Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Конспект лекций

Подождите немного. Документ загружается.

181

10- 25 %. К тому же азотированный слой тонок, и поэтому доводка азотиро-

ванных деталей до нужных размеров встречает существенные затруднения. В

связи с этим азотирование титана и его сплавов, хотя и является наиболее

распространенным видом химико-термической обработки, применяется в ог-

раниченных масштабах.

Поверхностного упрочнения титана и его сплавов достигают так же

ок-

сидированием. Окисные слои большой толщины, образующиеся в результате

окисления при температурах выше 850-900 °С, отрицательно влияют на ме-

ханические и служебные свойства титана и его сплавов.

В настоящее время в промышленности применяют три технологиче-

ские схемы оксидирования:

а) на воздухе при 700- 800 °С с последующим медленным охлаждением

с печью.

б) на воздухе

при 850°С с последующим охлаждением в воде для уда-

ления слоя окалины.

в) в засыпке графитом или песком при 700-850°С с последующим ох-

лаждением вместе с засыпкой на воздухе.

При выборе режимов оксидирования для того или иного конкретного

применения учитывают, что с понижением температуры уменьшается вред-

ное влияние диффузионного слоя

на циклическую прочность сплава, но вме-

сте с тем уменьшается толщина оксидированного слоя.

5.7 Дефекты термически обработанных изделий и полуфабрикатов

К типичным дефектам чисто термического происхождения относятся:а)

нежелательная крупнозернистость, возникшая из за перегрева металла выше

точки Ас

или вследствие слишком больших выдержек при температурах, со-

ответствующих верхней части α + β области; б) отклонение механических и

служебных свойств от заданных техническими условиями из за нарушения

технологических термической обработки; в) недопустим сильное газонасы-

щение, обусловленное термической обработкой в атмосфере с повышенным

содержанием активных по отношению к титану газов; г) испарение

леги-

рующих элементов из поверхностного слоя или по границам зерен в процессе

вакуумного отжига при слишком высоких температурах; д) коробление изде-

лий или полуфабрикатов из-за недопустимо больших скоростей нагрева и ох-

лаждения при термической обработке; е) трещины, обусловленные термиче-

скими и фазовыми напряжениями.

182

5.8 Физические и механические свойства титана

Титан плавится при довольно высокой температуре (1668 ± 4 °С);

скрытая теплота плавления и испарения титана почти в два раза больше, чем

у железа.

Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпера-

турная α-модификация, существующая до 882,5 °С, обладает гексагональной

плотноупакованной решеткой. При температуре 25 °С периоды решетки α-

титана составляют: а = 0,29503 нм, с = 0,46831 нм, с/а

= 1,5873; кратчайшие

межатомные расстояния равны 0,2894 и 0,2951 нм.

Высокотемпературная β-модификация, устойчивая от 882,5 °С до тем-

пературы плавления, имеет объемно центрированную кубическую решетку.

Период решетки β-титана при комнатной температуре, полученный путем

экстраполяции данных для β-сплавов, равен 0,3282 нм.

Плотность α- титана при комнатной температуре равна 4,505 г/см3. При

переходе α- титана

в β-титан объем металла несколько уменьшается. Титан

обладает низкой теплопроводностью. Коэффициент термического расшире-

ния титана при комнатной температуре сравнительно мал; с повышением

температуры он возрастает.

Модули упругости титана невелики и обнаруживают существенную

анизотропию. При измерении в направлении оси с модуль Юнга равен 146

ГПа, а в перпендикулярном направлении - 106 ГПа. Для поликристалличе

ского титана среднее значение модуля Юнга 103 ГПа. Титан имеет довольно

высокое удельное электросопротивление.

Чистейший иодидный титан обладает высокими пластическими свой-

ствами при сравнительно низкой прочности. Высокие пластические свойства

титана по сравнению с другими гексагональными металлами (магнием, цин-

ком, кадмием) объясняют различием в соотношении осей с/а. Соотношение

с/а для

идеальной гексагональной плотноупакованной решетки равно 1,633.

