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

временному существенному повышению относительного удлинения и поперечного сужения.

Как известно, предел текучести можно описать урав­ нением Петча — Холла [28, 29]

где d — средний размер субзерен при сильной фраг­ ментации структуры или средний диаметр зерен при отсутствии субструктуры1;

Ат— константа,, зависящая от природы сплава.

Параметр Ат определяет легкость передачи пластичес кой деформации из одного зерна в другое.

Величина сг0, не зависящая от величины зерна и приложен­ ных напряжений, является ха­ рактеристикой деформируемо­ го металла и определяет соп­ ротивление движению дислока-

ций в плоскости скольжения. В соответствии с выше из­ ложенными идеями во можно представить в виде

1 Л. М. Бернштейн и В. А. Займовекий [14] справедливо отмеча­ ют, что диаметр d по существу должен быть равен длине плоскости скольжения, на которой происходит беспрепятственное перемещение дислокаций.

20

где а*— атермическая составляющая, которая опреде­ ляется силами Пайерлса — Набарро (трением решетки), сопротивлением движению дислока­ ций со стороны атомов, случайно распределен­ ных в решетке основного металла.

Величина о* мало зависит от температуры. Второе слагаемое о**, наоборот, существенно зависит от тем­ пературы в соответствии с уравнением

Уравнение (6) было впервые выведено для о. ц. к. ме­ таллов. Впоследствии оказалось, что оно с достаточной точностью выполняется и для металлов с г. ц. к. и г. п. у.

нением (6), представляет собой прямую линию. Отличие металлов с кубической решеткой от метал­

лов с гексагональной решеткой заключается в том, что для первых параметр Кт почти не зависит от темпера­ туры, а для вторых — существенно уменьшается с повы­ шением температуры. Для металлов с о. ц. к. и г. ц. к. решеткой зависимость предела текучести от величины

а в г. п. у. металлах параметр Кт оказывается пропор­ циональным термической составляющей о** в напряже­

нии (То- Зависимость разрушающих напряжений ор от вели­

чины зерна d в координатах ар—d~Xj2 также можно в первом приближении описать прямой линией в соответ­ ствии с уравнением Петча — Стро

21

где Oq— напряжение, не зависящее от величины зерна, а Кр определяется выражением, данным в ра­ боте [32]:

„/ GjtvG W 2

где G— модуль сдвига;

у — поверхностная энергия; р,— коэффициент Пуассона.

мость твердости рекристаллизованного а-титана от вели­ чины зерна также можно описать уравнением, аналогич­ ным уравнению Петча — Холла.

22

прямой линией в координатах а—d~~1/2, в связи с чем предлагаются модифицированные уравнения Петча — Стро — Холла:

в = --о 0 + К (a) c T w

или

О= а0 -ь К(Г '\

где К (о)— параметр, зависящий от величины зерен или субзерен, а п может меняться от 0,5 до 0,9.

Детальное рассмотрение этого вопроса, однако, вы­ ходит за рамки настоящей монографии.

В работе [35] было показано, что предел текучести иодидного титана о возрастает с увеличением плотно­ сти дислокаций р пропорционально р1/2 (рис. 14):

трением решетки; Кл— константа, отражающая деформационное уп­

рочнение; Е — модуль Юнга;

b— вектор Бюргерса.

23

Для иодидного титана (кривая 1 на рис. 14) напря­ жение ао= 9 кгс/мм2, а константа /Сд=0,61.

При понижении температуры от комнатной до темпе­ ратуры жидкого водорода (—253° С) пределы прочно­ сти и текучести титана возрастают, а затем при даль­ нейшем понижении температуры падают. В табл. 4 пред­ ставлены механические свойства кованого и отожженного

температуре жидкого гелия наблюдается скачкообраз­ ный характер деформации в результате двойникования или локального повышения температуры образца из-за изменения в скорости деформации [37, 38].

Т а б л и ц а 4

Технический титан с малым содержанием водорода (менее 0,002%) не обладает хладноломкостью, он со­ храняет высокую пластичность даже при температуре жидкого гелия. Более того, в интервале температур 80—20 К титан высокой чистоты имеет большее удли­ нение, чем при комнатной температуре (табл. 4). Авто­ ры работы [39] объясняют этот эффект тем, что в этом интервале температур интенсивно происходит и сколь­ жение, и двойникование, в то время как при более высо­ ких и при более низких температурах доминирует один из указанных механизмов деформации.

При понижении температуры деформации двойники занимают все большую часть объема зерен, усиливает­

24

сильного упрочнения матрицы. В титане высокой чисто­ ты легко происходит релаксация локальных напряжений на границе двойник — матрица за счет вторичного сколь­ жения и двойникования, и трещины не возникают.

Титан высокой чистоты мало чувствителен к надрезу. Обычно чувствительность к надрезу характеризуют от-

Рис. 15. Зависимость механических свойств технического (/) и иодид* ного (2) титана от температуры

ношением предела прочности надрезанных образцов о"

к пределу прочности гладких образцов ав. Если это от­ ношение больше единицы, то надрез упрочняет металл, если меньше — разупрочняет. Для титана отношение о£/сгв больше единицы [40, 41], что можно проиллюстри­

к надрезу [40, 41]. При комнатной температуре для титана с пределом прочности 59 кгс/мм2 поперечное су­ жение надрезанных образцов с глубиной надреза 1,5 мм и радиусом закругления 0,1 мм составляет 28% от су­ жения гладких образцов [41], а ударная вязкость ненадрезанных образцов на 10% больше вязкости стандарт­ ных образцов [40]. С понижением температуры чувстви­ тельность титана к надрезу повышается.

