Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
101
ную пластичность из-за ограниченного количества систем сколь-
жения. Титан, как и Zr, представляет исключение из этого правила
вследствие благоприятного соотношения параметров кристалличе-
ской решетки (
с/а ≈ 1,59). Титан пластически деформируется
скольжением
({1
100}<1120>, {0001}<1120>, {1101}<1120>) и двойникованием.
Типичные значения механических характеристик Ti:
σ
в
= 300÷700 МПа, σ
0,2
= 180÷330 МПа, δ = 20÷46 %, ψ = 69÷75 %,
а
к
= 50÷150 кДж/м
2
. Титан имеет малое деформационное упрочне-
ние, а в интервале температур 200−400
°С проявляет склонность к
деформационному старению. С ростом температуры пластичность
Ti падает, и при 500
°С наблюдается минимум δ, обусловленный
особенностями пластической деформации.
Особо необходимо указать на возможность
водородного охруп-
чивания
титана. Известно несколько механизмов водородного
охрупчивания при комнатной температуре. В одном случае хруп-
кое разрушение обусловлено локализацией пластической деформа-
ции под действием водорода. В другом случае разрушение титана
следует за разрушением хрупких гидридов в процессе пластиче-
ской деформации. Первый механизм предпочтительнее, когда дей-
ствуют большие напряжения, а второй
− в случае малых напряже-
ний. Следует отметить, что при малых напряжениях идет ускорен-
ное образование гидридов.
Опасность водородной хрупкости накладывает ограничения на
содержание водорода, которое в техническом Ti не должно превы-
шать 0,008
−0,012 %. В то же время при горячей обработке исполь-
зуют эффект водородного пластифицирования титана, проявляю-
щийся в снижении σ
0,2
и повышении δ и ψ (табл. 23.23).
Таблица 23.23
Механические свойства титана технической чистоты с различным
содержанием водорода
Н
2
, %
σ
0,2
,
МПа
δ, % ψ, %
Н
2
, %
σ
0,2
,
МПа
δ, % ψ, %
0,005 102/37 11/78 71/94 0,2 74/15 20/44 87/99
0,1 85/21 34/55 86/94 0,3 68/13 16/55 95/99
Примечание: В числителе приведены значения механических свойств при тем-
пературе испытания 600 °С, в знаменателе − при 800 °С.
102
23.4.2. Взаимодействие титана с легирующими элементами
Типичные виды начальных участков диаграмм состояния двой-
ных сплавов титана по данным Б.Б. Гуляева представлены на
рис. 23.25. Характерным для диаграмм является наличие двух яру-
сов из-за наличия α- и β-фаз титана. В β-Ti девять элементов обра-
зуют непрерывные твердые растворы, причем Nb, Mo, Та и W −
неограниченные, a Sc, V, Cr, Zr, Hf − катотектические. Ограничен-
но растворимы (α > 1 %) в α-Ti 28 химических элементов, а в
β-Ti − 45 элементов; 12 элементов образуют нижние перитектики
(из них Mg, Al, Cu, Zn, Bi) и 5 элементов − верхние (Re, Os, О, N,
С); 45 элементов образуют с Ti эвтектики. Таким образом, видно,
что титан − прекрасная основа для легирования и разработки новых
сплавов.
Рис. 23.25. Классификация начальных участков диаграмм состояний
двойных сплавов титана
Если исходить из необходимости разработки прочных сплавов
титана, то условия выбора основных легирующих элементов, по-
видимому, можно записать следующим образом:
α
α-Ti
> 0,2; k
r
> 0,7.
Здесь критерий распределения легирующего элемента k
r
отнесен
к β-Ti, так как эта фаза кристаллизуется из жидкого состояния, при
103
переходе из которого развивается химическая неоднородность со-
става.
Критерием выбора основных легирующих элементов соответ-
ствуют Al, V, Cr, Mn, Fe, Zr, Nb, Mo и Sn. Значения α и k
r
для этих
элементов представлены в табл. 23.23.
