ill-

n о. Яг

S . о га ю <и О) Си ч

- Во

го ю

§

о н ю га

Ч га I-, с с га

< L

о а. с

I Я. го

ГО (>J

I со

- со со

I CD

f-. coco со

о о о

.4 га

Й й Р

Й ь g

в связи с этим в настоящей книге будут рассмотрены лишь основные фарторы, которые необходимо учитывать конструктору при выборе сплава по справочным данным: содержание примесей в сплаве и габариты полуфабриката (точнее, тип структуры, определяемой габаритами полуфабриката).

В техническом титане и в сплавах на его основе всегда присутствуют в виде примесей такие элементы, как О, С, N, Fe, Si, Н. Влияние кислорода отчетливо видно на примере американского сплава Ti-5А1-2,5Sn (табл. 18), где снижение содержания кислорода от 0,15% до 0,08-0,09% приводит к повышению относительного удлинения на 2-

Таблица 19. Влияние кремния на ударную вязкость сплаврв Ti-6AI-5Zr-1,5V и Ti-6А1-1,5V

5% при одновременном снижении прочностных свойств на 10- 15 кгс/мм.

Характер и степень влияния примесей во многом определяются и химическим составом сплава. Добавление легирующего элемента может значительно сокращать предел растворимости примесных элементов в а-фазе титана. Кроме того, легирующие элементы, обладающие большей химической активностью, чем титан, могут образовывать с примесями прочное химическое соединение. И в том и в другом случае отмечается весьма существенное понижение пластичности и вязкости сплава. Примером различной чувствительности сплавов разной легированности к воздействию примесей может служить приведенное в табл. 19 изменение величины ударной вязкости сплавов Ti-6AI-1,5V и Ti-6А1-1,5V-5Zr в зависимости от содержания кремния. Влияние качества структуры полуфабриката, определяемой условиями его термопластической деформации и габаритами, было рассмотрено в предыдущих разделах. В соответствии с изложенным при выборе сплава по справочным данным необходимо учитывать, что приведенные значения механических свойств сплава относятся, как правило, лишь к определенному виду полуфабриката после вполне определенной термической обработки. При изготовлении полуфабриката другого типа и других размеров можно получить комплекс свойств, существенно отличающийся от справочных данных.

В качестве примера ниже приводятся механические свойства кованого прутка диаметром 14 мм и поковки диаметром 300 мм из сплава ПТ-ЗВ.

<т , кгс/мм=

Пруток Поковка

80,2 75,0

<Т(12 кгс/мм

72,0 65,0

б, % Ф, %

14,0 10,0

43,0 25,0

5 Б. Б. Чечулин и др.

Of, кгс/мм

Нарушение режима термической обработки полуфабриката (перегрев до температур р-области) такл<е может привести к заметному ухудшению механических свойств, которые невозможно исправить за счет последующей дополнительной термообработки.

3. Механические свойства а + р-сплавов

В отличие от а-сплавов титана повышение прочности а -)- р-сплавов может быть достигнуто не только легированием, но и термической обработкой. За счет легирования на а -)- р-сплавах можно получить предел прочности 110-120 кгс/мм при достаточно высокой пластичности (б = 8-т-15%). Такое сочетание

свойств во многих случаях уже оказывается достаточным, чтобы титановые сплавы как конструкционные материалы оказались вне конкуренции по сравнению с другими металлами. Существенное повышение прочности а -f + р-сплавов за счет термообработки (до 130- 155 кгс/мм2) приводит к получению довольно низких значений пластичности (б == 5-6%), что может затруднить реализацию столь высокопрочного состояния. Это является основной причиной того, что значительный объем промышленных а -f р-сплавов используется в термически неупрочненном состоянии. В этом случае комплекс их свойств определяется системой легирования и структурой полуфабриката.

При увеличении содержания Р-стабилизатора происходит увеличение количества р-фазы при существенном измельчении структуры. Указанные факторы и определяют изменение свойств титана при увеличении концентрации Р-стабилизатора.

Большинство промышленных а -f р-сплавов титана кроме р-стабилизаторов содержат алюминий, который преимущественно растворяется в а-фазе и упрочняет ее. При этом воздействие Р-стабилизаторов и алюминия на свойства сплавов определяется как степенью влияния их на свойства а- и р-фаз, так и соотношением фаз в структуре сплава. Влияние Р-стабилизаторов на механические свойства титана и сплавов с основой Ti-6А1 было подробно исследовано в работе [58]. Увеличение содержания р-стабилизи-

