Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

Для модифицирования структуры было предложено [ИЗ]

вводить в расплав небольшие добавки бора, циркония совместно

с бором, борида циркония, молибдена и других элементов.

Измельчение зерна связано с образованием в расплаве

структурнопбдобнйх^’’'тугоплавких” частиц боридов (типа' TiB2;

ZrB2 и др. , которые играют роль зародышевых центров при

кристаллизации слитка.

Т а бл и ц а 69

Химический состав губчатого титана

Марка

Твердость

Примеси, % не более

НВ,

кГ/мм2

Fe Si

С1

о 2

ТПООоп 100 и менее 0 07

0 04 0 03

0 08 0 02

0 04

ТГ105оп

101 105

0,08

0 05

0,03

0 08

0 025

0,05

ТГ110

106-110

0,09

0 05 0 03

0,08 0 03

0,05

ТГ120

111 120

0 11 0,15

0 04

0 08 0 03

0 065

ТГ130

121 130

0 13

0 05 0 04

0 10 0 03

0 08

ТГ140 131 140

0 15

0 05

0 05 0 10 0 03 0 09

ТГ155

141 155

0 20

0 08

0 06

0 10

0 04 0 10

ТГ170

156-170 0 23

0 08

0 06

0,12

0 05

ТГ190

ТГ4М

171 190

191 и выше

0 30

0 10

0 06

0 12

0 06

При быстром охлаждении литой титан обычно имеет иголь

чатую микроструктуру, подобную мартенситу в сталях (рис. 134

атласа)

Образование игольчатой a -структуры объясняется некоторы

ми особенностями процесса распада p-Ti. a-фаза выделяется по

определенным кристаллографическим плоскостям зерен р-фазы,

что и придает ориентированный характер в расположении про

дуктов распада. После отжига титан приобретает характерную

для всех металлов равноосную полиэдрическую структуру

(рис. 135 атласа) В настоящее время из нелегированного тех

нического титана производят листы, трубы, прутки и другие

полуфабрикаты.

В табл. 70 даны механические свойства отожженных листов

титана.

С повышением температуры прочность чистого титана суще

ственно снижается и при 300° С составляет 22 кГ мм2, при 400° С

15 кГ мм2 Длительная (100-^) прочность титана при 500°С со

ставляет 3 кГ мм2

Таблица 70

Механические свойства технического титана при различных температурах [9]

Марка

сплава

Вид

полуфаб

рикатов

кГ/мм2

а0, 2

кГ,мм2

5, %

а„, кГ-м/см2,

при

температуре

20° С

Температура, °С

— 196 20

300 400 20

300 400| 196

20 3 0014 00

ВТ1 1

ВТ 1-2

Листы

и прутки

То же

110

Такие свойства во многих случаях недостаточны для того,

чтобы технический титан мог конкурировать с другими промыш

ленными сплавами.

Сплавы на основе титана имеют более высокую прочность и

характеризуются рядом других ценных свойств.

Ниже описаны структура и свойства некоторых промышлен

ных сплавов, применяемых в СССР и за рубежом

§ 2. СПЛАВЫ ТИТАНА

Применяющиеся в технике титановые сплавы делят на две

основные группы: деформируемые и литейные.

Сплавы первой группы используют для производства

различных деформируемых полуфабрикатов поковок, полос,

листов, труб, прутков, профилей и т. д.

Сплавы второй группы применяют для фасонного

литья.

Для получения сплавов в качестве легирующих добавок ис

пользуют Al, Mo, V Mn, Сг Si, Fe, Zr и Nb. Характер взаимодей

ствия титана с указанными элементами определяется диаграм

мами состояния, приведенными в приложении VII

Влияние различных добавок на механические свойства титана

показано на рис. 139

Наиболее сильное упрочняющее действие оказывают железо,

марганец, хром, молибден и ванадий. Эти элементы являются

основными компонентами современных промышленных сплавов.

Ниже рассмотрены структура и свойства важнейших дефор

мируемых и литейных сплавов титана.

