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

Подождите немного. Документ загружается.

191

расположены вдоль одного из направлений <111> (рис. 5.10, б), а в элемен-

тарной ячейке ω-фазы один из этих атомов (l) смещен примерно на 1/3 c

вверх от него, а другой (2) - на 1/3 с вниз, так что внутренние атомы распола-

гаются вдоль горизонтальной прямой, параллельной основаниям (рис. 5.10,

в).

Рис.5.10. Кристаллические структуры β- и ω-фаз: а -

схема выделения гексагональной ячейки в ОЦК

решетке β-фазы; б - связь гексагональной

элементарной ячейки с кубической объемноцен-

трированной ячейкой ω-фазы; в 1/3 часть

элементарной ячейки β фазы

5.13 Превращения при старении и изотермической обработке

При отпуске и старении закаленных сплавов происходит распад мета-

стабильных фаз. По принятой терминологии термин «отпуск» применяют в

том случае, если при нагреве закаленного сплава происходит распад мартен-

сита; если же при нагреве закаленного сплава распадаются пересыщенные

растворы, обусловленные переменной, уменьшающей с понижением темпе-

ратуры растворимостью, то используют термин «старение».

титановых сплавах обнаружено два типа α-фазы, образующейся при

распаде метастабильного β-твердого раствора. Фаза α первого типа, обра-

зующаяся при довольно высоких температурах старения, имеет простое

строение, она монолитна и выделяется в форме пластин, глобулей или игл.

Выделения α-фазы второго типа, формирующиеся при низких температурах

старения, представляют собой

пластинчатые колонии, образованные очень

тонкими пластинками; они имеют двойниковое строение. Фаза, α простого и

сложного строения может образоваться также при отжиге. Иногда выделения

второго типа образуют оторочку вокруг частиц α-фазы первого типа. При

температурах ниже 500 °С распад β-фазы довольно часто начинается с фор-

мирования внутри нее ω-состояния (ω

-фазы). Фаза ω, образующаяся при ста-

192

рении и изотермической обработке, по кристаллическому строению сходна с

ω-фазой, формирующейся при закалке. Первую фазу называют изотермиче-

ской, а вторую – атермической. Поскольку β→ω-превращение происходит по

мартенситному механизм}', в общем случае ему должно предшествовать об-

разование обогащенных и обедненных β-стабилизаторами объемов в резуль-

тате флуктуации состава или расслоения твердого

раствора, в том числе и

путем синодального распада. Флуктуации состава β-фазы или ее расслоение

порождают объемы, состав которых соответствует условиям образования

атермической ω -фазы. В этих обедненных объемах происходит переход

β→ω бездиффузионным путем. Образовавшиеся зародыши ω -фазы далее

растут диффузионным путем, оттесняя избыток атомов β-стабилизирующих

элементов в β-

матрицу сплава.

При низких температурах мартен-

сит в титановых сплавах довольно ус-

тойчив и сохраняется длительное время.

Его распад начинается при нагреве до

температур выше 300...400 °С. Распад

α"-мартенсита описывают следующими

схемами:

1) Распад α″-мартенсита начина-

ется с выделения β-фазы, в результате

чего он обедняется β-стабилизаторами и

переходит сначала в

α′, а затем в α-фазу:

α″→α″обед+β→α′+β→α+β

2) Распад α″- мартенсита начина-

ется с выделения α-фазы, он постепенно

обогащается β-стабилизаторами, становится термодинамически неустойчи-

вым и превращается в β-фазу α″→α″ обог + α″обед→βн + α′→β + α

3) По механизму спинодального распада образуются обогащенные

и обедненные β-стабилизаторами объемы мартенсита

, которые затем пре-

вращаются в β- и α-фазы неравновесного, а затем и равновесного состава:

α″→α″обог+α″обед→βн+α′→β+α

4) При нагреве закаленного сплава со структурой, представленной α"-

мартенситом, до температуры старения происходит обратное мартенситное

превращение α″→β; β-фаза расслаивается на обогащенные и обедненные

объемы, которые испытывают далее превращения в соответствии

с их соста-

вом.