У титана соотношение осей с/а, равное 1,587, на 2,9% меньше, чем у идеаль-

ной решетки. Сближение плоскостей базиса в плотноупакованной структуре

может быть достигнуто лишь увеличением межатомных расстояний в этих

плоскостях.

Пластическая деформация в титане осуществляется путем двойникова-

ния по плоскостям {1012 }; {1121 }; { 1122 }; {1123 } и {1124}.

В (β- титане механизм скольжения

протекает по плоскостям {110} и {112} в

направлении наибольшей плотности упаковки <111>.

5.9 Коррозионная стойкость титана

Титан

- химически активный металл. И во многих агрессивных средах

обладает исключительно высоким сопротивлением коррозии.

183

Титан интенсивно реагирует лишь с четырьмя неорганическими кисло-

тами: плавиковой, соляной, серной и ортофосфорной. Титан стоек в тех сре-

дах, которые не разрушают защитную оксидную пленку на его поверхности,

и особенно в тех средах, которые способствуют ее образованию. Титан ус-

тойчив в разбавленной серной кислоте, уксусной и молочной кислотах, серо-

водороде

, во влажной хлорной атмосфере, в царской водке и многих других

агрессивных средах. Титан отличается высокой коррозионной стойкостью в

морской воде.

Коррозионную стойкость титана в агрессивных средах можно значи-

тельно повысить легированием. Также коррозионную стойкость титана в рас-

творах серной, соляной и фосфорной кислот эффективно повышают рений,

молибден, цирконий, ниобий, тантал.

Титан склонен к коррозии под напряжением в присутствии хлористого

натрия; это явление получило название солевой коррозии. Солевая коррозия

проявляется в том, что под действием напряжений в месте контакта поварен-

ной соли, а также других галоидов, с титановым сплавом возникают трещи-

ны, которые постепенно распространяются в глубь металла, приводя к преж-

девременному

разрушению. Это растрескивание наблюдается при темпера-

турах примерно от 215 до 550 °С, т.е. в том температурном интервале, в ко-

тором применение титановых сплавов наиболее целесообразно.

Титан при достаточно высоких температурах взаимодействует с газа-

ми: кислородом, азотом, водородом, окисью углерода, двуокисью углерода,

водяным паром, аммиаком.

Технический титан взаимодействует с кислородом особенно интенсив

но при температурах выше 700°С. Скорость поглощения титаном азота зна-

чительно меньше скорости поглощения кислорода. Поэтому при нагреве на

воздухе в основном происходит окисление, а роль азота весьма незначитель-

на, хотя воздух на 4/5 состоит из азота.

Титан при низких температурах абсорбирует чрезвычайно большие ко-

личества водорода. Например, при температуре 600 °С

и давлении 0,1 МПа

титан поглощает 32000 см3/100 г водорода, в то время как железо при той же

температуре - всего 1,31 см

/100 г, а алюминий - 0,026 см

/100 г. Реакция

взаимодействия титана и его сплавов с водородом обратима, так что вакуум-

ным отжигом водород из металла можно удалить.

Основной источник наводороживания при взаимодействии титана и его

сплавов с окружающей средой - пары воды. При взаимодействии с титаном

водяные пары разлагаются с образованием оксидной пленки на поверхности

образца и водорода,

который распределяется между газовой фазой и твердым

титаном.

184

5.10 Взаимодействие титана

с легирующими элементами и примесями

В соответствии с правилами Юм-Розери титан образует непрерывные

твердые растворы с α- и β-модификациями циркония и гафния, а β-

модификация титана - с ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом и

вольфрамом. С.Г.Глазунов разделил все легирующие элементы по влиянию

на полиморфизм титана на три группы:

1.Первая группа представлена α-стабилизаторами - элементами, по-

вышающими температуру полиморфного превращения титана (рис. 4.1, а).

Из металлов к числу α-стабилизаторов относятся алюминий, галлий и индий,

из неметаллов - углерод, азот и кислород.