Минимальные значения критерия термообработки
1
γ
α-Ti
указы-
вают на наиболее эффективные легирующие добавки с точки зре-
ния применения термообработки (V, Mo, Nb, Cr, Fe).
Таблица 23.24
Значения критериев α, k
r
, γ для основных легирующих добавок в титане
Характерис-
тика
Zr Al Sn Nb V Mo Mn Cr Fe
α
α-Tl
50 17 9,5 5 5 2 0,65 0,50 0,2
k
rβ-Ti
1 0,91 0,89 1 1 1 0,77 1
0,76
γ
α-Ti
1 0,400 1,05 0,057 0,080 0,063 0,240 0,037 0,015
Титановые сплавы малочувствительны к скорости затвердева-
ния из расплава, и поэтому их трудно модифицировать. Тем не ме-
нее, наиболее эффективным измельчителем титана является бор,
коэффициент распределения которого в β-Ti составляет k
r
= 0,25.
Наиболее вредными элементами для титана считают С, N, О и
Н, хотя, как видно из рис. 23.25, С, N и О образуют верхние пери-
тектики на обоих ярусах диаграмм и имеют k
r
> 1. В этом случае,
как известно, не следовало бы ожидать ухудшения пластичности
титана. К числу вредных относят Y, Се, Са, Sr, P, S, Se и некоторые
другие элементы.
При выборе комплекса легирующих элементов важной является
их взаимная растворимость между собой и растворимость в титане.
Эти данные приведены в табл. 23.25, из которых видно, что наибо-
лее значительной взаимной растворимостью обладают Ti, Zr, Nb,
V, Mo и Мn.
Из анализа диаграмм состояния двойных систем Ti с легирую-
щими элементами (см. рис. 23.24) видно, что некоторые элементы
1
Физическое материаловедение. − М.: МИФИ, 2021. Т. 5. П. 16.2.3.
104
(Al, Ga, Ce, La, С, О, N) повышают температуру (α β)-фазового
перехода, расширяют концентрационную область существования
α-Ti и относятся к группе α-стабилизаторов.
Таблица 23.25
Взаимная растворимость элементов, %
Элемент Zr Al Sn Nb V Mo Mn
β
-Ti
100 48,3 16 100 72 100 30
α-Ti
50 17 9,5 5 5 2 0,65
Zr 100 26 17 100 16,5 21 10,2
Al 0,28 100
1,5 ⋅ l0
–2
6,5 ⋅ 10
–2
0,2 0,07 0,85
Sn
3 ⋅ 10
–3
1,8 100
1,8 ⋅ 10
–3
3,5 ⋅ 10
–3
1,4 ⋅ 10
–4
5,5 ⋅ 10
–4
Nb 100 23 11 100 100 100
−
V 7 10 5 100 100 100 100
Mo 4 18 0,1 100 100 100 30
Mn 1,25 35 8 2,4 100 30 100
Другая часть элементов
понижает температуру (α
β)-превращения и расширя-
ет область существования
β-Ti. Это β-стабилизаторы:
Мо, V, Nb, Zr, Mn и другие
элементы.
Основные легирующие
элементы, вводимые в Ti, вы-
зывают повышение его проч-
ности (рис. 23.26) и жаро-
прочности вследствие твердо-
растворного и дисперсионного
упрочнения. Кроме того, алю-
миний улучшает удельную
прочность и модуль упруго-
сти, уменьшает склонность Ti
Рис. 23.26. Влияние легирующих
элементов на прочность (а) и пластич-
ность (б) титана (А.Ф. Белов)
105
к водородному охрупчиванию. Образуя с титаном интерметаллиды
Т1
3
Al (α
2
-фаза), TiAl и TiAl
3
, алюминий позволяет в широких пре-
делах изменять прочность. Однако вследствие существенного сни-
жения пластичности содержание в Ti алюминия ограничивают 7 %
(рис. 23.26,б).