1 Деформируемые титановые сплавы

Деформируемые титановые сплавы являются весьма ценными

конструкционными материалами и широко применяются в авиа

ционных и ракетных конструкциях, в судостроении и других

областях машиностроения. За последние годы эти сплавы полут

262

чили также применение в химической промышленности, в граж

данском строительстве и т д.

Состав титановых деформируемых сплавов и их физические

свойства приведены в табл. 71 [112, 114], где дана также услов

ная их классификация по основным компонентам.

В табл. 72 приведены механические свойства сплавов при

различных температурах.

01 234567 89 10

Соде ртамие легирующего элемента, %

Рис. 139. Влияние различных элементов на механические свойства

титана

Все деформируемые титановые сплавы по их структуре делят

на три основные группы а, а + р и (3-сплавы.

К первой г р у п п е относятся технический титан, сплавы

Ti Al, Ti-Al-Sn, Ti-Al Zr со структурой a-твердого раствора на

основе модификации a-Ti и сплавы, содержащие небольшие'ко

личества p-фазы. Типичная структура a-сплавов показана на

микрофотографии рис. 136 атласа.

Ко второй группе относятся сплавы систем Ti Al

Mn, Ti Al Fe, Ti Al Mo, Ti Al Nb, Ti Al

V Ti — Al Cr, Ti Al Cr Mo, Ti Al Mo V

Ti — Al Fe Cr Ti Al Cr Mo Fe. В отожженном

состоянии эти сплавы имеют a + p-структуру отличаясь друг

263

to Т а б ли ц а 71

4^ Химический состав и физико-механические свойства титановых сплавов [9

Структур

ная группа

Система

Марка

сплава

Средний химический

состав, % (по массе)

Вид полуфабрикатов

и состояние

Плотность,

г/см*

Теплоемкость

при 20° С,

кал,г • град

Теплопровод

ность

при 20° С,

кал!см сек-

•град

Коэффициент

линейного

расширения

а-10е Мград

48T2 2 5А1, осн. Ti

Поковки, отожженные 4 45

—

8 1

Ti—Al 48—ОТЗ

3 4А1, осн. Ti

» »

4 40

—

8 31

BT5

5А1, осн. Ti

Листы, отожженные

4 5

0 Э1 8

8 0

со

Ti— Al—Sn

BT5-1

5А1, 2 5Sn, осн. Ti

Прутки, отожженные

4 46

0 13

0 021

8 31

Ti—Al—Mn 4 8—T7 ЗА1, 2 5Zr осн. Ti Поковки, отожженные 4 49 0 101

0 0115

—

ОТ4—1

2А1 1 5Мп, осн. Ti

Листы, отожженные 4 55

0 023

8 0

ОТ 4

ЗА1, 1 5Мп, осн. Ti

» »

4 55

—

0 02

8 0

Ti—Al—Mn

ВТ4

4A1, 1 5Mn, осн. Ti

» »

4 6

—

0 02

8 5

O T4-2

6A1, 1 5Mn, осн. Ti

» »

4 46

0 1 1

0 018

8 9

Ti—A l-V ВТ6—с

4 5A1 3 5V осн. Ti Поковки, отожженные

4 45

0 и

0 018

8 -9

ВТ 6

6A1, 4V осн. Ti

» »

4 43

0 18

8 41

га

Ti—Al—Mo

ВТ8

6A1, 3 5Mo, 0,3Si Прутки, закаленные и со

4 47 0 12

0 017

8 4

ост Ti старенные

<Л

ВТ 16 2 5A1, 7 5Mof осн. Ti

Листы, закаленные и со

4 68

—

0 025

9 1

старенные

Ti—Al-Nb ИРМ—1

4A1, 3Nb, осн. Ti

Листы, отожженные

4 52

— —

9 61

ИРМ—2

4Al, 3Nb, 0,1 Re, осн. Ti

» »

4 52

— —

9 61

Ti—Al—Cr

ВТ—3 5,5A1, 2,5Cr осн. Ti

Прутки, отожженные

4 46

—

0 017

8 4

Ti—Al—Mo—Cr

ВТЗ—1

5,5A1, 2Mo, 2Cr осн. Ti

» »

