Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов

Подождите немного. Документ загружается.

200

Титан склонен к коррозии под напряжением в присутствии хлори-

стого натрия; это явление получило название солевой коррозии. Солевая

коррозия проявляется в том, что под действием напряжений в месте кон-

такта поваренной соли, а также других галоидов с титановым сплавом воз-

никают трещины, которые постепенно распространяются в глубь металла,

приводя к

преждевременному разрушению. Это растрескивание наблюда-

ется при температурах примерно от 215 до 550

С, т.е. в том температур-

ном интервале, в котором применение титановых сплавов наиболее целе-

сообразно.

Титан при достаточно высоких температурах взаимодействует с га-

зами: кислородом, азотом, водородом, оксидом и диоксидом углерода, во-

дяным паром, аммиаком.

Технический титан взаимодействует с кислородом особенно интен-

сивно при температурах выше 700

С. Скорость поглощения титаном азота

значительно меньше скорости поглощения кислорода. Поэтому при нагре-

ве на воздухе в основном происходит окисление, а роль азота весьма не-

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

Титан при низких температурах абсорбирует чрезвычайно большие

количества водорода. Например, при температуре 600

С и давлении 0,1 МПа

титан поглощает 32000 см

/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. Реак-

ция взаимодействия титана и его сплавов с водородом обратима, так что

вакуумным отжигом водород из металла можно удалить.

Основной источник наводороживания при взаимодействии титана и

его сплавов с окружающей средой – пары воды. При взаимодействии с ти-

таном водяные пары разлагаются с образованием оксидной пленки на по-

верхности образца

и водорода, который распределяется между газовой фа-

зой и твердым титаном.

5.8. Взаимодействие титана

с легирующими элементами

и примесями

В соответствии с правилами Юм-Розери титан образует непрерыв-

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

фикация титана – с ванадием, ниобием, танталом, хромом, молибденом и

вольфрамом. С.Г. Глазунов разделил все легирующие элементы, в зависи-

мости от влияния на полиморфизм титана, на три группы

201

▪

Первая группа представлена α-стабилизаторами – элементами, по-

вышающими температуру полиморфного превращения титана (рис. 5.3,

а).

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

дий, из неметаллов – углерод, азот и кислород.

Рис. 5.3. Диаграммы состояния системы титан–легирующий элемент

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

в – Ti–эвтектоидообразующие β-стабилизаторы; г – Ti–нейтральные элементы

▪

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 эле-

ментами первой подгруппы происходит эвтектоидный распад β-фазы:

β → α + γ (рис. 5.3,

в). К числу таких элементов относятся хром, марганец,

железо, медь, никель, кобальт – их называют эвтектоидообразующими

β-стабилизаторами. Элементы второй подгруппы (V, Mo, Nb, Ta, W) обра-

зуют непрерывные растворы с β-титаном. Их называют изоморфными

β-стабилизаторами (рис. 5.3,

б).

Легирующий элемент

α+β

,Ct

882

Al, O, N, C

Mo, V,

Ta, Nb

+β

,Ct

882

α+β

,Ct

882

Sn, Zr, Hf , Th

Cr, Mn, Fe, Ni, W, Cu

α+γ

α+

,Ct

882

Легирующий элемент

202

▪

Третья группа представлена легирующими элементами, мало

влияющими на температуру полиморфного превращения титана. К числу

таких элементов относятся олово, цирконий, германий, гафний и торий.

Эти элементы называют нейтральными упрочнителями (рис. 5.3,

г).

Рис. 5.4. Диаграмма состояния системы Ti–Al

Рис. 5.5. Расположение атомов титана

и алюминия в плоскости (0001) α

-фазы

Почти все промышленные титановые сплавы легированы алюмини-

ем, так что система Ti–Al в металловедении Ti имеет большое значение. В

системе Тi–Аl в богатой титаном области (рис. 5.4) образуются два интер-

металлида Тi

Аl (α

-фаза) и ТiА1 (γ-фаза). Фаза α

(Тi

А1) имеет ГПУ кри-

сталлическую структуру, близкую к решетке α-фазы, но отличается от нее

упорядоченным расположением атомов титана и алюминия (рис. 5.5). Фаза

γ(TiAl) обладает упорядоченной тетрагонально искаженной гранецентри-

рованной структурой, аналогичной сверхструктуре СuАu, в которой слои,

упакованные атомами титана, чередуются со слоями, занятыми атомами

2а

203

алюминия. 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 эвтектоидный распад

α-фазы по схеме α → α

+ γ.