Рис.5.11. Схема, иллюстрирующая

условия образования атермической (ωa),

изотермической (ω) ω-фазы и расслое-

ния β-твердого раствора (β+β’)

193

Механизм превращения мар-

тенсита зависит от его легированно-

сти, сопутствующих фаз, схемы тер-

мической обработки (закалка + ста-

рение или изотермическая обработ-

ка), температуры распада, структур-

ного состояния сплава. Рис.

5.12иллюстрирует условия распада

α"-мартенсита по спинодальному

механизму .На приведенном рисунке

концентрация С' соответствует пере-

ходу от а'- к α"-мартенситу.

Область

составов, в которой возможен сино-

дальный распад а"-мартенсита, за-

штрихован.

5.14 Классификация титана и его сплавов

Принятая в настоящее время классификация титановых сплавов, пред-

ложенная С.Г.Глазуновым, основана на структуре, которая формируется в

них по принятым в промышленности режимам термической обработки. Со-

гласно этой классификации следует различать:

1) α-титановые сплавы, структура которых представлена а-фазой;

2) псевдо-α-сплавы, структура которых представлена в основном а-

фазой

и небольшим количеством β-фазы (не более 5%);

3) (а + β)-сплавы, структура которых представлена в основном а- и β-

фазами;

4) псевдо-β-сплавы со структурой в отожженном состоянии, представ-

ленной а-фазой и большим количеством β-фазы; в этих сплавах закалкой или

нормализацией с температур β-области можно легко получить

однофазную β-

структуру;

5) β-сплавы, структура которых представлена термодинамически ста-

бильной β-фазой.

Влияние алюминия и нейтральных упрочнителей на структуру и свой-

ства многокомпонентных титановых

сплавов можно оценить с помощью эквивалента по алюминию. Экви-

валент по алюминию определяют двояким способом. В первом из них ос-

стабилизаторы и нейтральные упрочнители сопоставляются

по вызываемому

ими растворному упрочнению α-фазы. Введение в титан 1% (по массе) алю-

миния, олова, циркония, кислорода, кремния, углерода и азота повышает

временное сопротивление разрыву на 60, 30, 20, 1250, 200, 700, 2000 МПа со-

Рис.5.12. Схема, иллюстрирующая условия

спинодального распада α″-мартенсита: l-

Метастабильный сольвус для когерентного

орторомбического мартенсита; 2-

спинодаль для α″ -мартенсита

194

ответственно. Содержание азота и углерода во всех титановых сплавах при-

мерно одинаково и их можно не учитывать.

По интенсивности повышения предела текучести при введении 1

атомн. % легирующие элементы располагаются в ряд Nb, Та, Zr, А1, V, Sn,

Сu, Si, Мn, Со, Fe, Мо, Сг.

Типичные структуры титановых сплавов

В зависимости от формы структурных составляющих все наблюдаемые

разновидности структур в титановых сплавах можно отнести к одному из че-

тырех типов:

- так называемая превращенная β -структура, которая получается при

малых скоростях охлаждения из β -области; в структуре присутствует быв-

шее β -зерно, в котором расположены α-колонии (рис.5.13а);

- смешанная

или дуплексная структура, которая получается при нагреве

в α + β область и последующем медленном охлаждении; структура состоит из

первичной α-фазы и β -превращенной матрицы (рис.513б);

- равноосная или глобулярная структура, которая формируется при де-

формации в α + β - области с последующим рекристаллизационным отжигом

при температурах ниже β - области (5.13в

);

- так называемая структура корзиночного плетения, которая образуется

при деформации вблизи температуры Ас

или при комбинированной дефор-

мации, когда она начинается в β -, а заканчивается в α + β -области

(рис.5.13г.)

