книги из ГПНТБ / Свойства титановых сплавов в сложных условиях применения сборник статей

21

Рис.8. Изменение максимального прогиба мембраны в зависимости от толщины материала при давлениях:

а - 8 кгс/см2; 6 - 2 5 кгс/см2; в - 60 кгс/см2

На рис.9 по данным наших исследований представлены графики уменьшения прочности материала при разных давлениях среды и режимах газонасыщения. Анализ этих графиков показывает, что

-ЮО

Е

Is

^§ 8 0

«ё з 10

О)

§ О

Продолжительности испытания, час

Рис.9 . Графики снижения прочности сплава 0T4-I в процессе ис­ пытания

ыембраны, подвергнутые газонасыщению, при испытании давлениями 8 и 25 кгс/см2 в течение 200 час практически не снижают своей прочности, а при давлении 60 кгс/см2 разупрочняются в 2 раза меньше, чем мембраны, не подвергнутые газонасыщению. Таким об­ разом следует отметить, что газонасыщение не только повышает коррозионную стойкость, как это было установлено ранее 3 , но и увеличивает прочность в коррозионной среде.

Разрушение металла, подвергнутого газонасыщению, наступает значительно позднее, чем материала без газонасыщенного слоя. Качественным критерием начала разрушения материала может слу­ жить неодинаковость электродного потенциала в различных точках на поверхности мембраны.

На основании полученных в нашей работе данных о значениях потенциала, определенных локальным методом в разных точках поверхности мембраны, можно сделать вывод в том, что на образ- - цах, не подвергнутых разрушению, величина локального потенциала мало меняется по радиусу. Однако с началом разрушения потен­ циал металла становится неодинаковым по радиусу мембраны. Б силу неравномерности начавшегося разрушения наблюдается силь­ ное снижение потенциала в тех местах, где пассивный слой ока­ зывается поврежденным.

В ы в о д ы - : I . В качестве критерия для сравнительной оценки механической прочности титанового сплава 0T4-I в корро­ зионной среде предложено использовать прогиб ыембраны и его из­ менение при разных условиях испытания.

2. При совместном действии 75%-ной серной кислоты и меха­ нических напряжений прочность сплава 014-1 в процессе испыта­ ний снижается и тем больше, чем выше действующее давление.

3 . Газонасыщение при 650° в течение 1,5 и 5 час вызывает упрочнение сплава 014-1.при работе его в 75%-ной серной кис- . лоте.

Литература

т Т и м о ш е н к о С.П., Пластины и оболочки, Гостехиздат, 1948.

2 . Справочник машиностроителя, т .З . Госнаучтехиздат машино­ строительной литературы, 1956.

3. П у л ь ц и н Н.М., Повышение коррозионной стойкости титановых сплавов, "Химическое машиностроение"^ 1963, № 6 .

23

Инженер-полковник ПУЛЬЦИН Н.М., ШТЯТКОВСКИЙ Я.М., ПОКРОВСКАЯ В .Б ., ЖШЛОВА Г .В ., БОДРОВА Е.А.

ВЛИЯНИЕ ГАЗОНАСЬЩЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА СПЛАВА ВТ5

Газонасыщение оказывает существенное влияние на свойства титановых сплавов. Еще В.А.Яковлев и Я.И.Спектор [ i ] , проводя исследование газонасыщенного слоя сплава ВТ2, -образующегося при температурах 700-1200°, получила интересные данные об увеличе­ нии твердости поверхностного слоя и глубины этого слоя с повы­ шением температуры и выдержки.

Растворение кислорода в титане, приводящее к образованию газонасыщенного измененного слоя, сильно зависит от характера легирующих элементов. По данным работы [2] , марганец и особен­ но хром увеличивают глубину диффузии и количество кислорода,

структура газонасыщенного слоя существенно отличается от струк­ туры сердцевины [V].

В работах £ 5 ] и jjQ исследовалась кинетика окисления на

24

воздухе при высоких температурах технического титана и некото­ рых титановых сплавов. В этих работах было установлено, что в результате окисления титана и его сплавов при температурах выше точки о ( = = у 5 - превращения получается газонасыщенный слой, со­ стоящий из двух участков.