5.9. Фазовые превращения

в титане и его сплавах

В титане основным превращением является полиморфное: Тi

↔Тi

При небольших скоростях охлаждения это превращение идет путем обра-

зования зародышей новой фазы и роста зерен. При быстром охлаждении

переход Тi

↔Тi

происходит по типу мартенситных превращений.

Полиморфное превращение в титане происходит в соответствии с

принципом ориентационного и размерного соответствия. Согласно этому

принципу, форма и ориентация зародышей новой фазы при кристаллиза-

ции в анизотропной среде должны соответствовать принципу минималь-

ной поверхностной энергии в данном объеме, а минимум поверхностной

энергии достигается при максимальном сходстве

в расположении атомов

на соприкасающихся гранях старой и новой фаз.

Хотя при охлаждении зерна β-фазы разбиваются при полиморфном

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

соответствии с ориентационным принципом: каждое α-зерно имеет общ-

ность в ориентировке с соседними зернами α-фазы, в

результате чего воз-

никает своеобразная текстура внутри каждого зерна, которую называют

внутризеренной текстурой.

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

примере системы Тi–Cr приведена на рис. 5.6.

Зависимость механических свойств сплавов титана с эвтектодообра-

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

ветствующих β-области, иллюстрируется рис. 5.7 на примере сплавов сис-

темы Тi–Сr, закаленных с 950

С. С увеличением содержания хрома в

α'-мартенсите сильно повышаются характеристики прочности, а характе-

ристики пластичности и модули упругости сплавов резко снижаются. Вре-

менное сопротивление разрыву достигает максимума в сплавах со струк-

турой 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 сниже-

204

нию прочности и повышению пластичности. Модули упругости закален-

ных сплавов с эвтектоидообразующими легирующими элементами наи-

меньшие у сплавов с максимально пересыщенным α'-мартенситом и наи-

большие при максимальном количестве ω-фазы.

а б в г

Рис. 5.6. Микроструктура сплавов титана после закалки с температур, соответствую-

щих β-области: а – Ti + 2 % Cr (по массе)–α'-фаза; б – Ti + 4 % Cr– α'-, β- и ω-фазы;

в – Ti + 6 % Cr (по массе)– β-фаза (х300); г – Ti + 8 % Мо–α''-фаза (х1300) (Б.А. Кола-

чев и др.)

% (по массе)

а б

Рис. 5.7. Механические свойства сплавов титана с хромом (а) и молиб-

деном (б) после закалки с температур, соответствующих β-области

Сплавы титана с изоморфными и квазиизоморфными β-стабилизато-

рами отличаются от сплавов титана с эвтектоидообразующими β-стабилизато-

рами тем, что при закалке с температур, соответствующих β-области, мар-

тенситная фаза до некоторой концентрации (

) имеет гексагональную

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

205

начинается ромбическое ее искажение, тем более сильное, чем больше со-

держание легирующих элементов: такую фазу называют α"-мартенситом

(см. рис. 5.1).

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

временного постепенного смещения атомов по всему объему, его можно

рассматривать как фазовый переход II рода.

Зависимость механических свойств закаленных с температур

β-области

(например 1000

С) сплавов титана с изоморфными β-стабилизаторами

(например молибдена) принципиально отличается от аналогичных зависи-

мостей для β-эвтектоидных систем (рис. 5.7).

Прочностные свойства закаленных сплавов с увеличением содержа-

ния легирующего элемента сначала возрастают из-за повышения степени ле-

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

начинают

падать и достигают минимума при максимально легированном

α"-мартенсите. При концентрациях β-стабилизирующего элемента выше

первой критической

С'

кр

прочностные свойства возрастают из-за увеличе-

ния доли β-фазы, упрочненной ω-фазой и достигают максимума при вто-

рой критической концентрации

С''

кр

когда количество ω-фазы максималь-

но. Дальнейшее увеличение содержания легирующего элемента приводит к

снижению прочностных свойств сплавов в результате уменьшения количе-

ства ω-фазы. Прочностные свойства сплавов достигают минимума при

третьей критической концентрации, когда количество ω-фазы становится

равным нулю, а затем возрастают из-за увеличения степени легированно-

сти β-фазы

. При эквиатомном составе можно ожидать максимума прочно-

стных свойств.

Для пластических свойств характерны обратные зависимости: мак-

симуму прочностных свойств соответствуют минимум пластических, ми-

нимуму прочностных – максимум пластических характеристик (рис. 5.7).

