
книги из ГПНТБ / Свойства титановых сплавов в сложных условиях применения сборник статей
..pdf70
|
ПОКРОВСКАЯ В .Б ., |
инженер-полковник |
ПУЛЬЦИН Н.М., |
|
АЫНУИЛ Н.Р., |
инженер-капитан |
РУДЕНКО В.С. |
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ BTI4, |
BTI6 и BTI5 |
ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ |
|
Исследования титановых сплавов, направленные на создание и освоение высокопрочных и жаропрочных конструкционных листовых
материалов, имеют большое практическое значение. Промышленность уже располагает рядом марок титановых сплавов с пределом проч ности 60-100 кг/мм2. Это сплавы, полученные по преимуществу на основе оL - модификации титана. Повышение характеристик проч ности и жаропрочности их достигается легированием титана элемен тами, стабилизирующими твердый раствор d .
Однако с повышением предела прочности и характеристик жаро прочности в результате легирования существенно снижается пла стичность и сильно затрудняете^ производство листовых полуфабри катов. Поэтому большой практический и научный интерес приобре тает возможность создания таких сплавов, которые в зависимости от состояния оказались бы и пластичными (после отжига) и проч ными (-после упрочняющей термической обработки).
Применяемые и осваиваемые в настоящее время титановые спла вы могут быть условно подразделены на две категории. К первой категории относятся термически не упрочняемые материалы. Это сплавы с оL -структурой, такие, как ВТ5, BT5-I, СТ4, 0T4-I, 0Т4-2 и другие, а также сплавы группы АТ, разработанные лабо раторией И.И.Корнилова.
71
Ко второй категории относятся термически упрочняемые мате риалы. Это сплавы с d +р г структурой и сплавы с р -структу рой. Примером d + р -сплавов являются ВТб, ВТ8, ВИЛ, BTI6 и другие, а р -сплавов - BTI5.
Наибольшее значение из термически упрочняемых имеют сплавы BTI4, BTI6 и BTI5. Они представляют собой высокопластичные дис персионнотвердеющие материалы, которые в отожженном и закален ном состояниях имеют хорошую пластичность, а после старения приобретают высокую прочность и жаропрочность. Эти сплавы раз работаны и осваиваются под руководством доктора технических
наук С.Г.Глазунова. |
|
|
||
Схематическая диаграмма |
|
|||
состояний этих сплавов, пред |
|
|||
ставляющих собой композиции |
|
|||
титана с элементами, стабили |
|
|||
зирующими р |
-фазу приведена |
|
||
(по Джаффе) |
на рис.1. Она поз |
|
||
воляет проанализировать |
фазо |
|
||
вые превращения и охарактери |
|
|||
зовать состояние рассматрива |
|
|||
емых сплавов. По этой диаграм |
|
|||
ме в соответствии с работой |
|
|||
J5] все сплавы, легированные |
Рис.1. Схематическая диаграмма |
|||
р -стабилизаторами, могут |
||||
состояний сплавов титана с у? - |
||||
быть подразделены на три груп |
стабилизаторами: |
|||
пы: I - мартенситные, 2 |
изо-1-мартенситные; 2-изотермиче- |
|||
трпмииРгтГнРгт'яАипт.тР ч - |
ски нестабильные; 3- изотерми- |
|||
термически нестабильные, |
о |
чески стабильные; а-механиче- |
изотермически стабильные.Изоски нестабильные; б-механиче-
термически нестабильные спла- |
с ^ б и л ^ ш ^ Т -и сгак н Г с таб ш ь - |
вы подразделяются на две под- |
ные сплавы |
группы: а - механически нестабильные и б - механически стабиль ные3^ . Изотермически стабильные сплавы также подразделяются на две подгруппы: в - практически стабильные и г - истинно ста бильные.
