Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

Кроме испытаний на растяжение и раздир оценивают морозостойкость, сопротивление термическому старению, стойкость в жидких средах и другие свойства резины.

МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ

ТИТАН И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

СВОЙСТВА ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ

Титан — металл серого цвета, имеющий две полиморфные модификации. Низкотемпературная (до 882 ° С) модификация Tia характеризуется ГП решеткой с периодами а — 0,296 нм, с = 0,472нм, высокотемпературная Тiβ (при 900 ° С) имеет ОЦК решетку с периодом а = 0,332нм.

Отличительными особенностями титана и его сплавов являются хорошие механические свойства, малая плотность, высокие удельная прочность, хорошие технологические свойства и отличная коррозионная стойкость. Физические свойства чистого титана приведены в § 1.2.

Низкий модуль упругости титана, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, затрудняет изготовление из него жестких конструкций.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности более высокую прочность при 20 - 25 ° С и повышенных температурах. По сравнению с бериллием они более пластичны и технологичны, меньше стоят, безопасны для здоровья при обработке. По сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами обладают более высокой удельной прочностью (см. табл. 13.1), жаропрочностью и коррозионной стойкостью.

Поэтому титановые сплавы получили широкое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Их используют для обшивки сверхзвуковых самолетов, изготовления деталей конструкций реактивных авиационных двигателей (дисков и лопаток компрессора, деталей воздухозаборника и др.), корпусов ракетных двигателей второй и третьей ступени, баллонов для сжатых и сжиженных газов, обшивки морских судов, подводных лодок и т.д.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные; по механическим свойствам — на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные и повышенной пластичности; по способности упрочняться с помощью термической обработки

— на упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой; по структуре в отожженном состоянии — на α-, псевдо- α -, (α + β)-, псевдо-β-и β-сплавы.

Химический состав (ГОСТ 19807-91), структура и механические свойства наиболее распространенных деформируемых сплавов приведены в табл.14.2.

Таблица 14-2. Химический состав (ГОСТ 19807-91), структура и механические свойства некоторых сплавов титана

* Свойства этих сплавов приведены после закалки и старения, остальных — в отожженном состоянии.

К сплавам с α-структурой относятся сплавы титана с алюминием (например, ВТ5), а также сплавы, дополнительно легированные оловом или цирконием (например, ВТ5-1). Они характеризуются средней прочностью при 20° С, высокими механическими свойствами при криогенных и повышенных (450 — 500 ° С) температурах. Сплавы имеют высокую термическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью. Прочность сварного шва составляет 90 % прочности основного сплава. Обрабатываемость резанием удовлетворительная.

Недостатки сплавов с α-структурой — неупрочняемость термической обработкой и низкая технологическая пластичность. Сплавы с оловом более технологичны, но это самые дорогие из α-сплавов. В горячем состоянии α- сплавы куют, прокатывают и штампуют. Их поставляют в виде прутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки. Предназначены они для изготовления деталей, работающих в широком диапазоне температур: от криогенных до 450 ° С (ВТ5) н 500 ° С (ВТ5-1).

Псевдо-α-сплавы имеют преимущественно α-структуру и небольшое количество β-фазы (1 - 5 %) вследствие дополнительного легирования β- стабилизаторами: Mn, V, Nb, Mo и др. Сохраняя достоинства α -сплавов, они, благодаря наличию β-фазы, обладают высокой технологической пластичностью. Сплавы с низким содержанием алюминия (2 - 3 %) обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении сложных деталей их нагревают до 500 - 700 ° С (ОТ4, ОТ4-1). Сплавы с большим содержанием алюминия при обработке давлением требуют подогрева до 600 — 800 ° С. На прочность этих сплавов помимо алюминия благоприятно влияют цирконий и кремний. Цирконий, неограниченно растворяясь в α-фазе, повышает температуру рекристаллизации. Кроме того, он способствует увеличению растворимости (β-стабилизаторов в α -фазе, что

вызывает рост прочности как при 20° С, так и при высоких температурах. В тех же условиях кремний повышает прочность в результате образования тонкодисперсных силицидов, трудно растворимых в α-фазе. Поэтому псевдо- α -сплавы с содержанием алюминия 7-8%, легированные Zr, Si, Mo, Nb, V (BT20), используют в изделиях, работающих при наиболее высоких (среди титановых сплавов) температурах.

