Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
85 3.1.Общиеструктурыисвойстватитанаиегосплавов Кислород и азот — примеси внедрения — сильно снижают пластичность титана, но повышают прочностные характеристики, что объясняет взаимодействие растворенных атомов этих элементов с дислокациями. Азот оказывает более сильное упрочняющее действие по сравнению с кислородом, потому что энергия взаимодействия атомов азота с дислокациями в титане больше, чем атомов кислорода. На прочностные свойства титана примесь внедрения — углерод — оказывает меньшее влияние, чем кислород и азот. В тоже время, если концентрация углерода превышает предел растворимости (0,5 %), то углерод значительно снижает пластичность титана из‑за выделения карбидов. Водород относится к числу наиболее вредных примесей внедрения в титане и его сплавах, так как вызывает водородную хрупкость, которая заключается в резком снижении механических свойств. Водород сравнительно мало влияет на механические свойства металлов при статических испытаниях на растяжение со стандартными скоростями деформации. О склонности титана и его сплавов к водородной хрупкости обычно судят по результатам испытаний на ударную вязкость и замедленное разрушение. Водород расширяет область существования фазы и сужает область фазы (см. рис. 3.1). При температуре 300 °C происходит эв‑ тектоидный распад фазы на фазу и гидрид титана γ (твердый раствор на основе TiH 2 ). Концентрация водорода в эвтектоидной точке равна 1,33 %. Растворимость водорода на титане при эвтек‑ тоидной температуре довольно велика — 0,18 %, нос понижением температуры резко уменьшается и составляет — 0,002 % при комнатной температуре. Поэтому при небольшом количестве водорода в титане в структуре появляются выделения гидридной фазы, которая является причиной хрупкости. Пластичная форма выделений этой фазы значительно снижает ударную вязкость титана. Разрушение распространяется по поверхности раздела между гидридной фазой и матрицей. Образование и распространение трещин вдоль гидридов облегчается внутренними растягивающими напряжениями, которые возникают из‑за разницы удельных объемов гидридов и основного металла, а также из‑за слабого сцепления между ними 86 Глава3.Титаниегосплавы Ti H,% α+γ α (Ti) 0,25 0,5 1 1,5 2 3 100 300 500 700 900 T , С 1,33 γ(Т iН 2 ) b (Ti) Рис. 3.1. Фазовая диаграмма системы Алюминий увеличивает растворимость водорода в фазе и затрудняет образование гидридной фазы, поэтому увеличение содержания алюминия в титановых сплавах — эффективный способ уменьшения их склонности к водородной хрупкости. Содержание рассмотренных примесей в титане ограничивают до — 0,15–0,2 % ОС и 0,015 % Н. Железо и кремний как примеси замещения оказывают значительно меньшее влияние на свойства титана, чем примеси внедрения. Прима лых концентрациях они почти не влияют на его пластичность. В ряде случаев их специально вводят в титановые сплавы как легирующие элементы для повышения жаропрочности. Все легирующие элементы, вводимые в титановые сплавы, в зависимости от их влияния на температуру полиморфного превращения (Т пп ) разделяют натри группы (рис. 3.2). 1. стабилизаторы, те. элементы, повышающие температуру α → превращения, к ним относятся алюминий, галий, индий, углерод, кислород и азот (см. риса. стабилизаторы, те. элементы, понижающие температуру α → превращения (см. рис. 3.2, б–в). Эти элементы можно подразделить на изоморфные стабилизаторы (β и ‑стабилизаторы). К их числу относятся ОЦК металлы — ванадий, ниобий, тантал, воль‑ 87 3.1.Общиеструктурыисвойстватитанаиегосплавов фрам и молибден. В сплавах титана с этими элементами твердый раствор может сохраняться до комнатной температуры, не претерпевая эвтектоидного распада (рис. 3.2, б на эвтектоидообразующие стабилизаторы (β э ‑стабилизаторы). К их числу относятся кремний, хром, марганец, железо, медь, никель, кобальт и водород. В сплавах титана с этими элементами при достаточно низкой температуре происходит эвтектоид‑ ный распад фазы по реакции β → α + γ (рис. 3.2, в, где γ — промежуточные фазы Ti 5 Si 3 , TiCR 2 , TiMn, TiFe и др. а б в, °C стабилизатор Ti Ti b -стабилизатор,% и Ti α+b α b b s α+γ b+ γ α+b T, °C T, °C b -стабилизатор,% э Рис. 3.2. Влияние легирующих элементов и примесей на температуру полиморфного α → превращения в титане Так как стабилизаторы снижают температуру полиморфного превращения, ток легированию ими жаропрочных сплавов