4 50

0 10

0 018 8,9

Ti—Al—Mo—W

ВТ14

4AI ЗМо, IV осн. Ti

Листы, закаленные и со

4 52

0 12

0 020 8,0

старенные

Ti—Al-Cr—Fe-B

АТЗ

3A1, 1 5 (Fe+Cr+Si+B),

Листы, отожженные

4 53

СО

осн. Ti

Al—Mo-Cr

ВТ15 4A!# 8Mo, llCr осн. Ti

Листы, закаленные и со 4 89 0 12 (100°)

0 019 (100°)

9 1

С О .

старенные

ГТг »rPiinnf'

— — —

j J jij ,e г,... ,пи6л 11

Структур

ная группа

Система

Марка

сплава

Удельное

электросо

противле

ние,

оммм2[м

Е, кГ/мм2

аь•

кГ/мм2

а0 2

кГ I мм2

Ф.

ан

кГм/см2

нв,

к Г мм2

Применение

Ti—Al

48T2

48—OT3

0 9—1 2

11300-12400

12600-13700

6 0-7 8

53—70

17—28

40—55

6—12

Поковки, прутки, листы

Листы, поковки

BT5

1 08

10500

70—95 60—85 10—15 3 0 -45

3 -6

240-300

Прутки, листы, поковки,

Ti—Al—Sn BT5—I

1 38

10500

75—95

65 -8 5 10—15

25 -40

4 -9

240—300

трубы

Прутки, профили, трубы

Ti—Al—Mn

Ti—At—Mn

48-T 7

OT4-1

ОТ 4

1 03 1 1620

10500

1 1000

6 0-6 9

60—75

70—90

50 -6 5

47 -65

55 -6 5

18—23

20—40

12—20

40 -5 3

25—55

7—12 5

5 -1 0

3 5—6 5

210 -250

листы, поковки

Поковки, штамповки, ли

сты, трубы

Листы, ленты, прутки,

проволока

Листы, ленты, полосы

Ti—Al—V

BT4

OT4—2

BT6-C

12000

85—105

95—110

85—100

70—80

101

15—22

2 0 -3 0

3 5 -6 5

3 5

» » »

Листы, поковки, штампов

ки

Листы, прутки, поковки.

СО

BT6

1 60

11300

90—100

80—90

10 -5

30 -45

4 -8

320-360

штамповки

То же

сг

BT8

1 61

12000

100—115

80 -105

9 -1 6

30—55

3 -6

310-350

Поковки, штамповки,

Ti—Al—Mo

Ti—Al-Nb

ВТ 16

ИРМ-1

ИРМ—2

1 11

1 47

11000

125—145

85—96

90—97

110—120

70—83

84—94

4 -6

7 — 10

4 -7

280

285

прутки

Полосы, плиты

Листы, ленты, прутки, по

ковки

Листы, прутки, поковки

Сварочная проволока

Ti—Al—Cr

ВТ—3

1 58

11000

95—115

85—105

10—16

25—40 3 -6

260-320 Поковки, штамповки.

Ti—Al—Mo—Cr

ВТЗ—1

1 58

11500

100-120

85—110

10—16

2 5-4 0

3 -6 260-34 0

прутки, листы

Поковки, штамповки,

Ti—Al—Mo—W

Ti—Al—Cr—Fe—В

ВТ 14

АТЗ

11000

115-140

108—130

6 -1 0

2 5 -3 5

7 5

340-370

прутки

Листы, прутки, профили

Листы, прутки

Al—Mo—Cr ВТ15 1 55

11000

130—150

118-140

3 -6

—

2 5 -3

Листы, прутки, плиты,

С Г _

—

85—95

83—94

20 60

— -

поковки

То же

266

Механические свойства деформируемых титановых сплавов при минусовых и высоких температурах [9]

Таблица 72

Марка

сплава

Вид

<*ь

к Г/мм

а0,

к Г мм2

. %

ан

кГ-м/см2

а0,2/100,

кГ!мм2

Оюо.