Сплав BTI4 содержит сравнительно небольшое количество мо либдена и относится к группе мартенситных, т.е при нагреве до температуры р -области и последующем быстром охлаждении он приобретает мартенситное строение. После медленного охлаждения, т .е . в равновесном состоянии сплав BTI4 содержит в основном твердый раствор d и очень небольшое количество сильно обога-
Механически стабильные сплавы не претерпевают фазовых превращений при деформации.
|
|
|
72 |
|
|
|
|
|
|
|
|
ценного молибденом твердо |
|||||
|
|
|
го раствора |
р . |
|
|
||
|
|
|
При нагреве сплава до |
|||||
|
|
|
температур, лежащих значи |
|||||
|
|
|
тельно |
ниже точки |
превраще |
|||
|
|
|
ния |
<t+p=?zp, |
и последую |
|||
|
|
|
щем быстром охлаждении мож |
|||||
|
|
|
но зафиксировать |
метастабиль- |
||||
|
|
|
ную фазу р . |
С увеличением |
||||
|
|
|
температуры |
нагрева |
количе |
|||
|
|
|
ство |
р |
-фазы увеличивается, |
|||
|
|
|
а стабильность ее уменьша- |
|||||
Содержание стабилизаторов,^ ется> |
так как снияаегся кон_ |
|||||||
|
|
|
центрация молибдена |
(ри с.2 ). |
||||
Рис.2 . Схема, иллюстрирующая умень-^ак » |
напРимеР> если |
ПРИ на“ |
||||||
шение стабильности р |
-фазы |
|
при греве |
сплава BTI4 до темпе- |
||||
повышении температуры |
закалки |
ратуры |
а |
|
|
___ |
||
г |
|
|
tf р |
-фаза имеет кон |
||||
|
|
|
центрацию Rj и является прак |
|||||
тически стабильной, то при температуре |
t2 она имеет концен |
|||||||
трацию Kg и является механически стабильной, а при температу |
||||||||
ре t} эта фаза механически |
нестабильна, |
так как концентрация |
||||||
ее падает до значения Kg. |
|
|
|
dL + р=я==р- пре |
||||
При температуре, |
соответствующей лунии |
|||||||
вращения твердый раствор р |
настолько обедняется молибденом, |
что при быстром охлаждении он не фиксируется и превращается в твердый раствор мартенситного типа.
Упрочняющая термическая обработка двухфазных титановых
сплавов |
со структурой d + р |
имеет большое практическое зна |
чение. |
Благодаря ее применению достигается улучшение комплек |
|
с а эксплуатационных свойств |
этих материалов. Особенно значи |
тельным оказывается влияние термической обработки на механиче ские свойства высокопрочных сплавов типа BTI4, у которых в ре зультате закалки и старения предел прочности может быть увели чен в полтора р аза.
Режимы упрочняющей термической обработки высокопрочных оL+p -сплавов разработаны [р] и используются на практике. Так, например, для сплава BTI4 оптимальным режимом термической обработки является закалка 860-880°, выдержка 15 мин, охлажде ние в: воде и старение при 480-500° в течение 12-16 час. Если после отжига сплав BTI4 имеет предел прочности 90-95 кг/мм^ и
73
относительное удлинение I5-I8J8, то после закалки и старения предел прочности его повышается до I 20-140 кг/мм^, а относи тельное удлинение снижается до 7-12^.
Поведение сплава BTI4 при упрочняющей термической обра ботке определяется изменением состава и стабильности р - фазы в процессе нагрева. При этом структурные превращения оказыва ются весьма сложными.
Как было сказано выше, с повышением температуры сплава
содержание молибдена в |
р |
-фазе уменьшается и стабильность ее |
падает вплоть до того, |
что |
эта фаза при закалке не фиксирует |
ся и превращается в |
d ' -фазу. Вместе с тем при повышении |
|
температуры количество |
р |
-фазы увеличивается, а следователь |
но возрастает и количество |
(Х'-фазы. Таким образом, механиче |
ские свойства, определяемые структурой сплава после закалки, будут зависеть от нескольких факторов.
Наилучший комплекс механических свойств сплав BTI4 приоб
ретает в |
результате |
закалки его с |
температуры |
d |
+ р |
-области. |
||
При этом |
получается |
структура d |
+ о(? |
+ р . |
Эта структура |
|||
изменяется при последующем старении, |
в |
результате |
которого |
|||||
фаза мартенситного |
типа dJ распадается |
по реакции: |
df—^d+p, |
а твердый раствор р , обедненный молибденом и термически не стабильный, тоже претерпевает превращение
где рп- первоначальная фиксированная при закалке обедненная
р |
-ф аза; |
|
|
|
|
|
ро - |
обогащенная |
фаза р , |
образовавшаяся в |
результа |
||
|
те выделения |
твердого |
раствора d |
из |
фазы рп |
; |
рр- |
равновесная |
при данной |
температуре |
старения р |
- |
|
|
фаза. |
|
|
|
|
|
В результате указанных превращений наблюдается существен ное упрочнение закаленного сплава, объясняемое образованием структуры с мелкодисперсными включениями d -фазы.