Первый участок, имеющий сравнительно небольшую глубину,при­ мыкает непосредственно к-поверхности раздела металл-окалина.Он имеет высокое содержание кислорода и очень большую твердость.

Этот участок получается в результате растворения кислорода в титане.

Второй участок, имеющий значительно большую глубину, дости­ гающую при высоких температурах и длительных выдержках несколь­ ких миллиметров, характеризуется низким содержанием кислорода и невысокой твердостью. Он получается в результате растворения кислорода в oL-титане.

В работе (4] также была установлена зависимость параметров газонасыщенного слоя от температуры нагрева при окислении.

коэффициентов должно проводиться наиболее точными методами. Способ послойного определения микротвердости авторы работы [ 7] считают недостаточно точным и рекомендуют пользоваться для оп­ ределения коэффициентов диффузии методом рентгеноструктурного

тельно, в пределах от 4,68 до 4,81 А . Это позволяет достигать высокой точности определения содержания кислорода в титане, а следовательно получать достоверные значения коэффициентов диф­ фузии .

В работе [8J было установлено, что распределение твердости по глубине газонасыщенного слоя двухфазного сплава титана с 4% хрома в основном подчиняется логарифмическому закону. Авторы этой работы по характеру распределения концентраций примесей по слою путем математических и графических преобразований уста­ новили идентичность зависимостей распределения концентраций и твердости по глубине газонасыщенного слоя. При этом показана возможность простого приближенного экспериментального определе­ ния коэффициента диффузии примесей по глубине газонасыщенно го слоя и по продолжительности выдержки сплава при данной темпе­ ратуре.

25

В работе [э ] отвечается возможность образования газонасы­ щенного слоя на титане даже при отжиге в вакууме. Это происхо­ дит за счет растворения в титане ранее образовавшейся окисной пленки. Вместе с тем при длительном отжиге в вакууме, как по­ казано в работе [io ], происходит образование своеобразного из­ мененного слоя, который не является газонасыщенныы, а характе­ ризуется уменьшением содержания в нем титана и увеличением коли­ чества некоторых легирующих элементов и примесей. Такой слой образуется, видимо, за счет испарения титана.

Вопросу влияния газонасыщенного слоя на совйства титановых сплавов и деталей из них посвящено несколько работ [ п , 12 , 1 3 ].

Постановка задачи

В настоящей работе на основе анализа литературных данных о влиянии газонасыщения на структуру и свойства титановых спла­ вов была поставлена задача по исследованию структуры и твердо­ сти газонасыщенного слоя сплава ВТ5 и по установлению влияния этого слоя на механические свойства исследованного сплава при обычной и повышенной температуре.

Материалы, образцы и методика исследования

Для исследования был выбран титановый сплав марки ВТ5, со­ держащий 4,87% алюминия, 0,03$ углерода, 0,09$ кремния и 0,18$ железа. Этот сплав относится к группе однофазных и имеет струк­ туру твердого раствора d .

Образцы для испытаний изготавливались из штанги диаметром 40 мм. Сначала штанга разрезалась по длине на заготовки 140 и 120 мм. Затем проводилась предварительная термическая обра­ ботка заготовки, состоящая в .нагреве материала до температуры 900°, выдержке в течение 40 мин и охлаждении на воздухе.

Для предварительной термической обработки заготовки разме­ щались на железном поддоне. При окончательной термической об­ работке образцы подвешивались на специальной стойке, в резуль­ тате чего получали возможность омываться воздухом равномерно со BGex сторон. В процессе термической обработки на материале образуется слой, окалины желто-белого цвета.

26

После термической обработки каждая заготовка разрезалась на 4 сектора. Из половины общего числа полученных секторов были изготовлены образцы для испытания на растяжение, жаропрочность и удар. Эскизы образцов представлены на рис.1.