Модули упругости закаленных из β-области сплавов с изоморфными

β-стабилизаторами меняются в зависимости от состава качественно так же,

как и

в сплавах с эвтектоидообразующими β-стабилизаторами.

5.10. Титановые сплавы

Использующаяся в настоящее время классификация, предложенная

С.Г. Глазуновым, основана на

структуре титановых сплавов, которая

формируется по принятым в промышленности режимам термической об-

работки (табл. 5.5).

206

Таблица 5.5

Классификация титановых сплавов по структуре

в отожженном состоянии

Сплавы Структура

α-сплавы α-фаза

Псевдо-α-сплавы α-фаза (в основном) + β-фаза (не более 5 %)

(α + β)-сплавы В основном α- и β-фазы

Псевдо-β-сплавы

В отожженном состоянии α-фаза + большое коли-

чество β-фазы

β-сплавы Термодинамически стабильная β-фаза

Сплавы на основе интерметал-

лидов титана

Al, TiAl, TiAl

, TiNi, TiSi

, Ti

В этих сплавах закалкой или нормализацией с температур β-области можно легко по-

лучить однофазную β-структуру.

Выделяют также сплавы переходного класса: по структуре они за-

нимают промежуточное положение между (α + β)- и псевдо-β-сплавами.

По структуре в закаленном состоянии титановые сплавы делят на

следующие классы:

1) сплавы мартенситного класса;

2) сплавы переходного класса;

3) β-сплавы.

Различают также термически не упрочняемые и термически упроч-

няемые, а также

деформируемые, литейные и порошковые (гранулирован-

ные) сплавы.

По

назначению титановые сплавы делят:

▪ на конструкционные общего назначения;

▪ жаропрочные;

▪ коррозионно-стойкие;

▪ криогенного назначения;

▪ сплавы морского применения.

В зависимости от

формы структурных составляющих, все наблю-

даемые разновидности структур в титановых сплавах можно отнести к од-

ному из четырех 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. 5.8,

а);

смешанная, или дуплексная, структура, которая получается при на-

греве в (α + β)-области и последующем медленном охлаждении; структура

состоит из первичной α-фазы и β -превращенной матрицы (рис. 5.8,

б);

207

равноосная, или глобулярная, структура, которая формируется при

деформации в (α + β)-области с последующим рекристаллизационным от-

жигом при температурах ниже β-области (5.8,

в);

так называемая структура корзиночного плетения, которая образу-

ется при деформации вблизи температуры Ас

или при комбинированной

деформации, когда она начинается в β-, а заканчивается в (α + β)-области

(рис. 5.8,

г).

а б

в г

Рис. 5.8. Типичные структуры титановых сплавов: а – пластинчатая (β-прев-

ращенная); б – смешанная (дуплексная); в – равноосная (глобулярная); г –

корзиночного плетения

Рассмотрим структуру и свойства деформируемых и литейных ти-

тановых сплавов.

Деформируемые титановые сплавы

Деформированные титановые сплавы делят на α-сплавы, псевдо-α-

сплавы, (α + β)-сплавы, сплавы переходного класса, псевдо-β-сплавы,

β-сплавы.

Химический состав деформируемых титановых сплавов приведен в

табл. 5.6, а механические свойства – в табл. 5.7.