2. Ко второй группе принадлежат β-стабилизаторы - элементы, по-

нижающие температуру полиморфного превращения титана. Эти элементы в

свою очередь можно разбить на три подгруппы. В сплавах титана с элемен-

тами первой подгруппы происходит эвтектоидный распад β-фазы β -> α + γ

(рис. 5. 3)к числу таких элементов относятся хром, марганец, железо, медь,

никель, кобальт - их

называют эвтектоидообразующими β -стабилизаторами.

3.Третья группа представлена легирующими элементами, мало влия-

ющими на температуру полиморфного превращения титана. К числу таких

элементов относятся: олово, цирконий, германий, гафний и торий. Эти эле-

менты называют нейтральными упрочнителями.

Рис. 5.3. Диаграммы состояния титан – легирующий

элемент (схемы): а - Ti – α-стабилизаторы; б - Ti –

изомофорные β-стабилизаторы; в - Ti –

эвтектоидообразующие β-стабилизаторы; г - Ti –

αβ

,tC

882

,, ,Al O N C

Легирующий элемент

αβ

,tC

882

,, ,Sn Zr Hf Th

Легирующий элемент

,tC

882

Ta Nb

,tC

882

,,,,,Cr Mn Fe Ni W Cu

185

Почти все промышленные титановые сплавы легированы алюминием,

так что система Ti-Al в металловедении Ti имеет большое значение. В систе-

ме Тi-Аl в богатой титаном области (рис.5. 4) образуются два интерметаллида

Тi

Аl (α

-фаза) и ТiА1 (γ-фаза). Фаза α

(Тi3А1) имеет ГПУ кристаллическую

структуру типа Do

, близкую к решетке α-фазы, но отличается от нее упо-

рядоченным расположением атомов титана и алюминия (рис. 4.3). Периоды

решетки α

-фазы: a

α2

= 2

аα

; с

аг

=с

(а

а2

=0,577; с

α2

=0,462 нм; с/а = 0,795). Фаза γ

(Ti

Al) обладает упорядоченной тетрагональной искаженной гранецентриро-

ванной структурой типа Ll0, аналогичной сверхструктуре Сu Аu, в которой

слои, упакованные атомами титана, чередуются со слоями, занятыми атома-

ми алюминия. Периоды решетки γ-фазы: а = 0,3984...0,3949 нм; с =

0,4065...0,4089 нм; с/а = 1,020...1,035. В богатой титаном области происходят

два перитектических превращения: ж + β -> α (при 1475 °С) и ж

+ α -> γ (при

1447 °С). При более низкой температуре (1118 °С) наблюдается эвтектоид-

ный распад α-фазы по схеме α -> α2 + γ.

Рис. 5.4.Диаграмма состояния системы Ti- Al

186

Рис.5.5.Расположение атомов титана и

алюминия в плоскости (0001) α

-фазы

6.11 Фазовые превращения в титане и его сплавах

В титане основным превращением является полиморфное: Тi α<-> Тi

При небольших скоростях охлаждения это превращение происходит путем

образования зародышей новой фазы и роста зерен.

Полиморфное превращение в титане происходит в соответствии с

принципом ориентационного и размерного соответствия. Согласно этому

принципу, форма и ориентация зародышей новой фазы при кристаллизации в

анизотропной среде должны соответствовать принципу минимальной по-

верхностной энергии в

данном объеме, а минимум поверхностной энергии

достигается при максимальном сходстве в расположении атомов на соприка-

сающихся гранях старой и новой фаз.