Рис.1. Эскизы образцов для испытаний на растяжение ( а ) , жаро­ прочность (б ) и удар (в )

Вторая половина секторов была подвергнута термической об­ работке по режимам: температура 800, 900, 1000, 1100, выдержка 0 ,5 , I , 2, 5 час, охлаждение на воздухе. С целью получения га­ зонасыщенного слоя при сравнительно низких температурах образ­ цы, полученные из секторов, прошедших предварительную термооб­ работку, были подвергнуты газонасыщению при 600 и 700° в тече­ ние 0,5 2 и 5 час.

Испытание на растяжение было выполнено на машине ИМ-4А. Оценка жаропрочности проведена по данным обычных механических испытаний на машине ВП-IOI при температуре 600°.

Испытания на удар выполнены на маятниковом копре, имеющем максимальный запас энергии 15 кгм.

Твердость по Бринеллю определялась на ударных образцах.При этом для получения четких отпечатков образцы со слоем подвер­ гались местному травлению в реактиве состава: соляной кислоты -

27

%

300 мл/л» азотной кислоты 55 ид/л и плавиковой кислоты 40 г /л . Слой стравливался только с краю образца, и зона надреза не за­ трагивалась.

Определение микротвердости газонасыщенного слоя проводилось с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке 50 г . на косых микропшифах, изготовленных из обломков образцов Менаже.

Микроисследование образцов в разных состояниях выполнено с помощью металлографических микроскопов МИМ-7 и МИМ-8. Изготов­ ление микрошлифов проводилось обычным методом. Полировка осуще­ ствлялась с применением окиси хрома. Травление микрошлифов вы­ полнялось в обычном реактиве состава: НГ- I часть, Н1\103 - 3 частит Н20 - 6 частей. При этом травление проводилось сразу после полировки, что обеспечивало получение четкой картины мик­ роструктуры.

Результаты исследований и их анализ

В результате проведенных исследований были получены некото­ рые данные о влиянии газонасыщения на механические свойства и структуру сплава ВТ5.

28

Механические свойства, полученные при испытании образцов без газонасыщенного слоя и со слоек, приведены на рис.2 и 3 .

Анализ приведенных данных показываем, что механические свой­ ства, определенные при обычной температуре, зависят от режима обработки. Так, например, образцы без газонасыщенного слоя име­ ют низкую пластичность после длительной выдержки при температу­ рах 1000° и особенно при 1100°. В образцах с газонасыщенным слоем снижение пластичности наблюдается при температурах нор­ мализации 900, 1000 и 1100°, причем длительнаявыдержка при температуре 1100° делает образцы практически абсолютно хрупки­ ми. В результате длительной выдержки при высоких температурах наблюдается снижение не только пластичности, но и прочности сплава, что может быть объяснено значительной хрупкостью газо­ насыщенного слоя. Ударная вязкость образцов со слоем также

29

ного сечения (рис,5 ) . Вместе с тем газонасыщение при 1000 и 1100° вызывает некоторое повышение сужения поперечного сече­ ния по сравнению с соответствующими данными для образцов без слоя (р и с .4 ). Таким образом, сам по себе отжиг, без газонаеыщения, проводимый при температурах выше 900°, вызывает значи­ тельное снижение пластичности, определяемой при 600°, особен­ но относительного удлинения. Так, например,после отжига в те­ чение 0,5 и 5 час при 900° относительное удлинение сплава ВТ5 примерно одинаково и составляет величины, соответственно 67,6 и 69,6%, а после отжига с теми же выдержками при 1100° эта ха­ рактеристика составляет только 22,8 и 12,8%.

Рис.5 . Механические свойства образцов сплава ВТ5 с газонасы­ щенным слоем при температуре 600° в зависимости от температу­ ры и продолжительности нормализации

Величина сужения поперечного сечения особенно сильно снижа­ ется в результате отжига при 1100°. Отжиг при температурах до 1000° практически не изменяет ее.

Образование газонасыщенного слоя вызывает некоторое уве­ личение предела прочности и предела текучести, определяемых при температуре испытания 600°, особенно при повышенной выдер­ жке в процессе газонасыщения. Вместе с тем газонасыщенный слой существенно уменьшает величину относительного удлинения,при­ чем это наблюдается при всех температурах термообработки и