Рис.5.13 – Типичные структуры титановых сплавов:а –

пластинчатая (β – превращенная); б – смешанная (дуп-

лексная; в – равноосная (глобулярная); г – корзиночного

5.15 Деформируемые титановые сплавы

Применяемые в настоящее время промышленные α-титановые сплавы

можно разбить на три группы. К первой группе (Тi-A) относятся двойные

сплавы системы Тi-А1. Из сплавов этой группы в промышленном масштабе

195

применяется лишь один сплав ВТ5, содержащий помимо титана 5% алюми-

ния. Он отличается более высокими прочностными свойствами по сравнению

с титаном, но его технологичность невелика. Сплав деформируется только в

горячем состоянии. В настоящее время он применяется только для фасонного

литья, в этом случае его маркируют как ВТ5Л. Из титановых сплавов его

считают наилучшим для применения при криогенных температурах и реко-

мендуют для изготовления деталей, работающих до температуры жидкого

водорода. При применении этого сплава для работы при криогенных темпе-

ратурах содержание примесей внедрения должно быть сведено к минимуму,

так как они вызывают хладноломкость. Состав сплава с пониженным содер-

жанием примесей внедрения обозначают

ВТ5-1кт.

К этой же группе относится сплав ПТ-7М, легированный в среднем

2,25 А1 и 2,5% Тл, предназначенный в основном для производства труб.

Ко второй группе принадлежат сплавы, легированные помимо алюми-

ния нейтральными упрочнителями: оловом и цирконием. Олово и цирконий

улучшают технологические свойства сплавов титана с алюминием, замедля-

ют их окисление

и повышают сопротивление ползучести. Из сплавов этой

группы наибольшее распространение имеет сплав ВТ5-1, содержащий около

5% А1 и 2,5% 5п. Этот сплав обладает значительной прочностью., мало чув-

ствителен к надрезу, имеет удовлетворительный предел выносливости, со-

храняет значительную жаропрочность до температур, не превышающих 450

°С; хорошо сваривается без охрупчивания шва и околошовной зоны. сплав

термически стабилен, термической обработкой не упрочняется.

Третью группу составляют дисперсионно твердеющие α-сплавы этой

группе относится английский сплав Тi+2,5% Сu, в котором снижение меди

соответствует ее предельной растворимости в α-Тi.

Деформируемые псевдо –α сплавы

Псевдо-α-сплавы можно подразделить на четыре группы.

К первой группе (Тi-A-B³) относятся сплавы, в которые помимо алюми-

ния введены эвтектоидообразующие β-стабилизаторы в количествах, близких

к их предельной растворимости. Структура этих сплавов при комнатной тем-

пературе представлена α-фазой и небольшим количеством (1...5%) β-фазы.

Эту группу представляют сплавы системы Т

i-А1-Mn (ОТ4-0; ОТ4-1; ОТ4),

образующие своеобразную цепочку составов. При близком оптимальном со-

держании марганца в этих сплавах меняется концентрация алюминия, что по-

зволяет получить большой диапазон свойств. Вместе с тем такая цепочка об-

легчает шихтовку сплавов и использование отходов.

Высокое сочетание механических свойств характерно для комплексно-

легированных сплавов пятикомпонентной системы

Тi-А1-Сг-Fе-Si, (сплавы

серии АТ). Эти сплавы также образуют цепочку составов; при постоянной

196

концентрации суммы элементов Сг, Fе, Si (примерно 1,5%) они имеют пере-

менное содержание алюминия. Сплав АТЗ содержит 3%, АТ4 - 4%, АТ6 -6%

А1. В сплавах этой серии нет дефицитных легирующих элементов. Сплавы

серии АТ обладают достаточно высоким временным сопротивлением разры-

ву при удовлетворительной пластичности; они более жаропрочны, чем спла-

вы системы Тi-А1-Мn, но менее

технологичны.