25

Хотя механические свойства титана при комнатной температуре довольно высоки, повышение температуры приводит к резкому падению прочностных характери­ стик (рис. 15). Предел прочности титана снижается при­

линение достигает минимума, вслед за которым следует его резкое повышение. Авторы работы [2] объясняют резкое понижение пластичности в титане в интервале температур 300—500° С деформационным старением. Вблизи температуры полиморфного превращения титан обладает сверхпластичностью.

На рис. 16 приведены диаграммы растяжения тех­ нического титана при разных температурах в координа­

В указанных координатах кривые растяжения тита­ на можно описать соотношением

5 = S0 + К,. 1/2

26

где h — коэффициент упрочнения;

S0— напряжение, близкое к пределу пропорцио­ нальности.

При проведении испытаний на стандартных отечест­ венных машинах с применением образцов типа гагарин­ ских на кривых растяжения при комнатной температуре пик текучести не наблюдается. В опубликованных зару­ бежных работах указывается, что титан обладает пиком текучести [21, 43]. Характерно, что все эти работы были выполнены на весьма чувствительной машине «Instгоп».

При повышенных температурах порядка 100—400° С пик текучести наблюдался многими исследователями [2,

щадка текучести уменьшается, а при температурах

4 -10-3 мин-1 рекристаллизация происходит значительно быстрее уп­ рочняющих процессов и металл эффективно течет по всей рабочей части образцов; рабочая часть образцов в конечном итоге вырожда­ ется в два острых конуса с очень растянутой шейкой. Шейка при растяжении формируется очень долго.

При скорости деформации 4-10~2 мин-1 течение титана локализу­ ется в очень узкой области, в которой сечение образца быстро сокра­ щается и образуется ярко выраженная шейка. При такой скорости деформации вначале происходит скачкообразная деформация и пер­ вая половина индикаторной диаграммы имеет пилообразный харак­ тер. Скачки нагрузки достигают 13—15% их минимального значения.

сием между разупрочнением титана вследствие рекристаллизации и деформационнным упрочнением.

При еще больших скоростях деформации деформационное упроч­ нение доминирует над разупрочнением и скачки нагрузки пропадают. Течение металла локализуется в узкой области; образец разруша­ ется с образованием ярко выраженной шейки.

27

Г л а в а 2

МЕХАНИЗМЫ УПРОЧНЕНИЯ ТИТАНА ПРИ ЛЕГИРОВАНИИ

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАСТВОРНОГО УПРОЧНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

Упрочнение металлов при легировании может быть обусловлено эффектами, которые связаны с образовани­ ем твердых растворов, когерентных и некогерентных вы­ делений. Хотя детали указанных трех механизмов уп­ рочнения при легировании различны, общим является более высокое сопротивление движению дислокаций, так как появляются дополнительные барьеры, которые по­ следние должны преодолевать.

При любом механизме растворного упрочнения ме­ талла значительную роль играет размерный или объ­ емный фактор. Однако при количественном определе­ нии этого фактора встречаются существенные трудно­ сти, которые связаны с тем, что размер атома нельзя выразить одной величиной. Более того, при растворении какого-либо элемента в металле размеры ионов не со­ храняются неизменными и существенно зависят от элек­ тронного строения атомов как растворителя, так и рас­ творяемого вещества. Поэтому вводят понятие об эф­ фективном атомном диаметре (радиусе), который определяют из экспериментально найденной зависимо­ сти периодов решетки от состава сплава.

Различие в размерах атомов наиболее строго учитывается с по­ мощью параметра размерного несоответствия е:

где а — период решетки сплава; С — концентрация растворенного элемента.

Если известна зависимость периода решетки от состава, то вели­ чину е можно определить как тангенс угла наклона касательной к этой кривой для сплава заданного состава. Рис. 17 иллюстрирует, каким образом можно вычислить е. Если касательная отсекает на

вертикальных осях отрезкй а [ и а2, то

где а1 и а% — эффективные параметры (периоды) решетки.

28

В дальнейшем мы будем называть размерные и объемные факто­ ры эффективными, если параметры структурного несоответствия оп­

ределяются по уравнениям (11) и (12).

Рис. 18 показывает, насколько может быть велика ошибка при определении размерных факторов с использованием параметров решетки для чистых металлов вме­ сто эффективных значений. Эффек­ тивный размерный фактор молиб­

Содержание легирующего элемента,%(о/Я)

в то время как расчет по параметрам решетки для чистых ме­ таллов дает обратную закономерность.

К сожалению, зависимость периодов решетки сплавов от состава известна для небольшого числа систем. Поэтому размерный фак­ тор г определяют как

Следует отметить, что легирующие элементы обычно в разной сте­ пени влияют на параметры а и с решетки а-титана, и поэтому следу­ ет учитывать два эффективных размерных параметра

Часто концентрационная зависимость параметров решетки раство­ ров известна лишь до некоторого содержания растворенного эле­ мента. Если указанная зависимость близка к прямой линии (это

29