Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
97 3.2.Промышленныетитановыесплавы этого размеры колоний отожженного и исходного сплава одинаковы, увеличивается лишь толщина α‑пластин. При ускорении охлаждения из области фаза может выделяться в прослойках фазы в виде пластин, размер которых уменьшается по мере увеличения скорости охлаждения. Промышленные титановые сплавы Состав литейных и деформируемых титановых сплавов совпадает, поэтому общепринятого деления на эти две группы нет. Согласно ГОСТ 10907–91 российские промышленные титановые сплавы обозначают буквами АТ, ВТ или ОТ, за которыми стоят одна или две цифры, указывающие на порядковый номер сплава. Если сплав используется не только как деформируемый, но и как литейный, то обозначение его марки заканчивается буквой Л (например, ВТ5Л, ВТ31Л, ВТ9Л и др. В литейных сплавах допускается большее содержание примесей по сравнению с деформируемыми сплавами. Отдельные титановые сплавы обозначают только цифрами. Марка таких сплавов состоит из четырех цифр (две первые — 42), из которых последние две цифры также обозначают порядковый номер сплава (например, 4201). Состав и механические свойства промышленных титановых сплавов разных групп приведены в табл. Таблица Средний состав (ГОСТ 19807–97) и механические свойства деформируемых титановых сплавов (Б. А. Колачев) Марка стали Состав, Механические свойства Al V Mo Другие элементы σ в , МПа δ, % KCU, Дж/см 2 α‑сплавы ВТ1‑00 – – – – 300–450 20 ВТ 15 ВТ 5,1 – – – 750–950 ВТ 5,0 – – 2,5 Sn 800–1000 8 40 Псевдо‑α‑сплавы ОТ4‑1 1,7 – – 1,8 Mn 550–750 12 ВТ 6,3 1,6 1,2 2,0 Zr 950–1150 10 АТ 3 – – 1,5 (Fe+Si+Cr+B) 750–900 16 70 98 Глава3.Титаниегосплавы Марка стали Состав, Механические свойства Al V Mo Другие элементы σ в , МПа δ, % KCU, Дж/см 2 (сплавы мартенситного типа ВТ6 6,1 4,4 – – 900–1050 ВТ 4,5 1,4 3,1 – 900–1000 ВТ 2,8 4,5 5,0 – 850–950 14 ВТ 6,9 – 3,3 1,9 Zr; 0,3 Si 1000– 1250 7 25 (сплавы переходного типа ВТ22 5,2 4,7 4,7 1,3 Cr; 1,0 Fe 1050– 1300 ВТ 5,5 Zr; 4,5 Sn 700–750 30 – Псевдо‑β‑сплавы ВТ 3,0 8 8 1,3 Fe; 1,3 Cr 850–900 ВТ 3,0 15 1,0 1,0 Zr; 3,0 Sn 800–900 ВТ 3,0 3,5 5,5 1,0 Zr; 5,5 Cr 1000– 1050 сплавы 18 45 3.2.1. Деформируемые титановые α- и псевдо-α-сплавы α-сплавы. К их числу относятся технический титана также сплавы, легированные алюминием и нейтральными упрочнителями — оловом и цирконием. Сплавы этого класса отличаются повышенной жаропрочностью, высокой термической стабильностью, отсутствием хладноломкости, хорошей свариваемостью. Эти сплавы однофазны, поэтому не возникает охрупчивания в швеи в околошовной зоне. К недостаткам сплавов следует отнести их сравнительно невысокую прочность, они термически не упрочняются. Подавляющее большинство титановых сплавов содержит в качестве легирующего элемента алюминий, который повышает прочность и жаропрочность, снижает плотность, уменьшает склонность к водородной хрупкости. При содержании Al > 5 % технологическая пластичность сплавов невелика. С увеличением содержания алюминия повышаются рабочие температуры α‑Ti сплавов, но возникает опас‑ Окончание табл. 3.3 99 3.2.Промышленныетитановыесплавы ность их охрупчивания в результате выделения фазы. Сплавы этого класса склонны к водородной хрупкости. К сплавам относят технически чистый нелегированный титан марок ВТ и ВТ (сумма примесей не > 0,9 и 1,7 % соответственно). Наиболее широко используют титан ВТ, содержащий не > 0,7 % Al, 0,3 % Fe, 0,1 % СО и 0,01 % Н. Его применяют для изготовления трубопроводов и емкостей для перекачки и хранения агрессивных жидкостей. Родоначальником промышленных титановых сплавов является двойной сплав Ti — 5 % Al (ВТ, который в настоящее время используют только для фасонного литья. Из сплавов наиболее широко применяют