Недостаток этих сплавов — склонность к водородной хрупкости. Водород мало растворим в α-фазе и присутствует в структуре в виде гидридов, которые снижают пластичность, особенно при медленном нагружении, и вязкость сплавов (рис. 14.10). Допустимое содержание водорода в псевдо-α- сплавах колеблется в пределах 0,005 - 0,02%.

Двухфазные (α + β)-сплавы обладают лучшим сочетанием технологических и механических свойств. Они легированы в основном алюминием и β- стабилизаторами. Необходимость легирования алюминием обусловлена тем, что он значительно упрочняет α -фазу при 20 ° С и повышенных температурах, тогда как β-стабилизаторы в ней мало растворимы и потому не оказывают существенного влияния на ее свойства. Особо ценным для этих сплавов является способность алюминия увеличивать термическую стабильность β- фазы, поскольку эвтектоидообразующие β-стабилизаторы, наиболее эффективно упрочняющие сплавы, вызывают склонность этой фазы к эвтектоидному распаду. Кроме того, алюминий снижает плотность (α +β)- сплавов, что позволяет удерживать ее приблизительно на уровне титана, несмотря на присутствие элементов с большой плотностью V, Cr, Mo, Fe и др.

Устойчивость β-фазы и термическую стабильность сплавов сильно повышают изоморфные β-стабилизаторы: Mo, V, Nb. На свойства они влияют по-разному. Как видно из рис. 14.6, сильнее упрочняет Мо, особенно при содержании его в сплаве более 4%. Слабее упрочняют V и Nb, но они мало снижают пластичность сплавов. Однако наибольшее упрочнение достигается при легировании титана эвтектоидообразующими β-стабилизаторами: Fe, Сг, Мп. Поэтому двухфазные промышленные сплавы содержат и те, и другие β- стабилизаторы.

Сплавы α + β упрочняются с помощью термической обработки — закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях они имеют хорошую пластичность, а после старения — высокую прочность при 20 - 25 ° С и повышенных температурах. При этом, чем больше β-фазы содержится в структуре сплава, тем он прочнее в отожженном состоянии и сильнее упрочняется при термической обработке. По структуре, получаемой в (α + β)- сплавах после закалки, их подразделяют на два класса: мартенситный и переходный (рис. 14.11).

Рис. 14.11. Структура титановых сплавов переходного (1) и мартенситного класса (2) в отожженном (I) и закаленном (II) состояниях

Сплавы мартенситного класса менее легированы и в равновесном состоянии содержат сравнительно немного β-фазы (5 - 25%). После закалки они имеют структуру мартенсита α' (или α "). К этому классу относятся сплавы титана с алюминием и ванадием (ВТ6); высокопрочные сплавы, дополнительно легированные молибденом (ВТ14, ВТ16), а также сплавы, предназначенные для работы при повышенных температурах (ВТ25, ВТЗ-1). Сплавы переходного класса более легированы и соответственно имеют больше β-фазы после отжига (25 - 50 %). Структура и свойства этих сплавов очень чувствительны к колебаниям химического состава. Так, после закалки из β-области можно получить однофазную β'- или двухфазную α " + β'- структуру. Наличие большого количества β-фазы (например, структура сплава ВТ22 состоит на 50 % из β-фазы) обеспечивает сплавам переходного класса самую высокую прочность среди (α + β)-сплавов как в отожженном, так и в закаленном состояниях: временное сопротивление сплава ВТ22 после отжига имеет то же значение, что у сплава ВТ6 после закалки и старения. У

сплава ВТ22 К1с = 69,5...82,2 МПа -м1/2, а у сплава ВТ6 - 82,2 .. .94,8 МПа • м1/2. Это позволяет применять сплавы переходного класса, как в закаленном и состаренном, так и в отожженном состояниях, что очень важно при изготовлении крупногабаритных деталей.

Двухфазные сплавы удовлетворительно свариваются и обрабатываются резанием. После сварки требуется отжиг для повышения пластичности сварного шва. Термоводородная обработка дает возможность получить равнопрочные с основным сплавом сварные швы.

Сплавы α + β меньше склонны к водородной хрупкости, чем α и псевдо- α, поскольку водород обладает большей растворимостью в β-фазе; они легче куются, штампуются и прокатываются, чем сплавы с α-структурой. Их поставляют в виде поковок, штамповых заготовок, прутков, листов, ленты.

