сопротивление материала распростране­ нию трещины.

Осгуд [273] сопротивление титановых сплавов разру­ шению представил в виде диаграммы вязкости разруше­ ния (рис. 118). На диаграмме по оси ординат отложены работа разрушения титановых сплавов при испы­ таниях на динамический отрыв W и критический ко­ эффициент интенсивности напряжений Кю, а по оси абс­

Klc/Oo,2-

265

5 6 8 \

1

№ I

ч*

Рис. 118. Диаграмма вязкости разрушения для титановых сплавов

Рис. 119. Зависимость коэффициента интенсивности напря­ жений для отожженных сплавов Ti—4А1—ЗМо—IV (/), Ti—6А1— 4V (2) и Ti—8 Al —1 Mo—1 V (<?) от времени действия на­ пряжений при испытаниях на замедленное разрушение в ус­ ловиях коррозионного растрескивания в 3,5%-ном водном рас­ творе NaCl

266

Диаграмма вязкости разрушения позволяет по резуль­ татам различных испытаний оценить сопротивление ма­ териала разрушению. Те материалы, свойства которых

описываются точкой ниже линии A ' i c / c t 0,2= 2,5 м м '% — это сплавы с низким сопротивлением разрушению. Тол­ стые детали, изготовленные из этих материалов, долж­ ны проходить натурные испытания для проверки их

прочности. Для точек между 2,5 мм /г и бесконечных значений отношения Агс/оо.г линейную механику разру­ шения можно применять для определения допустимых размеров трещин для различных толщин деталей и уров­ ней нагрузки. Материалы выше линии KicIgq,2— 00 пред­ ставляют собой малопрочные, высоковязкие сплавы, до­ статочно пластичные, чтобы поддерживать трещину в течение периода медленного роста перед разрушением.

Из анализа диаграммы вязкости разрушения следует, что для титановых сплавов при различных уровнях прочности возможна широкая область значений вязко­ сти разрушения. Предел текучести а- и псевдо- ос-спла- вов обычно не превышает 85 кгс/мм2; сопротивление этих сплавов разрушению достаточно высокое и разру­ шения при плоской деформации не наблюдается. Боль­ шинство р-сплавов имеет предел текучести выше 85,0 кгс/мм2 и их сопротивление разрушению соответст­ венно низкое, они описываются точками ниже линии

для отношения KiJoо,2= 5,0 мм /2. Прочность и вязкость а+р-сплавов колеблются в весьма широких пределах. Необходимы тщательный контроль за содержанием кис­ лорода и точное соблюдение технологии производства и режимов термообработки для достижения сопротивле­

рушения в последнее время довольно широко использу­ ется для описания результатов испытаний на коррози­ онное растрескивание. В этих испытаниях образец с над­ резом, оканчивающимся усталостной трещиной, сначала непрерывно нагружается до разрушения в предположи­ тельно нейтральной среде и по максимальной нагрузке вычисляется коэффициент интенсивности напряжений, основанный на начальной длине трещины. Это началь­ ное значение коэффициента интенсивности напряжений Ки служит основой построения кривой замедленного разрушения. Последующие образцы испытывают в аг­

267

Р а з д е л HI

ВЛИЯНИЕ ВОДОРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Водородная хрупкость титана и его сплавов была ^впервые обнаружена в США в 1952 г., когда из-за повышенного содержания водорода разрушился ряд деталей, предназначенных для авиационного двигателя. Поэтому в ряде стран, в том числе и в СССР, были про­ ведены широкие исследования по выяснению причин во­

жает оставаться проблемой, без разрешения которой не­ возможна нормальная эксплуатация титановых изделий. За это время центр исследований переместился из ме­ таллургии в технологию производства. В настоящее вре­ мя металлургическая промышленность основную массу металла поставляет с содержанием водорода меньше допустимых концентраций; в слитках среднее содержа­ ние водорода не превышает тех концентраций, при ко­ торых возможна водородная хрупкость. Однако и при производстве полуфабрикатов из титановых сплавов, и при технологических операциях в процессе изготовле­ ния изделий содержание водорода может увеличиться до значений, превышающих максимально допустимые. Изза наводороживания в процессе производства в издели­ ях может развиваться водородная хрупкость, хотя, ис­ ходя из качества исходного металла, ее не должно быть. Поэтому при решении вопроса о возможности примене­ ния титана и его сплавов в том или ином конкретном случае следует учитывать возможность их наводорожи­ вания и развития в них водородной хрупкости как в про­ цессе изготовления конструкции, так и при ее эксплуа­ тации.

269