Вторую группу составляют сплавы, легированные алюминием и не-

большими добавками изоморфных β-стабилизаторов, в частности ПТЗВ и

сплавы серии ОТ4У-ОТ4В: (ОТ4-ОУ; ОТ4-1У; ОТ4У; ОТ4-1В; ОТ4В), отли-

чающиеся от сплавов типа ОТ4 заменой марганца на ванадий. Содержание

ванадия в сплавах серии ОТ4

У (ОТ4В) выбрано большим, чем марганца в

ОТ4, потому что первый элемент оказывает менее интенсивное β-

стабилизирующее действие, чем второй. Сплавы системы Тi-А1-V отличают-

ся от сплавов Тi-А1-Mn меньшей склонностью к водородной хрупкости и

вместе с тем обладают такой же высокой технологичностью при обработке

давлением, как и сплавы

серии ОТ4.

К третьей группе (Тi-А-.Bi-Bе-N) можно отнести комплексно легиро-

ванные сплавы, содержащие алюминий, (3-стабилизаторы и нейтральные уп-

рочнители. К этой группе принадлежат сплавы ВТ20 и ВТ18У. Сплав ВТ20

разрабатывали как более прочный листовой сплав по сравнению с ВТ5-1. Га-

рантированное временное сопротивление разрыву листов из сплава

ВТ20 со-

ставляет 950 вместо 750 МПа для сплава ВТ5-1 при практически одинаковом

относительном удлинении и поперечном сужении. Сплав ВТ18У относится к

наиболее жаропрочным титановым сплавам; он может длительно работать

при температурах 550...600 °С (см. рис. 4.39). Высокая жаропрочность сплава

обусловлена большим содержанием в нём алюминия, циркония и олова с эк-

вивалентом по алюминию

, близким к оптимальному значению (~ 9%). По-

вышению характеристик жаропрочности способствуют также небольшие ко-

личества молибдена и ниобия. Сплав легирован небольшим количеством

кремния, существенно повышающим жаропрочность. В отличие от других

псевдо-α-сплавов сваривается сплав ВТ 18 плохо.

К четвертой группе (Тi-N-Bi) можно отнести сплавы, легированные

нейтральными упрочнителями (обычно цирконием) и β-стабилизаторами(Nb,

V, Mo) в количествах, близких к их предельной растворимости в α–фазе.

Большинство псевдо-α-титановых сплавов применяют в отожженном состоя-

нии.

Деформируемые(α + β )-сплавы

По типу легирующих элементов (α + β)-сплавы можно разбить на пять

групп. К первой группе (Тi-A-Bи) можно отнести сплавы, легированные

алюминием и изоморфными β-стабилизаторами. Классическим сплавом этого

197

типа является ВТ6 и родственные ему зарубежные сплавы титана с 6% А1 и

4% V.

Сплавы типа ВТ6 (Т1-6А1-4У) относятся к числу наиболее распростра-

ненных за рубежом титановых сплавов. Сплав Тi-6А1-4V используется для

изготовления крупногабаритных сварных и сборных конструкций летатель-

ных аппаратов, для изготовления баллонов, работающих под внутренним

давлением в

широком интервале температур от -196 до + 450 °С, и целого ря-

да других конструктивных элементов. По данным зарубежной печати около

50% используемого в авиакосмической промышленности титана приходится

на сплав Тi-6А1-4V, аналогом которого являются отечественные сплавы типа

ВТ6.

Благодаря высокому содержанию β-фазы отожженный сплав ВТ16 об-

ладает высокой пластичностью и технологичностью. Он

хорошо деформиру-

ется как в горячем, так и в холодном состоянии, что обусловлено не только

большим количеством β-фазы, но и малым содержанием алюминия.

Сплав ВТ16 предназначается главным образом для изготовления дета-

лей крепления - болтов, винтов, заклепок и т.п. Основным видом полуфабри-

ката, изготавливаемого из этого сплава, является пруток диаметром

от 4 до

20 мм, полученный прокаткой или волочением. Детали крепления небольшо-

го диаметра получают из отожженных прутков холодной высадкой и приме-

няют в деформационно-упрочненном состоянии, а большого диаметра - теп-

лой или горячей высадкой с последующим термическим упрочнением путем

закалки и старения.