Влияние термической обработки на механические свойства
сплава BTI4 было исследовано в работе [2] . |
По данным работы |
при повышении температуры закалки наблюдается |
значительное |
увеличение предела прочности, достигающего максимальной вели чины при 900°, когда сплав содержит наибольшее количество фа зы d . Закалка с температуры выше оптимальной приводит к зна чительному укрупнению зерна, получению крупноигольчатого мар
74
тенсита и сильному снижению свойств прочности и пластичности материала.
Графики, приведенные на рис.З, показывают, что уменьшение скорости охлаждения, т .е . переход от закалки к нормализации и далее к отжигу, сопровождается понижением прочности и повыше нием пластичности, особенно в результате термообработки при температурах выше 800°. На структуру и механические свойства
Рис.З. Изменение предела прочности |
(1 ,2 ,3 ) |
и относительного |
|||
удлинения (4 ,5 ,6 ) |
сплава |
BTI4 при |
закалке |
(1 ,4 ), |
нормализа |
ции (2 ,5 ) и отжиге |
(3 ,6 ) |
в зависимости от |
температуры. |
||
сплава после закалки оказывает влияние его предварительная |
|||||
обработка. Так, например, если сплав BTI4 |
подвергать перед |
||||
закалкой отжигу при температурах до 900°, |
тощего |
механические |
свойства оказываются достаточно высокими. Отжиг того же сплава при температурах выше 900° приводит к сильному снижению свой
ств |
прочности и пластичности |
после закалки (ри с.4 ). |
Вместе с |
тем, |
как было показано ранее |
(см .ри с.З ), сам по себе |
высоко |
температурный отжиг не вызывает.существенного снижения меха нических свойств. В процессе старения закаленного сплава про исходят существенные изменения структуры, состоящие в превра щении твердого раствора fi и мартенсита.
Структурные превращения при старении приводят к значитель ным изменениям механических свойств сплава, которые могут быть проиллюстрированы общеизвестной схемой (ри с.5 ) . На этой схеме
|
75 |
|
|
|
температура |
старения ti меньше t2> |
|
|
|
которая в свою очередь меньше t3 . |
CD |
<§> |
||
Оптимальным |
по длительности старе |
|||
|
|
ния и достигаемому эффекту упроч
нения следует считать процесс,про
водимый при температуре tt . В этом
случае за сравнительно короткое
время достигается высокая прочность,
а процесс разупрочнения при пере-
старивании протекает очень медлен
но.
По данным работы [ g j нами co- |
Температура отжига, °С |
||||||||
|
|
|
|
||||||
ставлена |
табл.1, |
наглядно иллюстри |
|
|
|
|
|
||
рующая изменение механических |
Рис.4 . Изменение свойств за |
||||||||
каленного сплава BTI4 в за |
|||||||||
свойств |
закаленных с разных |
тем |
висимости от температуры |
|
|||||
предварительного отжига. За |
|||||||||
ператур |
образцов |
сплава BTI4 |
в |
калка при 880°, I час, охлаж |
|||||
дение в воде, старение |
при |
||||||||
процессе старения по разным режи- |
500° в течение 16 час,охлаж |
||||||||
дение |
на воздухе. |
Обозначе |
|||||||
I |
|
|
|
|
ния кривых: |
|
|
||
май. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
1- |
предел прочности, |
кг/мм2; |
||||
Данные таблицы показывают,что |
2-относительное удлинение, |
||||||||
|
|
|
|
3-сужение поперечного сече |
|||||
при всех |
температурах старения |
|
ния, |
% |
|
|
|
||
наибольший эффект упрочнения |
(до 1Щ достигается |
в |
результате |
||||||
|
|
|
|
выдержки в течение 4 час. |
|||||
|
|
|
|
Выдержка в течение 8 и тем |
|||||
|
|
|
|
более |
16 час |
приводит |
к |
|
|
|
|
|
|
меньшему упрочнению, а в |
|
||||
|
|
|
|
рядеуслучаев |
вызывает даже |
||||
|