Однофазные β-сплавы не имеют промышленного применения, так как для получения устойчивой β -структуры они должны быть легированы большим количеством дорогих, дефицитных, обладающих высокой плотностью изоморфных β-стабилизаторов (V, Mo, Nb, Та). Такие сплавы дорого стоят, имеют пониженную удельную прочность.

Псевдо- β-сплавы (ВТ15) высоколегированные в основном β -стабили- заторами сплавы. Суммарное количество легирующих элементов, как правило, превышает 20 %. Наиболее часто для легирования используют Mo, V, Сг, реже — Fe, Zr, Sn. Алюминий присутствует почти во всех сплавах, но в небольших количествах (~ 3 %). В равновесном состоянии сплавы имеют структуру преимущественно β-фазы с небольшим количеством а-фазы. После закалки их структура — метастабильная β '-фаза. В этом состоянии сплавы обладают хорошей пластичностью (δ = 12 .. .40 %; ψ = 30...60 %), легко обрабатываются давлением, имеют сравнительно невысокую прочность (σв = 650... 1000 МПа). В зависимости от химического состава временное сопротивление после старения составляет 1300 - 1800 МПа. У некоторых сплавов σв при старении увеличивается более чем в 1,5 раза. Плотность этих сплавов находится в интервале 4,9 - 5,1 т/м3. Сплавы отличаются высокой удельной прочностью, обладают низкой склонностью к водородной хрупкости, удовлетворительно обрабатываются резанием; их недостатки — чувствительность к примесям кислорода и углерода, которые вызывают снижение пластичности и вязкости, пониженная пластичность сварных швов и низкая термическая стабильность.

Наибольшее распространение в промышленности получил сплав ВТ15. Его выпускают в виде листов, полос, прутков, поковок. Этот сплав рекомендуется для длительной работы при температуре до 350° С.

Литейные сплавы

Титановые сплавы имеют хорошие литейные свойства. Небольшой температурный интервал кристаллизации обеспечивает им высокую жидкотекучесть и хорошую плотность отливки. Они обладают малой склонностью к образованию горячих трещин и небольшой линейной усадкой (1 %); их объемная усадка составляет около 3 %.

К недостаткам литейных титановых сплавов относятся большая склонность к поглощению газов и высокая активность при взаимодействии с формовочными материалами. Поэтому их плавку и разливку ведут в вакууме

или в среде нейтральных газов. Для получения крупных фасонных отливок (до 300 - 500 кг) используют чугунные и стальные формы; мелкие детали отливают в оболочковые формы, изготовленные из специальных смесей. Для фасонного литья применяют сплавы, аналогичные по химическому составу некоторым деформируемым (ВТ5Л, ВТЗ-1Л, ВТ14Л), а также специальные литейные сплавы.

Литейные титановые сплавы обладают более низкими механическими свойствами, чем деформируемые. Упрочняющая термическая обработка резко снижает пластичность литейных сплавов и поэтому не применяется.

Перспективным способом повышения механических свойств отливок, особенно для деталей небольших размеров и сложной формы, является термоводородная обработка. Хорошие результаты дает совмещение термоводородной обработки с горячим изостатическим прессованием. Такая комбинированная обработка приводит к значительному снижению (более чем в 2 раза) пористости и повышению механических свойств, особенно предела усталости (табл. 14.3).

Таблица 14-З. Механические свойства сплава ВТ20Л

* Горячее изостатическое прессование при t — 950 ° С, р = 155 МПа в течение 2 ч + наводораживающий отжиг при 850 — 730° С + вакуумный отжиг при 750 — 800° С.

Видно, что термоводородная обработка (до 0,8 % Н) в сочетании с горячим изостатическим прессованием обеспечивает повышение прочностных характеристик на 15 - 20 %, а предела усталости на 65 - 80 %.

Порошковые сплавы

При изготовлении деталей порошковой технологией используют порошки технического титана, а также некоторых его сплавов. Механические свойства порошковых титановых сплавов зависят от многих факторов: качества исходных порошков, режимов горячего компактирования, прессования и спекания. Технологические трудности обусловлены главным образом активным взаимодействием титана при повышенных температурах с примесями внедрения, образующими неметаллические включения, понижающие механические свойства порошковых титановых сплавов. Однако современные технологии, например распыление металла в вакууме, горячее компактирование гранул, горячее изостатическое прессование с последующим вакуумным отжигом, позволяют получить полуфабрикаты и изделия сложной формы высокого качества и 100 %-й плотности. В этом случае порошковые сплавы приближаются по прочности к деформируемым

сплавам в отожженном состоянии. Так, полуфабрикаты (прутки, профили, листы и др.) из деформируемого сплава ВТ6 в отожженном состоянии имеют αTj = 950... 1100 МПа, а у полуфабрикатов из того же сплава, но полученного порошковой технологией из этого сплава σв = 920... 950 МПа.