для производства разнообразных полуфабрикатов (листов, прутиков, штамповок) сплав ВТ Он термически не упрочняется, хорошо сваривается, отличается достаточно высокими механическими свойствами (в = 800–1000 МПа δ = 8 %; KCU = 40 Дж/см 2 ), нашел широкое применение в различных отраслях техники, включая криогенную технику. Сплав жаропрочен до температур, не превышающих 450 °C. Псевдо-α-сплавы. Эти сплавы содержат до 1–2,5 % стабилизаторов, а также алюминий и нейтральные упрочнители. Поэтому в их структуре в отожженном состоянии присутствует 2–6 об. % фазы. Небольшое количество фазы оказывает положительное влияние на пластичность псевдо‑α‑сплавов при комнатной, особенно при повышенных температурах. Поэтому эти сплавы более технологичны при обработке давлением по сравнению с сплавами, содержащими повышенное количество алюминия (ВТ и ВТ. При одинаковой пластичности псевдо‑α‑сплавы на 10–20 % прочнее сплавов, что объясняется их более мелкозернистой и гетерогенной структурой. Псевдо‑α‑сплавы с повышенным содержанием алюминия (6–7 %) отличаются высокой жаропрочностью и используются при максимально высоких рабочих температурах (550–600 Образующаяся при закалке мартенситная фаза в этих сплавах по своим механическим свойствам мало отличается от равновесной фазы. Поэтому псевдо‑α‑сплавы упрочняющей термической обработке не подвергают. При комнатной температуре псевдо‑α‑сплавы имеют структуру, состоящую в основной из фазы. В свою очередь фаза металлографи‑ чески при средних увеличениях не обнаруживается, что связано с малым ее количеством 100 Глава3.Титаниегосплавы Псевдо‑α‑сплавы можно разделить на два типа высокотехнологичные сплавы малой и средней прочности высокожаропрочные сплавы. Наиболее широкое применение в промышленности среди псевдо‑ α‑сплавов получили сплавы ОТ, ОТ и ОТВ серии сплавов ОТ с повышением содержания алюминия и марганца прочность возрастает, а пластичность и технологичность ухудшаются. Сплавы этого типа применяют в отожженном состоянии для производства деталей с применением сварки, штамповки и гибки, работающих до температуры 350 Сплав ОТ относится к числу наиболее технологичных. Он легко штампуется, но имеет сравнительно невысокую прочность. Основными легирующими элементами жаропрочных псевдо‑α‑ сплавов являются алюминий, олово и цирконий. Алюминий не только повышает жаропрочность псевдо‑α‑сплавов, но и увеличивает растворимость изоморфных стабилизаторов в фазе, создавая дополнительные возможности растворного упрочнения этими элементами. При содержании — 4–6 % Al растворимость в фазе (при 550–800 °C) таких элементов, как вандий, ниобий, молибден, хром, марганец, железо, возрастает на 1–1,5 Жаропрочность псевдо‑α‑сплавов определяется не только их химическим составом, она также существенно зависит от их тонкой структуры. Чем стабильнее субструктура, тем при прочих равных условиях выше жаропрочность. Например, формирование полигонизованной субструктуры способствует повышению жаропрочности. Псевдо‑α‑сплавы долгое время применяли только в отожженном состоянии со стабилизированной структурой. Позднее было обнаружено, что пластинчатые структуры обеспечивают лучший комплекс свойств жаропрочных сплавов по сравнению с глобулярными структурами, причем структуры корзиночного плетения предпочтительнее колоний пластин, так как первые обеспечивают более высокое сопротивление ползучести, меньшую скорость роста трещин, большую вязкость разрушения. Характеристики пластичности при этом несколько снижаются. В целях уменьшения внутренних напряжений, возникающих при охлаждении с температур области, охлаждение проводят в масле. Далее сплавы подвергают старению при 550–600 °C в течение 24 ч, чтобы снять остаточные напряжения и выделить силициды из пересыщенного раствора, которые способствуют повышению жаропрочности 101 3.2.