|
|
|
разупрочнение |
закаленных |
|
|||
|
|
|
|
образцов. При температурах |
|||||
Рис.5. Схема изменения прочности |
за -стаРения 500 |
и |
525 |
об |
|||||
каленного сплава в процессе старения |
закаленные с |
880°, |
|||||||
при разных |
температурах |
раацы, |
|
^ |
и |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
I |
|
Механические свойства сплава BTI4 после |
закалки и старения по различным режимам |
|
|||||||||
|
|
|
|
Закалка при |
850° |
и |
старение |
|
|
|
|
Свойства |
{>68 |
при |
475° в |
течение, |
500° |
в течение, |
525° |
в течение, |
час |
||
|
старе- |
|
час |
|
|
|
час |
|
|
|
|
|
НИН |
4 |
8 |
« |
16 |
4 |
8 |
16 |
4 |
8 |
16 |
|
|
||||||||||
Предел прочности, кг/мм^ |
115 ’ |
124 |
122 |
|
121 |
123 |
117 |
116 |
115 |
И З |
106 |
Относительное удлинение, $ |
I I |
10 |
8 |
|
I I |
I I |
12 |
12 |
13 |
15 |
15 |
Закалка при 880° и старение по тем же режимам |
|
|
|
||||||||
Предел прочности, кг/мм^ |
126 |
129 |
128 |
|
126 |
125 |
124 |
122 |
120 |
I I 2 |
112 |
Относительное удлинение,# |
I I |
10 |
10 |
|
9 |
II |
Ю |
12 |
I ? |
13 |
13 |
|
Закалка при 900° и старение по тем же режимам |
|
|
|
|||||||
Предел прочности, кг/мм* |
131 |
145 |
142 |
|
138 |
139 |
141 |
135 |
135 |
133 |
131 |
Относительное удлинение,# |
3 |
10 |
9 |
|
9 |
10 |
10 |
10 |
10 |
I I |
12 |
-з <г>
|
7? |
|
претерпевают |
разупрочнение даже |
при выдержке в тече |
ние 4 час. |
|
|
|
Задачи и методика исследования |
|
В работе |
была поставлена задача исследования микрострук |
туры сплавов, подвергнутых термической обработке с разных тем ператур и при различных условиях охлаждения, а также исследо вания характера изменения микроструктуры закаленных сплавов в результате старения. Кроме того, было намечено исследовать
структуру и микротвердость газонасыщенного слоя, получающегося в результате нагрева сплавов при термической обработке, и уста новить повторяемость данных твердости, получаемых различными методами.
Образцы для исследования вырезались из листов сплава BTI4 толщиной 2,5 мм, сплава BTI6 толщиной 5 мм и сплава BTI5 тол щиной 3 мм. При металлографическом анализе был применен метод обычного травления, а при исследовании структуры сплава BTI4 была предпринята попытка применить метод цветного травления.
При исследовании сплава ВТ14 применены образцы размером 25 х 25 мм. Первоначально они подвергались исследованию в ис ходном состоянии, т .е . после прокатки и отжига. Однако при металлографическом исследовании была обнаружена настолько мел козернистая структура, что детали ее было трудно различить да же при увеличении в 1000 р аз. Поэтому было принято решение укрупнить зерно с помощью специальной обработки - многоступен чатого изотермического отжига по режиму: 950° 30 мин, далее
900, 850, 880, 820, 880, 820, 780, 740, 700° по I часу при каждой температуре, охлаждение после выдержки при 700° прово дилось вместе с печью.
После такого циклического многоступенчатого отжига струк тура образцов была щ>упнозернистой, удобной для исследования. Однако даже при крупнозернистой структуре метод цветного трав
ления |
не дал ожидаемого |
разделения фаз |
и оказался непримени |
|
мым для качественного фазового анализа |
микроструктуры, что |
|||
может быть |
объяснено незначительной разницей в окислении oL |
|||
и р |
-фаз, |
легированных |
молибденом. |
|
Отжиг |
сплава BTI6 |
не дал эффекта укрупнения зерна. Сплав |
78
BTI5 этому отжигу не подвергался, так как имел крупнозернистую исходную структуру, вполне удобную для изучения.