надо относиться с осторожностью, чтобы не снижались рабочие температуры. Наличие β э ‑стабилизаторов в сплавах, работающих при повышенных температурах, может привести к эвтектоидному распаду фазы, что вызовет резкое снижение пластичности. Нейтральные упрочнители, те. элементы, мало влияющие на температуру полиморфного превращения в титане, но заметно его упрочняющие. К ним относятся олово, цирконий, германий, гафний и торий. Алюминий — важнейший легирующий элемент в титановых сплавах, стабилизирует фазу и присутствует в большинстве промышленных титановых сплавов в количестве от 1,5–2 % до 6–6,5 %. При более высоком содержании алюминия возможно образование промежуточной фазы α 2 (Ti 3 Al, имеет ГП решетку, которая их охрупчивает ивы зывает потерю термической стабильности при содержании > 6–8 % Al см. рис. 3.3). Алюминий эффективно упрочняет α‑Ti при комнатной и повышенной температурах, снижает плотность титановых сплавов и повышает их сопротивление окислению 88 Глава3.Титаниегосплавы T , С 1400 1200 1000 800 600 T i 20 40 →Al, ат. % α(Ti) α+α 2 α (Ti Al) 2 3 α +γ 2 γ(TiAl) b (Ti) L α+γ 1125° 1285° 30 Рис. 3.3. Фазовая диаграмма системы Растворимость алюминия α‑Ti уменьшается с понижением температуры и составляет 10,9 и 7 % при температурах 900, 800 и 600 °C со‑ ответственно. Двумя следующими по важности легирующими элементами являются ванадий и молибден. Добавление ванадия резко снижает температуру полиморфного превращения (рис. 3.4) и при содержании в сплаве > 15 % V закалкой можно полностью зафиксировать при комнатной температуре фазу, С 1400 1200 1000 800 600 T i α (Ti) b (Ti,V) 1800 1900 ° 1605 ° α+b 805 ° 675 ° 20 40 60 80 100 → V , мас. Рис. 3.4. Фазовая диаграмма системы Ti–V 89 3.1.Общиеструктурыисвойстватитанаиегосплавов Особенность данной системы — большая растворимость ванадия в α‑Ti (> 3 %). Дальнейшее увеличение количества ванадия приводит к появлению в структуре фазы. Это дает возможность создавать сплавы с повышенной технологической пластичностью, упрочняющиеся термической обработкой. Отсутствие в данной системе эвтектоидных реакций и интерметаллидных фаз почти полностью исключает возникновение хрупкости при любых ошибках в проведении технологических процессов, связанных с нагревом. Очень узкий интервал кристаллизации позволяет применять сплавы системы Ti–V для фасонного литья. Молибден — один из основных легирующих элементов большинства титановых сплавов. Растворимость его α‑Ti не превышает 1 % риса стабилизирующий эффект является максимальным. Для фиксации однофазной структуры закалкой достаточно иметь в сплаве 11 % Мо. Его введение эффективно повышает температуру рекристаллизации, прочность сплавов при комнатной и повышенных температурах, обеспечивает интенсивное растворное упрочнение, заметно повышает модули упругости α‑Ti, что означает повышение сил межатомной связи, С 2000 1800 1000 800 600 T i α (Ti) 2400 α+b 20 40 60 80 100 1600 2600 → Мо , мас. % 2623 ° b (Ti, Мо) 850 ° 695 ° Рис. 3.5. Фазовая диаграмма системы Ti–Mo 90 Глава3.Титаниегосплавы Тройная система Ti–Al–V является основой большинства высокопрочных титановых сплавов, а система Ti–Al–Mo — жаропрочных титановых сплавов. Большинство современных титановых сплавов в соответствии с наметившейся тенденцией многокомпонентного легирования содержат одновременно алюминий, ванадий и молибден. Легирование хромом обеспечивает в сплавах высокую прочность при хорошей пластичности и эффективность упрочняющей термической обработки, но только при добавке молибдена. Это связано стем, что в системе Ti–Cr при температуре 667 °C проходит нонвариантное эв‑ тектоидное превращение β → α + TiCr 2 рис. 3.6) и образующееся соединения TiCr 2 снижает пластичность сплава, а вводимый молибден может затормозить эвтектоидное превращение, С 40 60 80 100 → С, мас. % 1863 ° 600 400 800 1000 1200 1400 1600 1800 b (Ti,Сr) 1370° 1410° L b +Ti Сr 2 b +Ti Сr 2 γ +Ti Сr 2 С Рис. 3.6. Фазовая диаграмма системы Введение олова слабо влияет на температуру полиморфного превращения титана, но существенно повышает технологичность сплавов при холодной деформации и увеличивает эффект старения, что обусловлено упрочнением α‑фазы. Палладий и платину добавляют к чистому титану для повышения его стойкости в сильных коррозионных средах, в частности в минеральных кислотах 91 3.1.