Элементы Sn и Zr понижают склонность Ti к хладноломкости,
улучшают его свариваемость, увеличивают прочность и жаропроч-
ность при низких и средних температурах, повышают термическую
стабильность. Олово используют совместно с Al для укрупнения
охрупчивающей фазы α
2
-Ti
3
Al и повышения пластичности сплава.
Ниобий совместно с титаном образует сверхпроводящий сплав,
используемый для реальных технических целей.
23.4.3. Классификация и структура сплавов титана
Анализ взаимодействия легирующих элементов с титаном (см.
рис. 23.25) показывает большие возможности для разработки раз-
личных сплавов на основе титана. Это связано с наличием широких
областей растворимости легирующих элементов в Ti и существо-
ванием двух его аллотропических модификаций.
Выбирая соответствующие легирующие элементы, можно полу-
чить однофазные (α или β) или двухфазные (α + β) сплавы титана.
Типичные микроструктуры α-, (α + β)- и β-сплавов титана пред-
ставлены на рис. 23.27. Фазу β можно фиксировать при комнатной
температуре, легируя титан β-стабилизаторами. Значения критиче-
ских концентраций легирующих элементов, позволяющих фикси-
ровать так называемый титановый аустенит (β-фазу) при комнат-
ной температуре, представлены в табл. 23.26.
Важно подчеркнуть, что для фиксации β-фазы при комнатной
температуре в Ti необходимо ввести такое количество легирующей
добавки, чтобы электронная концентрация сплава была равна
4,1−4,3 эл/ат.
Классификацию сплавов Ti осуществляют исходя из соотноше-
ния в структуре α- и β-фаз.
Сплавы с α-структурой. Как правило, α-фазные сплавы имеют
структуру твердого раствора (см. рис. 23.27,а) и не упрочняются
термической обработкой.
106
Рис. 23.27. типичные микроструктуры α-, (α + β)- и β-сплавов титана:
а − равновесная α-фаза в нелегированном титане, отожженном при 700 °С в тече-
ние 1 ч; б − равновесная (α + β)-структура; в − игольчатая (α + β)-структура спла-
ва Ni − 6Al − 4V; г − равновесная β-структура в сплаве Ti − 13V − 11Cr − 3Al
(Е.В. Коллингз)
Таблица 23.26
Критические концентрации легирующих элементов в Ti для фиксации
при комнатной температуре β-структуры
Легирующий
элемент
Критические концентрации
Массовая, % Атомная, % Электронная, эл/ат
Fe
4−5,7 4,5−4,9
4,2
Мn 5,5 5,0 4,2
Ni
6,9−8,2 5,8−6,8 4,2−4,3
Mo 11 5,8 4,1
V 17 18,4 4,2
Nb 36 23,0 4,2
К этой группе относят Ti технической чистоты, например
ВТ1-00, ВТ1-0; титан, легированный α-стабилизаторами, например
Ti−Al, Ti−Al−Sn, и сплавы титана, легированные небольшими
107
(С
доб
< С
кр
по табл. 23.26) добавками β- и α-стабилизаторов, напри-
мер, системы Ti−Al−Мn, Ti−Al−Sn и др. (табл. 23.27).
Таблица 23.27
Химический состав и механические свойства некоторых α-сплавов титана
Сплав
Содержание элементов, %
Фазовый
состав
Механические
свойства
Al Zr V C Fe Si
σ
в
,
МПа
σ
0,2
,
МПа
δ,
%
ψ
,
%
ПТ-7М 2,3 2,5
−
0,1 0,25 0,12
α-фаза
530 440 22 46
ПТ-3В 4,2
−
2,2 0,1 0,25 0,12
α-фаза +
+ 3,5% β-фазы
725 650 10 24
РК-20
−
20
−
<0,5 <0,2
0,1 615 560 29 66
Микроструктура α-сплавов зависит от вида и количества леги-
рующих добавок и скорости охлаждения. При медленном охлажде-
нии кристаллиты α-фазы в виде пластин растут в β-матрице (см.