О 1 и 6 8 10 Маковая доля Та.-

и 6 8 10 Fe.Cr.Mo.Со,%

Рис. 24. Влияние -р-стабилизаторов на механические свойства титана [58

рующих элементов приводит к существенному возрастанию прочности титана при одновременном понижении величины относительного удлинения (рис. 24). Наиболее сильными упрочнителями являются железо и марганец, затем по мере убывания следуют хром, молибден, ванадий, ниобий и тантал. При исследовании сплавов, содержащих р-стабилизаторы в более широких пределах, было установлено, что кривая зависимости прочности от содержания легирующего элемента имеет максимум. При этом независимо от вида легирования максимум прочности соответствует примерно одинаковому соотношению а- и р-фаз в структуре сплава, т. е. наиболее гетерогенной структуре. Характер влияния р-стабилизаторов на свойства сплава с основой Ti-6А1 в общем аналогичен влиянию их на свойства титана. Различие заключается в том, что максимум по прочности сдвигается в сторону сплавов с большим количеством а-фазы. Прочностные характеристики двухфазных сплавов, содержащих алюминий, при этом существенно выше, чем у сплавов, легированных только р-стабилизаторами (табл. 20).

Таблица 20. Влияние алюминия на механические свойства сплавов с основой Ti-6V и Ti-I2V

Однако увеличение содержания алюминия до 8% приводит к значительному снижению характеристик пластичности и вязкости, особенно при высоком (приближающемся к критическому) содержании р-стабилизатора. В связи с этим в промышленных а -)- р-сплавах концентрация алюминия, как правкло, не превышает 6%. Многокомпонентным легированием а -f Р-сплавов можно достичь большего эффекта в повышении прочностных свойств, чем при

монолегировании. Поэтому большинство промышленных а + р-сплавов кроме алюминия содержат два и более р-стабилизируюш,их элемента.

Благотворное влияние многокомпонентного легирования может сказываться не только в повышении прочностных свойств сплава. Так, в работе [19] показано, что легирование а -f Р-сплавов таким сильным упрочнителем, как хром, целесообразно лишь при одновременном введении изоморфных р-стабилнзаторов, так как они существенно замедляют скорость протекания эвтектоидного распада, предотвращая образование вызывающего охрупчивание интерметаллида TiCrj. По этому принципу был разработан такой высокопрочный сплав, как ВТЗ-1 (5,2-6,ЗА1; 1,5-2,5Сг; 2-ЗМо). Необходимо отметить, что добавление р-стабилизаторов к сплавам системы Ti-А! наряду с повышением прочности приводит и к повышению пластических характеристик у изделий с мелкозернистой структурой. Возрастание характеристик пластичности происходит за счет увеличения сосредоточенной части деформации; величина равномерной части при этом снижается (табл. 21).

Таблица21. Влияние Р-стабилизаторов иа механические свойства сплавов системы Ti-А1 (мелкое зерио)

Однако такое влияние р-стабилизаторов проявляется только на материале с мелкозернистой структурой. Увеличение содержания р-стабилизаторов в сплаве с крупнозернистой, грубопластин-чатой структурой оказывает обратное действие: предельная пластичность сплава уменьшается по мере увеличения содержания Р-стабилизатор а (табл. 22). При этом степень снижения предела текучести и предельной пластичности при переходе от мелкозернистой структуры к крупнозернистой, как правило, возрастает при увеличении содержания р-стабилизатора (усиливается склонность к р-хрупкости ). Таким образом, применение двухфазных сплавов может обеспечить заметный выигрыш в пластичности при 68

равной прочности с однофазными а-сплавами лишь при наличии в них мелкозернистой, хорошо проработанной структуры.

В результате быстрого охлаждения а + Р-сплавов из р-области происходит бездиффузионное мартенситное превращение р -> а (а ). Образование мартенситной структуры сопровождается значительным повышением прочностных и снижением пластических характеристик. По мере увеличения концентрации р-стабилизаторов степень повышения прочности и снижения пластичности возрастает (табл. 22). Сплавы, содержащие р-стабилизирующие элементы в количестве, близком к критической концентрации, после закалки из р-области могут разрушаться хрупко. Поскольку механические свойства образцов, нагретых до р-области и охлажденных с различной скоростью, могут приближенно характеризовать изменение свойств околошовной зоны термического влияния при сварке, из изложенного следует, что у большинства двухфазных сплавов титана можно ожидать существенного понижения пластичности как при охлаждении после сварки с большими скоростями - вследствие образования мартенситных структур, так и при замедленном охлаждении- вследствие развития процессов р-хрупкости . В силу этого большинство а j- р-сплавов титана являются или несвариваемыми, или обладают ограниченной свариваемостью. Изменение свойств околошовной зоны и зоны термического влия- ния (ЗТВ) при сварке двухфазных сплавов различных составов было подробно исследовано в работе М. X. Шоршорова [104]. Автором было показано, что почти для

&

>, с

&

га о.

>

а> &

&

ч \о га Н

га га

го со сп rf-

со cq

ro 8

- ro о о

CO CO CO

ro Ю ro

CO 0 CD ro CD

o CO ro

CD t~- 1

О CD t- 00 00

CD 00 CO CO CO *

1Л 1Л oo CO t--

CO < 00