кГ/мм*

температура, °С

по луфабр икатов

<о

о>

со

(О

СО

•ч*

<£>

со

О)

ь-

СО

<£>

а>

т*1

■'Г

(О

ВТ5

Прутки,

поковки

133

— —

—

129

— —

13 16 12

—

ВТ5—1

Листки,

поковки, штамповки

135

95 52

— —

125 85

- - -

- -

45 —

—

ОТ4—1

Листы 115

—

38 31

- —

13 15 23

- - —

- 29

— —

ОТ4

» 122

103

- -

2 5

—

ВТ4

138 115

127

1 5

— —

ОТ4—2

Прутки и штамповки

107

70 55

7 7

31 —

Листы

—

118

101

75 64

9 9

—

ВТ6С

140

—

- -

- - - -

40 5

—

13 15 3

- 14 —

ВТ6

160

—

53 — 150 —

—

42 —

— —

—

Прутки, поковки

160

2 5 4

58 38

ВТ8

Прутки поковки, штамповки

163

125

73 60

—

3 7

9 8

37 12

—

ИРМЗ

Листы

159

— —

—

— 8

— —

12 —

4 8

—

— —

ВТ16

140

92 79

— —

— 85 79 54

— —

5 6

6 8 —

4 27 —

—

ИРМ1

137

—

40 —

133

— 50

—

17 17 4 8

—

— -

ИРМ2

141

111

132

49 35

9 17

5 8 6

ВТЗ

Прутки,

, штамповки

110 60

- -

50 41

- -

6 11

2 5

ВТЗ—1

Прутки,

, поковки штамповки

—

76 70 53

—

— —

9 8

2 5

ВТ 14

Листы

140

—

87 73

—

127

—

2 1

—

— —

АТЗ

Листы,

прутки

133

113

55 50

47 40

- -

—

АТ 4

140

—

68 60 —

— —

— 60

— —

— 17 20

—

ВТ15

Листы

— 142 95 91

79 54

- -

5 6

4 5

- -

от друга соотношением а- и p-фаз. Типичная структура сплавов

дана на рис. 137 атласа. Однако в условиях быстрого охла

ждения (например, при закалке в воде в сплавах образуются

промежуточные метастабильные фазы и в зависимости от

содержания р-стабилизирующей добавки они могут иметь

структуру состоящую из мартенситной а'-фазы или метастабиль-

ной p-фазы, фиксированной с высокой температуры.

В связи с этим а + р-сплавы делятся на два класса сплавы

мартенситного типа и сплавы с метастабильной р-фазой.

Для каждого р-стабилизатора имеется своя критическая

концентрация, при которой достигается практически полное по

давление мартенситного превра

щения и в сплавах фиксируется

только высокотемпературная р-

фаза.

Эти критические концентрации

соответствуют следующим значе

ниям для Мо 11%, V 15%, Мп

8%, Сг 6% и Fe 4% по массе

Указанная критическая концен

трация является своеобразной

границей между сплавами дан

ных классов.

Мартенситная a-фаза иголь

чатого строения является проме

жуточной метастабильной фазой,

образующейся при переходе р- в

a-фазу р-^а'Н- а. Она имеет ту же кристаллическую решетку,

что и a-фаза, но с некоторыми искажениями ее формы и разме

ров, подобно мартенситу в сталях. При длительном нагреве мар

тенситная а'-фаза переходит в стабильную а-фазу

На характер образования мартенситной структуры и темпера

туру мартенситного превращения существенное влияние оказы

вают различные легирующие добавки (рис. 140

Наиболее сильно понижают температуру мартенситного пре

вращения элементы W Мо, Мп и Fe. Поэтому эти добавки часто

называются мартенситно-образующими добавками.

Фаза р, фиксируемая с высокой температуры, является пере

сыщенным твердым раствором на основе (3-Ti.

При низкотемпературном нагреве отпуске) она подвержена

распаду с образованием стабильных р- и а-фаз.

В литературе [115] имеются указания на то, что в сплавах

титана с переходными элементами Cr Мо, Fe, Mn, V) при

больших количествах легирующих добавок (достаточных для

подавления мартенситного превращения при охлаждении из

13-области может происходить распад p-фазы по схеме

Ро + +

Концентрация % (amо мн.)