рис. 23.27,г) под контролем диффузионного перераспределения ле-
гирующих элементов между фазами. Поэтому возникают комплек-
сы одинаково ориентированных пластинчатых α-кристаллов, меж-
ду которыми находятся области, обогащенные примесями. Если
содержание β-стабилизирующих примесей (или легирующих эле-
ментов) значительное, то на межпластинчатых границах может
фиксироваться β-фаза и обогащенная β-стабилизаторами α-фаза.
При увеличении скорости охлаждения ширина α-пластин умень-
шается. При закалке в пределах исходного β-зерна возникают мел-
кие мартенситные примеси.
Упрочнение α-сплавов достигается усложнением состава леги-
рующего комплекса, т.е. увеличением числа и количества легиру-
ющих добавок и холодной пластической деформацией.
Прочность α-сплавов титана сравнительно невелика, но зависит
от структурного состояния. Рекристаллизованные сплавы имеют
σ
в
≈ 490÷840 МПа, σ
0,2
≈ 470÷800 МПа, δ ≈ 14÷23 %. В сплавах,
медленно охлажденных из β-области (крупнозернистых),
σ
в
≈ 500÷800 МПа, σ
0,2
≈ 390÷720 МПа, δ ≈ 11÷20 %. Сплавы,
быстро охлажденные из β-области, имеют σ
в
≈ 500÷920 МПа,
108
σ
0,2
≈ 400÷860 МПа, δ ≈ 9,3÷24 %. Свойства быстро охлажденных
из β-области сплавов отличаются от сплавов рекристаллизованных
и медленно охлажденных из β-области более высокими прочност-
ными свойствами и меньшими пластическими. Это связано с тем,
что в сплавах титана β → α-превращение протекает по мартенсит-
ному механизму. Возникающая при этом мартенситоподобная
структура не является пересыщенным твердым раствором, как в
системе Fe−С.
Среди основных групп титановых сплавов (α, α+β, β) α-сплавы
обладают наиболее оптимальным сочетанием коррозионных, физи-
ко-механических, радиационных, технологических и других
свойств:
− высокая коррозионная стойкость в воде и водяном паре до
400 °С;
− достаточные пластичность и ударная вязкость;
− отсутствие хладноломкости в исходном и облученном состоя-
ниях;
− высокая радиационная стойкость в условиях эксплуатации
ЯЭУ;
− стабильность механических свойств при длительных термиче-
ских воздействиях;
− надежная свариваемость в различных толщинах без охрупчи-
вания зоны термического влияния;
−
равнопрочность сварных соединений и основного металла;
− хорошая технологичность при изготовлении полуфабрикатов
(труб, поковок, листов и др.).
Титановые α-сплавы хорошо изучены и широко применяются в
судостроении и судовой атомной энергетике. Химический состав и
механические свойства некоторых α-сплавов титана представлены
в табл. 23.27.
Сплавы с β-структурой. Однофазные β-сплавы можно полу-
чить при значительном легировании титана β-стабилизаторами (см.
табл. 23.26, рис. 23.27,г). Мартенситное превращение в этих спла-
вах не реализуется, тем не менее быстрое охлаждение сплавов
применяют с целью подавления процессов диффузионного распада
β-фазы.
109
Формирование заданной структуры β-сплавов осуществляется
варьированием термической обработки. Нагрев до температуры
780−900 °С с последующим охлаждением на воздухе или в воде
позволяет получить однородный твердый раствор с определенной
микроструктурой. Механические свойства таких сплавов опреде-
ляются однородностью β-твердого раствора и микроструктурой.