Вторую группу (Ti-A-B

-N-Si) составляют сплавы, легированные алю-

минием, изоморфными стабилизаторами, кремнием и иногда нейтральными

упрочнителями (в частности, цирконием). Сплавы этой группы содержат до-

вольно много алюминия (6...7%), а также кремний и цирконий, которые, как

и алюминий, повышают сопротивление ползучести и длительную прочность,

и поэтому относятся к жаропрочным.

Сплав этой группы ВТ8 легирован молибденом, алюминием

и неболь-

шими количествами кремния и циркония.

К третьей группе относятся сплавы, легированные алюминием, изо-

морфными и эвтектоидообразующими β-стабилизаторами, представленными

как переходными, так и непереходными элементами (обычно кремнием). От-

личие сплавов этой группы от предыдущей заключается в том, что при по-

вышенных температурах β-фаза в них может распадаться по

эвтектоидной

реакции, что вызывает их охрупчивание. Высоколегированные сплавы этой

группы содержат много β-фазы (до 50% в отожженном состоянии). Сплав

ВТ22 относится к сильнолегированным высокопрочным сплавам системы Тi-

А1-V-Мо-Сг-Fе. По содержанию β-стабилизирутощих элементов сплав ВТ22

близок ко второй критической концентрации (Кβ≈1,0). Структура и свойства

198

сплава ВТ22 сильно зависят от колебания химического состава в пределах,

установленных техническими условиями.

Сплав применяют в основном в виде поковок и штамповок. Он предна-

значен для получения высоконагруженных деталей и конструкций, длитель-

но работающих до температур 350.. .400 °С

5.16 Литейные титановые сплавы

Литейные свойства титана и его сплавов достаточно высоки. Их линей-

ная усадка невелика (~ 1%). Вследствие малого интервала кристаллизации

титановые сплавы имеют высокую жидкотекучесть и обеспечивают получе-

ние плотных отливок. Жидкотекучесть сплавов ухудшается с увеличением

интервала кристаллизации. Исключение составляют сплавы титана с алюми-

нием, у которых с увеличением содержания алюминия жидкотекучесть воз-

растает

, несмотря на расширение интервала кристаллизации, что объясняют

увеличением теплоты затвердевания. Для фасонного литья применяют титан

и его сплавы: ВТ1Л, ВТ5Л, ВТ14Л, ВТ6Л, ВТ9Л, ВТ20Л, ВТ35Л, которые по

составу практически совпадают с аналогичными деформируемыми сплавами.

В литейных сплавах допускается большее содержание примесей по сравне-

нию с деформируемыми сплавами.

Отливки отличаются меньшей пластичностью по сравнению с дефор-

мированными полуфабрикатами из того же сплава. Вместе с тем вязкость

разрушения отливок значительно больше, чем у деформированных полуфаб-

рикатов из тех же сплавов. Для литейных сплавов характерен относительно

низкий предел выносливости, составляющий всего около 50% от аналогич-

ной характеристики деформированного

полуфабриката с оптимальной мик-

роструктурой. Литейный псевдо-β-сплав ВТ35Л отличается от других литей-

ных сплавов высоким сопротивлением усталости на уровне выносливости

деформированных полуфабрикатов.

Горячая изостатическая обработка позволяет существенно улучшить

качество литого металла и значительно повысить механические свойства, ре-

сурс и надежность деталей.

199

Контрольные вопросы и задания

Перечислите виды термической обработки титановых сплавов.

Объясните принцип выбора дорекристаллизационного , рекристаллизаци-

онного, а также отжига для уменьшения остаточных напряжений.

Поясните технологию изотермического отжига.

Объясните принципы выбора режима закалки титановых сплавов.

Объясните принципы выбора режима старения (отпуска) титановых спла-

вов.