208

Таблица 5.6

Химический состав промышленных

деформируемых титановых сплавов

Марка

сплава

Содержание легирующих элементов, % (по массе), остальное– титан

Al Zr V Mo Cr Другие элементы

α-сплавы

ВТ1-00 0,0 – – – – – –

ВТ1-0 0,0 – – – – –

ВТ5-1 0,0 4,3–6,0 – – – – (2,0–3,0) Sn

ПТ7М 0,0 1,8–2,5 2,0–3,0 – – – –

Псевдо-α-сплавы

ОТ4-0 0,15 0,2–1,4 – – – – (0,2–1,3) Мn

ОТ1 0,23 1,0–2,5 – – – – (0,7–2,0) Мn

ОТ4 0,23 3,5–5,0 – – – – (0,8–2,0) Мn

ПТ3В 0,13 3,5–5,0 – 1,2–2,5 – – –

ОТ4-1В 0,17 2,5–3,5 – 2,0–3,0 – – –

ОТ4В 0,17 4,0–5,5 – 2,0–3,0 – – –

АТ3 0,16 2,5–3,5 – – – 0,4–0,9 0,4 Fe; 0,4 Si

АТ6 0,6 5,0–7,0 – – – 0,4–0,9 То же

ВТ18У 0,09 6,2–7,3 3,5–4,5 – 0,4–1,0 – 1 Nb; 0,3 Si; 2,5 Sn

ВТ20 0,18 5,5–7,5 1,5–2,5 0,8–1,8 0,5–2,0 – –

(α + β)-сплавы

ВТ6 0,27 5,3–6,8 – 3,5–5,3 – – –

ВТ6с 0,27 5,3–6,8 – 3,5–5,0 – – –

ВТ6кт 0,27 5,5–6,5 – 3,5–4,5 – – –

ВТ14 0,33 3,5–6,3 – 0,9–1,9 2,5–3,8 – –

ВТ8 0,30 6,0–7,3 – – 2,8–3,8 – (0,2–0,4) Si

ВТ8М 0,36 5,8–6,8 0,5–1,5 – 2,8–3,8 – 0,2 Si; 1 Sn

ВТ9 0,30 5,8–7,0 0,8–2,5 – 2,8–3,8 – (0,2–0,35) Si

ВТ25У 0,39 6,0–7,0 3,0–4,5 – 3,5–4,5 – 0,2 Si; 1,8 Sn; 1 W

ВТ36 0,29 5,8–6,7 3,2–4,0 – 0,4–1,0 – 0,15 Si; 2 Sn; 5 W

ВТ3-1 0,60 5,5–7,0 – – 2,0–3,0 0,8–2,3 0,3 Si; 0,5 Fe

ВТ23 0,75 4,0–6,3 – 4,0–5,0 1,5–2,5 0,8–1,4 (0,4–0,8) Fe

ВТ16 0,75 1,8–3,8 – 4,0–5,0 4,5–5,5 – –

Сплавы переходного класса

ВТ22 1,1 4,4–5,9 – 4,0–5,5 4,0–5,5 0,5–2,0 (0,5–1,5) Fe

ВТ22И 1,1 2,5–4,0 – 4,0–5,5 4,0–5,5 0,5–2,0 То же

ВТ30 1,0 – 5,5 – 11 – 4,5 Sn

Псевдо-β-сплавы

ВТ35 1,5 2,0–4,0 0,5–2,0 14,0–16,0 0,5–2,0 2,5–3,5 (2,0–4,0) Sn

ВТ19 1,45 2,5–3,5 0,5–1,5 3,0–4,0 5,0–6,0 5,0–6,0 –

ВТ32 2,0 2,0–4,0 – 7,0–9,0 7,0–9,0 0,5–2,0 (0,5–2,0) Fe

β-сплавы

4201 3 – – 33 – – –

42014 3 – 0,10–0,70 29–35 – – 0,15 Si

209

Таблица 5.7

Механические свойства прутков титана и его сплавов

в отожженном состоянии при комнатной температуре

Сплав σ

, МПа

δ, % ψ, % KCU, Дж/см

-1

, МПа

Не более

ВТ1-00

ВТ1-0

ВТ5-1

ПТ7М

ОТ4-0

ОТ4-1

ОТ4

ОТ4-1В

ОТ4В

ПТ3В

АТ3

ВТ18У

ВТ20

ВТ6

ВТ3-1

ВТ8

ВТ9

ВТ25У

ВТ36

ВТ14

ВТ16

ВТ23

ВТ22

ВТ22И

ВТ35

ВТ32

300–450

400–550

800–1000

480–680

500–650

600–750

700–900

600–750

700–900

750–900

1000–1200

950–1150

900–1050

1000–1250

1000–1200

1050–1250

1050–1200

900–1080

850–950

1050–1200

1100–1300

900–950

750–850

800–950

–

120

100

–

160

230

400

–

300

360

420

–

400

–

420

530

540

–

400

440

530

–

Для трубы.

Для листа.

Деформируемые

α-титановые сплавы

Применяемые в настоящее время

промышленные α-титановые сплавы

можно разбить на четыре группы.

первой группе относятся двойные сплавы системы Тi–А1. Из сплавов

этой группы в промышленном масштабе применяется лишь один сплав

ВТ5, содержащий, помимо титана, 5 % алюминия. Он отличается более

высокими прочностными свойствами по сравнению с титаном, но его тех-

нологичность невелика. Сплав деформируется только в горячем состоянии.

В настоящее время он применяется только для

фасонного литья, в этом

случае его маркируют как ВТ5Л. Сплав ВТ5-1 (

вторая группа) считают