Такие сплавы (например, системы Ti−Al−V) отличаются достаточ-
но высокой пластичностью (δ = 15÷25 %, ψ = 70 %) и ударной вяз-
костью (а
к
= 250÷280 кДж/м
2
) и относительно невысокими проч-
ностными характеристиками (σ
0,2
≈ 550÷600 МПа). Характерными
особенностями β-сплавов, обработанных на твердый раствор, яв-
ляются: малый разрыв между значениями σ
в
и σ
0,2
; низкие значения
δ
р
; высокие значения δ, так как деформация протекает и в областях,
соседних зоне образовавшейся шейки; высокие значения ударной
вязкости а
к
.
Механические свойства можно улучшить, получая заданную
микроструктуру сложной термообработкой, состоящей из закалки
и последующего одно- и двухступенчатого старения. В этом случае
прочностные свойства определяются природой β-твердого раство-
ра, дисперсностью и равномерностью распределения продуктов
распада этого раствора и будут выше по сравнению с приведенны-
ми в табл. 23.28 цифрами.
Таблица 23.28
Механические свойства β-сплавов титана
Марка
сплава
Легирующий состав,
%
Термооб-
работка
Механические свойства
σ
в
, МПа
δ, %
ψ
, %
а
к
, кДж/м
2
ВТ15
3Al−7Мо−11Сr
Закалка
Закалка и
старение
880−1020
350−1500
12−25
4
35−55
−
50−100
−
ТС6
3Al−5Mo−6V−11Cr
Закалка и
старение
1400−1500
4
− −
ИВТ-1
3Al−7Мо−5,5Cr−3Fe
Закалка и
старение
1400−1700 1−10 11−22
−
4201 30Mo Отжиг 820 18
− −
Из практики создания титановых сплавов (см. рис. 23.26) и дан-
ных табл. 23.28 известно, что легирование хромом можно считать
110
наиболее целесообразным для повышения прочности. Но необхо-
димо учитывать возможность образования интерметаллида TiCr
2
,
вызывающего снижение пластичности. Образование интерметал-
лида можно замедлить добавками V и Мо.
В том случае, когда требуются высокие значения ударной вязко-
сти и пластичности, рекомендуют применять β-сплавы в закален-
ном состоянии при исключении длительных нагревов выше темпе-
ратур 350−400 °С. Для получения высокой прочности (до
1500 МПа) рекомендуют закалку и старение в интервале темпера-
тур 480−520 °С. При этом необходимо помнить, что пластичность
снизится (δ ≈ 3÷5 %).
Механические свойства сварных соединений из β-сплавов с
контролируемым уровнем примесей находятся на уровне свойств
самого сплава, но при старении с целью повышения прочности мо-
жет произойти охрупчивание металла шва и околошовной зоны.
Двухфазные (α + β)-сплавы титана. Структура двухфазных
многокомпонентных сплавов титана зависит от степени легирова-
ния и термической обработки, определяющих состояние каждого
из α- и β-твердых растворов (см. рис. 23.27,б,в). Наиболее распро-
страненной термообработкой является закалка и последующее ста-
рение. При старении прочность сплава повышается за счет частич-
ного распада β-фазы и выделения β-стабилизаторов из α-фазы. Для
обработки двухфазных сплавов применяют отжиги первого и вто-
рого рода, основанные на фазовой перекристаллизации, а также
изотермический отжиг для обеспечения термической стабильности
и длительной прочности в процессе эксплуатации. В (α+β)-сплавах,
например системы Ti−Al−V, могут существовать и третьи фазы,
часто в виде приграничных образований.
К двухфазным относятся и некоторые α-титановые сплавы, в
которых после закалки и старения выделяется дисперсный ин-
терметаллид.
Механические свойства (α+β)-сплавов зависят от состава и тер-
мической обработки. В отожженном состоянии предел прочности
сплавов систем Ti−Al−V составляет σ
в
= 850÷1100 МПа при δ =
= 8÷12 %; для систем Ti−Al−Mo−Cr−Si−Fe σ
в
= 1050÷1250 МПа при
δ = 8÷20 %. В закаленном и состаренном состояниях сплавы раз-
личного состава имеют σ
в
= 1150÷1550 МПа при δ = 5÷8 %.
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)