Поясните цель и технологию термомеханической обработки титановых

сплавов.

Укажите цель и технологию химико-термической обработки титановых

сплавов.

Объясните, как выполняют защиту титана и его сплавов от газонасыще-

ния.

Перечислите дефекты термически обработанных изделий и полуфабрика-

тов.

10.

Укажите основные свойства титана.

11.

Поясните, как титан взаимодействует с примесями (газами).

12.

Поясните, как титан взаимодействует с легирующими элементами.

13.

Объясните фазовые превращения в титане и его сплавах.

14.

Укажите метастабильные фазы в титановых сплавах.

15.

Объясните превращения при отпуске, старении и изотермической обра-

ботке титановых сплавов.

16.

Дайте классификацию титана и его сплавов.

17.

Укажите химический состав, структуру, режим термообработки, марки-

ровку, свойства, применение деформируемых титановых

α-сплавов.

18.

Укажите химический состав, структуру, режим термообработки, марки-

ровку, свойства, применение

α + β сплавов.

19.

Укажите химический состав, структуру, режим термообработки, марки-

ровку, свойства, применение

β-сплавов.

20.

Укажите химический состав, структуру, режим термообработки, марки-

ровку, свойства, применение литейных титановых сплавов.

200

6. ТУГОПЛАВКИЕ МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

6.1 Взаимодействие тугоплавких металлов с газами

Из тугоплавких лишь хром обладает высоким сопротивлением окисле-

нию. Это обусловлено образованием на поверхности хрома плотной туго-

плавкой пленки из окислаCr

, которая защищает металл от проникновения

в него кислорода. Взаимодействие хрома с кислородом начинается лишь при

температурах выше 900 °С. Все остальные тугоплавкие металлы интенсивно

окисляются при температурах выше 300 – 500 °С.

Ванадий окисляется уже при 400 °С с образованием на поверхности

металла плотной окисной пленки V

.при не слишком высоких температу-

рах окисная пленка прочно связана с металлом и защищает его от проникно-

вения кислорода. При температуре выше 675 °С окиселV

плавится и вана-

дий утрачивает самозащиту от окисления.

Ниобий и тантал начинают окисляться при температурах выше 200 и

300 °С соответственно. При температурах 300 – 700 °С кислород растворяет-

ся в металле, затем образуются субоксиды, которые при достаточно высоких

температурах и выдержках сменяются окислами: интенсивное окисление

происходит выше 500 °С для ниобия и выше 700 °С для

тантала. Окислы

имеют сравнительно высокие температуры плавления, но их удельные объе-

мы значительно превышают объем основного металла. По этой причине

окисные пленки растрескиваются и отслаиваются от металла, открывая дос-

туп кислороду к его поверхности.

При температурах ниже 300 °С молибден довольно устойчив в кисло-

роде. Выше этой температуры молибден окисляется с

образованием на по-

верхности голубоватой окисной пленки, которая защищает металл до 500 °С.

Выше 500 °С происходит испарение трехокиси молибдена, быстро ускоряю-

щееся с повышением температуры. Выше 700 °С молибден окисляется на

воздухе с образованием летучего окисла MoO

в виде белого дыма столь бы-

стро, что металл буквально «тает на глазах».

Вольфрам начинает окисляться при температурах выше 400 – 500 °С.

При температурах ниже 600 °С окисление происходит путем диффузии ки-

слорода в металл. При более высоких температурах на поверхности металла

образуется слой трехокиси вольфрама WO

,который отделен от металла тон-

ким слоем двуокиси WO

. при достижении определенной толщины окисная

пленка растрескивается, так как ее удельный объем значительно, чем у ос-

новного металла. После растрескивания пленки скорость окисления резко

возрастает. При температурах выше 950 °С окисление вольфрама облегчается

также из – за летучести трехокиси WO

С азотом тугоплавкие металлы в значительно меньшей степени, чем с

кислородом. В азоте они устойчивы до следующих температур, °С: ванадий