Промышленныетитановыесплавы Среди жаропрочных псевдо‑α‑сплавов широкое распространение получил сплав ВТ с высоким содержанием алюминия и дополнительно легированный цирконием, ванадием и молибденом. Он менее пластичен, чем сплавы серии ОТ, но значительно более прочен и жаропрочен. Сплав ВТ является наиболее жаропрочным листовым титановым сплавом и предназначен для длительной работы при температурах до 500 Сплав АТ разрабатывали как более прочный листовой сплав по сравнению с ВТ. Гарантированное временное сопротивление разрыву листов из сплава ВТ составляет 950 вместо 750 МПа, а для сплава ВТ при практически одинаковом относительном удлинении и поперечном сужении (δ = 9 % и ψ = 27 %). Упрочнение сплава ВТ обусловлено его легированием помимо алюминия цирконием и небольшими количествами молибдена и ванадия. Технологическая пластичность сплава ВТ ниже, чем сплавов типа ОТ из‑за большого содержания алюминия, но он хорошо деформируется в горячем состоянии и поставляется в виде листов, плит, прутков, профилей, по‑ ковок, штамповок. Листовую штамповку сплава можно проводить лишь при 800–900 °C. Сплав ВТ отличается высокой жаропрочностью ( s 100 500 = 570 МПа. Он хорошо сваривается, прочность сварного соединения равна прочности основного металла. Сплав предназначен для изготовления изделий, работающих длительное время при температурах до 450–500 °C. Он довольно широко применяется для изготовления ответственных сварных конструкций самолетов. В структуре сплава АТ при комнатной температуре присутствует фаза и небольшое количество фазы. Данный сплав сохраняет высокую пластичность и ударную вязкость, вплоть до температур жидкого водорода. Выдержка после закалки при температуре 400 Св течение 100 ч не приводит к существенным изменениям механических свойств табл. 3.4). Из сплава АТ изготавливают детали, работающие в сложных условиях нагружения. Таблица Механические свойства деформируемых титановых сплавов после закалки и старения Сплав Режим термической обработки Механические свойства Т зак , °C Т стар , стар, ч. σ В , МПа d , АТ 825–850 400 100 720 ВТ 870–910 480–500 4 1380 ВТ 690–750 550 12 1350 9 102 Глава3.Титаниегосплавы Единственный вид конечной термообработки сплавов и псевдо‑ α‑сплавов — отжиг для снятия наклепа и уменьшения остаточных напряжений. Деформируемые ( α+β)-сплавы Двухфазные(α+β)‑сплавы условно можно разделить на две группы) сплавы средней (ВТ) и высокой прочности (ВТ, ВТ, используемые при комнатной и невысоких температурах) жаропрочные сплавы (ВТ, ВТ, ВТ, используемые при температурах 450–550 Сплавы средней и высокой прочности в зависимости от назначения используют в отожженном или термически упрочненном состоянии. На микроструктуру отожженных сплавов сильное влияние оказывают температура отжига и скорость охлаждения с этой температуры, а в случае упрочняющей термической обработки — температура нагрева под закалку и последующего старения. Сплав ВТ международное обозначение Ti‑6‑4) это самый универсальный по применению (включая протезы в хирургии) титановый сплав, из которого получают все виды полуфабрикатов. Из сплава ВТ получают прутки, трубы, профили, поковки, штамповки, плиты, листы. Он сваривается всеми традиционными видами сварки, в том числе диффузионной. При электронно‑лучевой сварке прочность сварного шва практически равна прочности основного материала. Сварные соединения подвергают отжигу для снятия напряжений при температурах 600–700 °C длительностью не менее часа. Термическое упрочнение сплава ВТ состоит из закалки с температур 880–950 °C и старения при 450–550 °C в течение 2–8 ч, что обеспечивает некоторое повышение прочностных характеристик на (20–30 %) при незначительном падении пластичности. Сплав ВТ предназначается главным образом для изготовления крепежных деталей — болтов, винтов, заклепок и т. п. Основным видом полуфабриката, изготавливаемого из этого сплава, является пруток диаметром от 4 до 20 мм, полученный прокаткой или волочением. Благодаря высокому содержанию фазы отожженный сплав ВТ обладает высокой пластичностью и технологичностью (δ = 14 %). Он хорошо деформируется как в горячем, таки в холодном состоянии, что обусловлено не только большим количеством фазы, но и малым содержанием алюминия 103 3.2.