Рис. 140. Влияние различных эле

ментов на температуру мартенсит

ного превращения в сплавах тита

на [115]

267

где р0

первоначальная р-фаза,

Рг

фаза р, обогащенная легирующим компонентом

Ре

фаза р равновесного состава,

СО

промежуточная фаза с решеткой когерентной остаточ

ной р-фазы,

стабильная низкотемпературная фаза.

Появление co-фазы сопровождается увеличением легирующего

элемента в остаточной p-фазе фаза рг которое сопровож

дается уменьшением периода решетки.

При низкотемпературном распаде при образовании со-фазы

a-фаза не образуется. С образованием а-фазы co-фаза исчезает

и остаточная p-фаза принимает равновесный состав фаза ре

Промежуточная фаза со имеет тетрагональную кристалличе-

о о

скую решетку с периодами а = 3,673 А, b = 4 738 А. Образо

вание мартенситной а'-фазы и фазы со вызывает снижение

пластичности сплавов и появление хрупкости. Особенно это

отрицательно сказывается на качестве сварных швов образова

ние игольчатой мартенситной структуры и появление хрупкой

(о-фазы резко снижают угол гиба сварного шва и вызывают

появление трещин.

Было замечено [113], что введением некоторых элементов

Re, Zr В в малых количествах от 0,005 до 0,05% можно

значительно улучшить пластичность ряда титановых сплавов и

их сварных швов. По-видимому введение указанных присадок

способствует стабилизации p-фазы, подавлению мартенситного

превращения и устраняет образование хрупкой ш-фазы.

К сплавам мартенситного класса относятся сплавы систем

Ti Al Mn ОТ4-1 ОТ4, ВТ4, ОТ4-2), Ti Al Nb (ИРМ-1

и ИРМ-2 и Ti Al Fe Cr АТЗ, AT4)

К сплавам с метастабильной p-фазой относятся сплавы си

стем Ti Al V (ВТ6С, ВТ6), Ti Al Mo (BT8, BT16,

ИРМ-3 Ti Al Mo V (BT14 Ti Al Cr ВТЗ, BT3-1

Типичная структура с метастабильной фазой дана на рис. 138

атласа.

Третью группу составляют сплавы со стабильной p-фазой и

сплавы, содержащие, кроме p-фазы, небольшие количества

a-фазы или интерметаллических соединений.

К этой группе относится сплав системы А1 Сг Мо

ВТ15 Микроструктура сплава дана на рис. 139 атласа.

Сплавы с a -структурой не упрочняются термообработкой.

Сплавы со структурой а + р мартенситного типа и с мета

стабильной p-фазой и с p-структурой, содержащие небольшие

количества a-фазы или интерметаллических соединений, заметно

упрочняются при термообработке (закалке и отпуске

Режимы термообработки титановых сплавов приведены

в табл 73.

268

Таблица 73

Режимы термической обработки титановых сплавов [9]

Марка сплава

Отжиг

Закалка

Старение

температура о

листы и лис

товые детали

гжига (+10° С)

прутки, поков

ки, штамповки

профили

температура

закалки

(±10 °С)

температура

старения

(+10° С)

длительность

старения,

BT5

800

BT5-1 750

800

OT4—1

650

750

OT4

670

750

BT4 700

750

O T4-2

700

850

BT6C*2

800

850-920

450-500

BT6

800 950

450-500

BT8

920

950

500-600

1 -6

ИРМЗ 800

BT16*4 780

780 790

500 16

ИРМ- 1

750-800

ИРМ—2 750-800

втз

870

BT3 I*1

870 650

880

550

3 -1 0

ВТ14*3

750

750 870

500 8 -1 6

BT15

800 800

800 480—500

15-25

500

15 мин

** Изотермический отжиг: нагрев до 870 :15° С, выдержка, охлаждение с печью (или

перенос в печь) с температурой 650 15° С, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе.