На рис 5.6 внутри пяти элементарных ячеек ОЦК решетки выделена

ячейка, которая преобразуется в гексагональную структуру. Эти ячейки со-

держат общие плоскости (011) и (0001). Вид на

это изображение вдоль направлений [011] ОЦК

решетки

и [0001] ПТУ решетки приведен на

рис.6.7. Пунктирными кружками показаны ато-

мы в центре ОЦК ячеек. Углы треугольника

АВС равны 70°32'; 54°44' и 54°44'. Для того

чтобы получить элементарную ячейку ГПУ ре-

шетки необходимо сместить атомы в плоско-

стях (011) - (0001) до преобразования треуголь-

ников типа АВС в правильные треугольники с

углами в 60° при вершинах, а

пунктирные ато-

мы из центров ОЦК ячеек переместить в ячей-

ки, образованные плотноупакованными атома-

ми. Указанное преобразование осуществляется сжатием ОЦК решетки на

10% вдоль направления [011]в и расширением на 1% вдоль [101]в. В итоге

Рис.5.6. Прообраз

элементарной ячейки ГПУ

решетки в ОЦК структуре

187

устанавливаются следующие ориентационные соотношения между в и α-

фазами: (011)в // (0001)а; <111>в // < 1120 >а. Эту ориентационную взаимо-

связь называют соотношениями Бюргерса.

Рис.5.7. Схема расположения атомов в

плоскостях (011) ОЦК решетки (а) и (0001)

ГПУ решетки (б)

При охлаждении зерна β-фазы разбиваются при полиморфном превра-

щении β→ α на несколько более мелких кристаллов α-фазы, но в соответст-

вии с ориентационным принципом каждое α-зерно имеет общность в ориен-

тировке с соседними зернами α-фазы, в результате чего возникает своеобраз-

ная текстура внутри каждого зерна, которую

называют внутризеренной тек-

стурой.

Типичная микроструктура сплавов со структурой α', α' + β(ω) и р на

примере системы Тi-Cr приведена на рис. 5.8.

188

Рис.5.8 Микроструктура сплавов титана после закалки с

температур, соответствующих

Зависимость механических свойств сплавов титана с эвтектоидообра-

зующими β-стабилизаторами от состава после закалки с температур, соответ-

ствующих β области, иллюстрируется рис. 5.9 на примере сплавов системы

Т1-Сг, закаленных с 950 °С. С увеличением содержания хрома в α'-

мартенсите сильно повышаются характеристики прочности, а характеристи-

ки пластичности и модули упругости сплавов

резко снижаются. Временное

сопротивление разрыву достигает максимума в сплавах со структурой α' +

β(ω). Высокая прочность и полное отсутствие пластичности обусловлено

большим количеством ω-фазы. При увеличении содержания хрома свыше 6%

количество ω-фазы уменьшается, что приводит к снижению прочности и по-

вышению пластичности. Модули упругости закаленных сплавов с эвтектои-

дообразующими легирующими

элементами наименьшие у сплавов с макси-

мально пересыщенным а'-мартенситом и наибольшие при максимальном ко-

личестве ω-фазы.

Сплавы титана с изоморфными и квазиизоморфными β-стабилизато-

рами отличаются от сплавов титана с эвтектоидообразующими β-

стабилизаторами тем, что при закалке с температур, соответствующих β-

области, мартенситная фаза до некоторой концентрации (с)

имеет гексаго-

нальную структуру (ее называют α'-мартенситом), а при больших концентра-

циях начинается ромбическое ее искажение, тем более сильное, чем больше

содержание легирующих элементов: такую фазу называют а"-мартенситом.

189

Поскольку переход от α '- к α"-мартенситу происходит путем одновре-

менного постепенного смещения атомов по всему объему, его можно рас-

сматривать как фазовый переход II рода.

За- висимость

механиче- ских

свойств закален-

ных с темпера-

тур β- области

сплавов титана с

изоморф- ными β-

стабилиза- торами

принципи- ально от-

личается от анало

гичных зависимо-

стей для β- эвтекто-

идных систем. На

рис. 5.9 приведены

для при- мера ме-

ханиче- ские свой-

ства спла- вов титана

с молиб- деном по-

сле закал- ки с 1000

°С. Проч- ностные

свойства закаленных сплавов с увеличением содержания легирующего эле-

мента сначала возрастают из-за повышения степени легированное™ α

мартенсита, а затем, при смене α'-мартенсита на α"-мартенсит, начинают па-

дать и достигают минимума при максимально легированном α"-мартенсите.