Промышленныетитановыесплавы Закалку сплава осуществляют после нагрева до температур 780–840 °C с охлаждением вводе. Закаленный сплав ВТ отличается средней прочностью, малым пределом текучести и высокой пластичностью (в = 900 МПа, σ 0,2 = 450–500 МПа, δ = 20 %). В результате старения при температуре 560–580 °C он эффективно упрочняется в = 1250 МПа, σ 0,2 = 1100 МПа, δ = 10 %). Структура сплава после закалки и старения представлена на риса а б Рис. 3.12. Сплав ВТ (Ti — 2,8 % Al — 5 % Mo — 4,5 % V) после закалки вводе стем пературы 820 °C и старения при температуре 580 °C в течение 1 ч (светлая — фаза, темные — дисперсные продукты распада β М ‑фазы) — аи сплава ВТ после закалки вводе с температуры 790 °C и старения при температуре 480 °C, 25 ч + 560 °C, 0,4 ч — б Сплав ВТ хорошо сваривается сварные соединения, выполненные из этого сплава, отличаются высокой пластичностью непосредственно после сварки. Структура жаропрочных (сплавов формируется в основном вовремя горячей деформации полуфабрикатов. Широкое распространение получил жаропрочный сплав ВТ системы Ti–Al–Mo–Si, который легирован цирконием, что приводит к повышению прочности почти без снижения пластичности при сохранении достаточно высокой термической стабильности. Данный сплав удовлетворительно деформируется при высоких температурах (1100– 850 °C) и из него изготавливают поковки, штамповки и прутки. Сплав может работать до 500 Сплав ВТ относится к сильнолегированным высокопрочным сплавам системы Ti–Al–V–Mo–Cr–Fe. Сплав обладает хорошей технологической пластичностью при горячей обработке давлением. Из него получают прутки, профили, трубы, поковки, штамповки, плиты. Сплав 104 Глава3.Титаниегосплавы удовлетворительно сваривается сваркой плавлением, аргонодуговой сваркой, сваркой под флюсом, роликовой и точечной сваркой. После сварки необходимо проводить отжиг для улучшения комплекса механических свойств сварного соединения. Из сплава ВТ могут быть изготовлены поковки и штамповки массой в несколько тонн. Дополнительное упрочнение сплава ВТ может быть достигнуто закалкой с температур 720–780 °C и старением при 480–600 °C в течение 4–10 ч. Сплав длительно работает до температур 450–400 В табл. 3.4 представлены механические свойства деформируемых титановых сплавов после упрочняющей термической обработки. Деформируемые β- и псевдо-β-сплавы Псевдо-β-сплавы относятся к наиболее легированным. Содержание только стабилизаторов в них достигает 15–20 После отжига при температурах ниже Т пп помимо фазы в структуре присутствует небольшое количество фазы, расположенной по ее границам. К достоинствам псевдо‑β‑сплавов следует отнести сравнительно легкую обрабатываемость давлением в процессе производства полуфабрикатов. Из‑за низкой температуры Т пп достаточно большое, оптимальное для горячей обработки давлением количество фазы может быть достигнуто при невысоких температурах, поэтому напряжения течения металла при горячей деформации псевдо‑β‑сплавов невелики высокую технологическую пластичность в закаленном состоянии. Это связано стем, что фаза, имеющая ОЦК решетку, по своей природе более пластичная, чем гексагональная фаза примерно такой же степени легированности. В закаленном состоянии сплавы имеют невысокую прочность, большое относительное удлинение и поперечное сужение и поэтому хорошо обрабатываются давлением большой эффект термического упрочнения. Это связано с большим пресыщением закаленной фазы, распад которой при старении обеспечивает повышение прочности сплавов в 1,5–1,7 раза высокую прокаливаемость. Сплавы прокаливаются практически при всех сечениях промышленных полуфабрикатов 105 3.2.