Далее образцы подвергались обработке по режимам, предусмот ренным программой исследования для каждого сплава. Для иссле
дования микростроения и замера твердости и микротвердости |
об |
разцы после термической обработки разрезались пополам; по |
по |
верхности среза изготавливался микрошлиф, обязательно в залив ке с плоскопараллельными сторонами, обеспечивающей хорошие ре зультаты при замере твердости на приборе Виккерса.
После замера твердости и микротвердости образцы выплавля лись из заливки и подготавливались для микроисследования. С этой целью было опробовано электрохимическое полирование, од нако должных результатов при этом получено не было, так как одновременно с полировкой идет процесс травления микрошлифа. При этом к моменту получения удовлетворительной полированной поверхности Травление становится очень глубоким и искажает кар тину микростроения сплава.
Для выявления микроструктуры в работе применен метод обыч ного химического травления. С этой целью было опробовано не сколько реактивов. Наилучшим оказался универсальный травитель состава: I в .ч . плавиковой кислоты, 3 в .ч азотной кислоты и
6 в .ч . воды. Время травления этим реактивом различных образ цов при комнатной температуре должно быть строго определенным.
Так, например, сплавы, охлажденные с температур |
оС + р |
-обла |
сти, должны травиться в течение 3 сек, а из р |
-области |
- в |
течение 20 сек. |
|
|
Микроисследование проводилось на микроскопе МИМ-7 при уве личениях 70, 450 и 1350 р аз.
Для определения глубины газонасыщенного слоя применен ме тод замера микротвердости на косых микрошлифах с помощью при бора ПМТ-3.
Результаты исследований и их анализ
Полученные результаты рассматриваются по каждому из иссле дованных сплавов в отдельности. Результаты исследования газо насыщенного слоя выделены в самостоятельный раздел.
Сплав BTI4. После предварительной обработки на крупное зерно образцы этого сплава были обработаны по основным режи-
79
май исследования. Одна партия образцов была подвергнута закалке
с температур 700, 750, 800, 850, |
900 и 950° без |
старения, |
дру |
гая - закалке с тех же температур |
и старению при |
475° в |
тече |
ние 4 час, третья - нормализации с тех же температур, что |
и для |
||
закалки, и четвертая партия отжигу при температурах 850, |
900 и |
||
950°. Продолжительность выдержки при нагреве под |
закалку, |
нор |
мализацию и отжиг составляет 15 мин.
На р и с .б ,7,8 и 9 представлены результаты испытаний терми чески обработанных образцов сплава BTI4 на твердость различны ми методами и на микротвердостьх ^.
Анализ приведенных результатов позволяет сделать прежде всего важный методический вывод об идентичности значений твер дости титановых сплавов, полученных различными методами, и от метить, что твердость титанового сплава BTI4 является устойчи вой характеристикой, почти не зависящей от метода замера. Это дает возможность в дальнейшем с большим основанием и уверен ностью использовать характеристики твердости, полученные раз личными методами, для оценки состояния и свойств титановых сплавов.
На рис.6 приведены графики зависимости твердости сплава BTI4 от температуры термической обработки при отжиге и норма лизации. Увеличение твердости при повышении температуры терми ческой обработки может быть объяснено изменением соотношения количеств фаз. Более высокая твердость нормализованного сплава по сравнению с отожженным наблюдается, видимо, вследствие зна чительной нестабильности структуры после охлаждения на возду х е .
Графики зависимости твердости от температуры закалки ис следованного сплава приведены на рис.7 . Они также показывают значительное повышение твердости при увеличении температуры термической обработки. Причина этого заключается в изменении соотношения количеств фаз. Значительное увеличение твердости наблюдается в результате применения старения закаленного спла ва.
Зависимость микротвердости отдельных фаз сплава от темпе ратуры закалки представлена на рис.8 и 9 и в табл.2 . Как и следовало ожидать, микротвердость о( -фазы на краю образца,
Определение твердости и микротвердости выполнено Е.А.Бо
дровой.