При концентрациях β-стабилизирующего элемента выше первой критической

С"кр прочностные свойства возрастают из-за увеличения доли β-фазы, уп-

рочненной ω-фазой, и достигают максимума при второй критической

кон-

центрации когда количество ω-фазы максимально. Дальнейшее увеличение

содержания легирующего элемента приводит к снижению прочностных

свойств сплавов в результате уменьшения количества β-фазы. Прочностные

свойства сплавов достигают миникгума при третьей критической концентра-

ции, при которой количество ω-фазы становится равным нулю, а затем воз-

растают из-за увеличения степени легированности

β-фазы. При эквиатомном

составе можно ожидать максимума прочностных свойств. Для пластических

свойств характерны обратные зависимости; максимуму прочностных свойств

соответствуют минимум пластических, минимуму прочностных - максимум

пластических характеристик. Модули упругости закаленных из β-области

сплавов с изоморфными β-стабилизаторами меняются в зависимости от со-

Рис. 5.9 Механические свойства сплавов титана с хромом

(а) и молибденом (б) после закалки с температур, соответ-

ствующих β-области

190

става качественно так же, как и в сплавах с эвтектоидообразующими β-

стабилизаторами.

Стабильность β-фазы, зафиксированной закалкой, существенно зависит

от содержания β-стабилизаторов. Если содержание легирующего элемента не

превышает концентрацию С

, то зафиксированная закалкой β-фаза распада-

ется под действием напряжений или деформаций и поэтому ее называют ме-

ханически нестабильной. При содержании легирующих элементов, превы-

шающих концентрацию С

. зафиксированная закалкой β-фаза не распадается

под действием напряжений и деформаций и ее называют механически ста-

бильной. Однако β-фаза в этих сплавах термодинамически нестабильна. При

нагреве из нее выделяются дисперсные частицы упрочняющих фаз, что по-

зволяет упрочнять эти сплавы термической обработкой. В сплавах титана с

изоморфными β-стабилизаторами при

содержании легирующих элементов

больше β-фаза (см. рис. 5.3, б) термодинамически стабильна и не распадает-

ся при нагреве.

5.12 Метастабильные фазы в титановых сплавах

Метастабильная α-фаза образуется, в частности, при закалке сплавов

титана с эвтектоидобразующими β-стабилизаторами из-за уменьшающейся

при понижении температуры растворимости легирующих элементов в α-

титане. представляет собой пересыщенный раствор внедрения, а титановый

мартенсит - это раствор замещения. Далее, при мартенситном превращении

β→α′ в титановых сплавах наблюдается сравнительно слабый эффект упроч-

нения.

Титановые сплавы с мартенситной структурой в отличие от большинства за-

каленных сталей обладают пластичностью, если только при закалке одно-

временно не образуется большое количество ω-фазы, как, например, в спла-

вах системы Тi-Сr.Мартенсит в титановых сплавах имеет пластинчатую мик-

роструктуру.

В сплавах титана с изоморфными (V, Nb, Та, Мо, W) и

квазиизоморфными

(Re, Ru, Оs, Rh, Уг) β-стабилизаторами при достаточно сильном пересыще-

нии мартенсита легирующими элементами ά-фаза ,сменяется а"-фазой с

ромбической кристаллической структурой. I., Рентгенографически переход

от ά - к α”-структуре проявляется в том, что некоторые линии мартенситной

фазы на рентгенограммах начинают раздваиваться

Титановый мартенсит имеет довольно сложное внутреннее строение: в нем

наблюдаются дислокации, двойники и дефекты упаковки. Перестроенная в

гексагональных координатах решетка (β-фазы (гексагональная ячейка (β-

фазы выделена жирными линиями на рис. 5.10, а) по размерам и числу ато-

мов в ячейке очень близка к элементарной ячейке α-фазы. Отличие заключа-

ется лишь в расположении внутренних атомов. В (β-фазе внутренние

атомы