Промышленныетитановыесплавы · более удачное, по сравнению со сплавами других групп, сочетание механических и эксплуатационных свойств высокая прочность, удовлетворительные пластичность, вязкость разрушения, сопротивление коррозионному растрескиванию высокую коррозионную стойкость, особенно при большом содержании молибдена малую склонность титановых сплавов к водородной хрупкости. Сплав ВТ легирован алюминием, что облегчает преодоление технологических трудностей при литье слитков, способствует подавлению β → превращения, увеличивает эффект старения из‑за растворного упрочнения выделяющейся при старении фазы, понижает плотность сплава. Варьируя режимы закалки и старения, можно получить широкий диапазон механических свойств (в = 1100–1400 МПа δ = 18–4 Сплав предназначен для изготовления деталей самолетостроения, длительно работающих до температур 260–300 Сплав ВТ достаточно технологичен как при горячей, таки при холодной обработке давлением. Этот сплав поставляется в виде поковок, штамповок, прутков, плит и листов толщиной 10–0,8 мм. Недостатки титановых сплавов невысокая термическая стабильность, в результате чего их нельзя применять для длительной работы при температурах выше 450 °C; · затруднение при сварке, обусловленное ростом зерна в около‑ шовной зоне и ликвацией в сварном состоянии большой разброс механических свойств, вызванный химической неоднородностью сплавов в связи с высокой степенью их легирования и большой чувствительностью процесса старения к содержанию примесей внедрения сравнительно высокая плотность (4,7–5,0 г/см 3 ). 3.2.4. Литейные титановые сплавы Для фасонного литья широко применяют титан и его сплавы ВТ5Л, ВТ6Л и ВТ9Л, которые по составу практически совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами (см. табл. 3.5). В литейных сплавах допускается большее содержание примесей по сравнению с деформируемыми сплавами 106 Глава3.Титаниегосплавы Таблица Средний состав (ГОСТ 19807–91) и механические свойства литейных титановых сплавов (Б. А. Колачев) Марка сплава Состав, Механические свойства Mo Другие элементы В, МПа d , % KCU, Дж/см 2 ВТ5Л 5,0 – – – 700 6 30 ВТ6Л 6,0 4,0 – – 900 5 28 ВТ9Л 6,5 – 3,3 1,5 Zr; 0,3 Si 930 Наиболее широко используют сплав ВТ Л, что обусловлено его высокими литейными свойствами, простотой технологии получения из него отливок, распространенностью и недефицитностью единственного в нем легирующего элемента алюминия, удовлетворительной пластичностью и ударной вязкостью отливок. Структура данного сплава представлена в основном пластинчатыми зернами фазы внутри исходного зерна. Сплав не склонен к образованию горячих трещин, хорошо сваривается, предназначен для фасонных отливок, длительно работает до 400 Сплав ВТ Л отличается более высокими прочностными характеристиками по сравнению со сплавом ВТ Л при почти такой же пластичности. Сплав ВТ6Л хорошо сваривается. Применение этого сплава обеспечивает создание надежных сварных конструкций в сочетании с деформированными полуфабрикатами из того же сплава. Для снятия остаточных напряжений отливки подвергают часовому отжигу, предпочтительнее вакуумному, при 750 Сплав ВТ Л является литейным вариантом жаропрочного сплава ВТ и предназначен для изготовления литых деталей, работающих при температурах 500–550 °C. Глава 4. Медь и ее сплавы М |