Общиеструктурыисвойстватитанаиегосплавов Эвтектоидного превращения β → α + γ в титановых сплавах при обычных скоростях охлаждения вообще не происходит, и анализ формирования структуры в сплавах β э ‑эвтектоидообразующими стабилизаторами можно проводить, используя диаграмму на рис. Так как в титановых сплавах всегда присутствует алюминий, то полиморфное β → превращение проходит в интервале температур рис. 3.7). Ti+5%Al стабилизаторы и а b Tпп Рис. 3.7. Схема фазовой диаграммы системы Ti + 5 % Al — β и ‑стабилизаторы 3.1.2. Типичные структуры титановых сплавов Структура титановых сплавов, легированных α‑ или стабилизаторами и нейтральными упрочнителями, состоит из α‑ или фаз с разным количественным соотношением. В сплавах, которые по равновесным диаграммам состояния относятся к однофазным, практически всегда присутствует вторая фаза. Количество этой фазы увеличивается по мере повышения содержания легирующих элементов и может составлять 1–2 %. В структуре вторая фаза расположена в виде тонких прослоек по границам зерен см. рис. К сплавам относятся не только сплавы со стабильной фазой при комнатной температуре, но и сплавы с метастабильной фазой, полученной в результате ускоренного охлаждения. В сплавах после рекристаллизационного отжига структура представлена зернами полиэдрической формы, размер которых зависит от состава и условий отжига сплава 92 Глава3.Титаниегосплавы Рис. 3.8. Пластинчатая фаза в сплаве ВТ (Ti + 5 % Al) отжиг при 820 °C в течение 1 ч) Структура (сплавов более разнообразна. Это определяется наличием двух фаз (α и β) и различным их количественным соотношением возможностью образования нестабильных фаз, являющихся продуктами незавершенного β → превращения широким диапазоном изменения размера и формы структурных составляющих. В настоящее время широко распространено описание структуры двухфазных титановых сплавов по форме структурных составляющих чаще всего по форме фазы пластичная или глобулярная. Пластинчатая структура характеризуется, как правило, наличием сравнительно крупных исходных зерен с оторочкой по границам. Внутренний объем зерен расчленен пластинами, собранными в пачки (см. рис. 3.9) (их называют также колониями. В пределах одной пачки пластины параллельны и имеют одинаковую кристаллографическую ориентировку, пластины могут быть разделены прослойками β–фазы. В структуре глобулярного типа фаза имеет равноосную форму сфероидеальную, дискообразную, почти прямоугольную и т. д. Часто встречаются смешанные глобулярно‑волокнистые или глобулярно‑ пластинчатые структуры (см. рис. 3.10). 93 3.1.Общиеструктурыисвойстватитанаиегосплавов Рис. 3.9. Схема видманштеттовой структуры титановых сплавов Рис. 3.10. фаза (светлая) глобулярного типа в смешанной структуре сплава ОТ (Ti — 4,2 % Al — 1,4 % Mn) (отжиг при 750 °C в течение 1 ч) Легирование технического титана стабилизаторами (Al, N, O) повышает температуру (β → перехода, что приводит к резкому укрупнению зерен фазы или превышенной температуре и, как следствие, параметров образующейся из нее фазы — размеров колоний и толщины α‑пластин. Добавление стабилизаторов снижает температуру β → превращения и увеличивает количество фазы в сплаве, замедляет рост зерен, что способствует измельчению всех структурных составля‑ ющих. Легирование нейтральными упрочнителями мало изменяет количественные характеристики структуры 94 Глава3.Титаниегосплавы Структура титановых сплавов влитом состоянии, как и структура других сплавов, зависит от следующих факторов перегрев расплава, скорость кристаллизации, химический состав. Перегрев расплава и замедленное охлаждение приводят к формированию грубозернистой структуры. Во избежание этого уменьшают перегрев и увеличивают скорость кристаллизации. Последнее реализуется приуменьшении сечения слитков и при получении гранул. Сильное влияние на внутризеренную структуру титановых сплавов влитом состоянии оказывает их химический состав. Микроструктура слитков технического титана, однофазных сплавов, также мало и среднелегированных (сплавов характеризуется грубопластин‑ чатым внутризеренным строением (см. рис. 3.9). По мере увеличения степени легирования толщина пластин уменьшается при одновременном уменьшении размеров колоний пластин, имеющих одинаковую или близкую ориентировку. Аналогичный характер изменения микроструктуры слитков наблюдается и при увеличении скорости охлаждения. При высоких скоростях фиксируют мартенситную структуру (рис. 3.11). В высоколегированных титановых (сплавах присутствует дисперсная пластинчатая α‑фаза. Рис. 3.11. Мартенсит в сплаве ВТ (Ti — 2,8 % Al — 5 % Mo — 4,5 % V) закалка вводе с температуры 830 Структура деформируемых титановых сплавов в значительной степени определяется температурно‑скоростными условиями деформации. При деформации в области сплавов с пластинчатой структурой колония, состоящая из пластин, деформируется как одно це‑ 95 3.1.