*2 Для повышения пластичности рекомендуется отжиг при 850° С, выдержка и охлаждение

с печью до 750° С, выдержка 30 мин охлаждение на воздухе.

*3 Для повышения пластичности рекомендуется отжиг при 849° С, выдержка, охлажде

ние с печью до 650° С. выдержка 30 мин. охлаждение на воздухе.

*4 Охлаждение с печью со скоростью 2—3 мин до 400° С. затем на воздухе.

При отжиге сплавов с a-структурой происходит рекристалли

зация деформированной структуры. Отжиг а + р сплавов способ

ствует распаду метастабильных фаз и получению стабильной

рекристаллизованной структуры.

Структура отожженного сплава системы Ti Al V ти

па ВТ6) показана на рис. 137 атласа.

При закалке а 4- р-сплавов из p-области фиксируются мар-

тенситная фаза а' и метастабильная p-фаза, которые распадают

ся при последующем старении, образуя частицы а- и р-стабиль-

ных фаз различной дисперсности.

На рис. 140 атласа на примере сплава ВТ14 показана типич

ная структура сплава после закалки и старения.

В высоколегированных р-сплавах например, ВТ15) при ста

рении происходит распад p-фазы с выделением дисперсной

a -фазы. На рис. 141 а, б атласа дана структура состаренного

сплава ВТ15.

269

Закалка и старение а + |3- и р-сплавов приводят к упрочне

нию сплавов. Однако наиболее эффективна термообработка для

высоколегированных сплавов ВТ14, ВТ15 и ВТ16.

На рис. 141 на примере сплава ВТ14 показано изменение

механических свойств в зависимости от температуры закалки.

На рис. 142 показано изменение

механических свойств того же спла

ва, закаленного с 880° С и отпущен

ного при различных температурах в

течение 2, 4, 8, 16 и 32 ч. Как сле

дует из приведенных кривых ста

рения, сплав значительно упроч

няется за счет термической обра

ботки, при этом пластичность оста

ется практически на одном уровне.

Механические свойства сплавов

ВТ 4, ВТ15 и ВТ16 при различных

температурах после упрочняющей

термообработки по оптимальным

режимам приведены в табл. 72.

Деформируемые титановые спла

вы в виде поковок, прутков, листов,

профилей, труб и других полуфаб

рикатов широко используются в про

мышленности.

Технический титан ВТ , ВТ1 1, ВТ1-0, ВТ1-2 и сплавы

ОТ4-1 ОТ4 ОТ4-2, ВТ5, ВТ5-1 ВТ4, АТЗ, АТ4 и ВТ6 хорошо

свариваются всеми видами существующих сварок и применяют

ся в основном в виде листов, труб, профилей в сварных конст

рукциях.

Сплавы ВТЗ, ВТ4 ВТЗ-1 ВТ6, ВТ6С используют в основном

для производства поковок и штамповок. Сплав ВТЗ рекомендует

ся для деталей и изделий, работающих до 350° С, сплав ВТ6 и

ВТ6С до 400° С, ВТ4 до 450° С. Сплавы ВТЗ и ВТ6 при

меняются для лопаток компрессоров, двигателей и других дета

лей сплавы ВТ4 и ВТ6С для деталей и силовых элементов

конструкций, выполненных с применением сварки.

Сплавы ВТ14, ВТ15 и ВТ16 рекомендуют для высоконагру-

жеиных деталей изготовляемых из листов, поковок и штамповок.

Сплавы ВТ 4 и ВТ 16 применяют также для изготовления кре

пежных деталей, работающих на срез, а также для сварных

конструкций. Сплав ВТ14 рекомендуют для изготовления дета

лей и изделий, работающих длительное время при температурах

до 400° С и кратковременно до 500° С, сплав ВТ15 рекомендуют

для длительной работы при температуре до 300° С и кратковре

менно до 800° С Сплав марки ВТ16 может длительно рабо

тать при температурах до 350° С и кратковременно работать до

700° С.

Температура закалки'С

Рис. 141 Изменения механи

ческих свойств сплава ВТ 14

в зависимости от температу

ры закалки

270