Общиеструктурыисвойстватитанаиегосплавов лое. При этом пластины изгибаются, вытягиваются вдоль направления течения металла, а горячедеформированные пластины имеют субзеренную структуру. Границы субзерен часто стремятся расположиться перпендикулярно границам пластин, образуя так называемую бамбуковую структуру. В случае прохождения процессов рекристаллизации в структуре на фоне извилистых пластин появляются новые равноосные α‑зерна. После деформации в области и охлаждения в реальных условиях структура сплавов характеризуется пластинчатым строением и почти не имеет признаков деформации. Причем строение и размер пластин зависят в основном не от режимов деформации в области, а от условий охлаждения. В некоторых случаях колонии сильно вытянуты водном направлении, что, по‑видимому, является следствием их роста в деформированных зернах. В случае протекания процессов рекристаллизации (полигонизации) растущие при охлаждении в области пластины становятся короче и тоньше. Структура двухфазных (сплавов сильно зависит от скорости охлаждения после горячей деформации как при температурах (области, таки области. Это связано с полиморфным превращением, в результате которого в процессе всего охлаждения происходит изменение количественного соотношения и состава фаз. Процесс формирования структуры при деформации двухфазных сплавов может осуществляться в трех разных температурных условиях целиком в однофазной области двухфазной (области начаться в области, а закончиться в (α+β)‑области. В табл. 3.2 представлен уровень механических свойств титановых сплавов, деформированных в разных фазовых областях. Таблица Уровень механических свойств титановых сплавов (В. А. Александров) Режим деформации Тип структуры Свойства В, МПа d, % 500 100 s , МПа В (области Равноосная 1150 14 Начало в области, окончание в (α+β)‑области Мелкозернистая пластинчатая 11 В β‑области Крупнозернистая пластинчатая 7 580 96 Глава3.Титаниегосплавы Структура титановых сплавов после термической обработки зависит от режима обработки, исходной (перед термической обработкой) структуры сплава и скорости охлаждения. Известные исходные структуры можно разделить натри группы. Литые. Сплавы, деформированные в области. Сплавы, деформированные в α+β (области (сюда же относятся и сплавы, начало деформации которых соответствует области, а окончание — (области) (см. рис. 3.7). 1. Структура влитом состоянии обычно характеризуется с бывшим крупным зерном фазы и пластинчатым строением внутризеренной фазы различной дисперсности. Нагрев и выдержка сплавов при температурах однофазной области приводят к увеличению толщины пластин, глобуляризации выделенной второй фазы, если они перед нагревом имели вид сплошных тонких прослоек. Структура сплавов в этом случае почти не зависит от скорости охлаждения. Исходная структура сплавов, деформированных в области, обычно характеризуется наличием вытянутых в направлении течения металла деформированных зерен наряду с равноосными зернами, возникающими в результате рекристаллизации в процессе деформации. Границы зерен после полного охлаждения окаймлены оторочкой из фазы. При нагреве сплава с такой структурой до температур области фаза оказывает стабилизирующее влияние на зерен‑ ное строение фазы размер и форма зерен почти претерпевают изменения. В сплавах, деформированных в (области, наряду с процессами изменения количественного соотношения α‑ и фаз, перераспределения в них легирующих элементов, изменения размера и формы структурных составляющих, при нагреве могут проходить процессы возврата и рекристаллизации. Поскольку процессы идут внутри деформированных пластин и зерен, при отжиге микроструктура сплавов визуально изменяется незначительно. Скорость охлаждения титановых сплавов при термической обработке имеет большое значение для формирования их структуры. Изменение скорости охлаждения регулирует не только дисперсность частиц фазы, но и сам фазовый состав сплавов. При замедленном охлаждении из (области фаза может выделяться предпочтительно на пластинах остаточной фазы. В силу |