Сплавы на основе интерметаллидов

Сплавы на основе интерметаллидов титана подразделяются на две группы: жаропрочные и сплавы, обладающие памятью формы (эффект памяти формы).

Жаропрочные сплавы относятся к системе Ti - Al, их структура состоит из с«α2- и γ-фазы (Ti3Al и TiAl соответственно) (см. рис. 14.7). При малой плотности (3,5 т/м3) они по жаропрочности превосходят все титановые сплавы и многие жаропрочные стали, приближаясь по свойствам к сплавам на основе никеля.

Эффект памяти формы — это способность сплава устранять в процессе обратного мартенситного превращения деформацию, полученную им после прямого мартенситного превращения, т.е. в мартенситном состоянии.

Основу сплавов, обладающих памятью формы, составляет никелид титана (TiNi), имеющий tпл = 1250... 1310 ° С, ρ = 6,44 т/м3, Е = = 66,7. ..72,6 ГПа, G = 22,5 ... 24,5 ГПа, σв = 735... 970 МПа, σ0,2 = 127. ..333 МПа, δ = 7...25%.

Эффект памяти формы свойственен сплавам, обладающим прямым и обратным мартенситным превращением, а также обратимой деформацией, наибольшая величина которой определяется деформацией решетки при мартенситных превращениях. Эффект памяти формы TiNi возникает в узком интервале температур; максимален он при стехиометрическом составе, отклонение от которого вызывает резкое изменение температур начала и конца прямого и обратного мартенситных превращений.

При прямом мартенситном превращении (Мн ~ 60 ° С) TiNi изменяет сложную упорядоченную кристаллическую решетку типа CsCl на триклинную решетку мартенсита. Приданная в этом состоянии новая форма образца (детали) из TiNi исчезает при нагреве до температур, превышающих температуру обратного мартенситного превращения (100— 120° С).

Сплавы, обладающие памятью формы, целесообразно применять в различных областях техники, где другие материалы использовать невозможно. Например, в космической технике для самораскрывающихся антенн, предварительно получивших компактную форму для облегчения доставки на космический корабль; при установке саморасклепывающихся заклепок в труднодоступных местах конструкции; для самосрабатывающих соединительных муфт трубопроводов; для дистанционного ремонта обсадных труб нефтяных и газовых скважин; в качестве материала изделий, многократно изменяющих свою форму при нагреве и охлаждении (клапаны, рычаги и др.).

БЕРИЛЛИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

СВОЙСТВА БЕРИЛЛИЯ

Бериллий — металл серого цвета, обладающий полиморфизмом. Низкотемпературная модификация Веа, существующая до 1250° С, имеет решетку ГП с периодами а = 0,2286 нм; с = 0,3584 нм; высокотемпературная Вер

(12501284° С) — решетку ОЦК.

Бериллий от сплавов титана выгодно отличает высокая удельная жесткость.

Удельная жесткость — это важнейшая характеристика современных конструкционных материалов. В сочетании с хорошей удельной прочностью она позволяет снизить массу конструкции при повышении ее прочности и жесткости. Это особенно важно в самолето- и ракетостроении.

Помимо очень высоких удельных прочности и жесткости (см. табл. 13.1) бериллий имеет большую теплоемкость, обладает хорошими теплопроводностью и электропроводимостью, демпфирующей способностью и другими ценными свойствами.

Бериллий относится к числу редких металлов. Его добывают из минерала берилла, представляющего собой двойной силикат бериллия и алюминия (ЗВеО * Al2O3 * 6SiO2)- Содержание в земной коре бериллия небольшое — 0,0005 %. Малая распространенность в природе, сложная и дорогая технология извлечения из руд и получения из него полуфабрикатов, а также изделий определяют высокую стоимость бериллия.

Металлургия бериллия сложна из-за его химической инертности. Слитки после вакуумной переплавки либо обрабатывают давлением для получения полуфабрикатов, либо перерабатывают в порошок, из которого полуфабрикаты и изделия изготовляют порошковой технологией. Обработке давлением подвергают лишь малые слитки (d < 200 мм), так как в слитках большого размера из-за высокого поверхностного натяжения образуются две усадочные раковины, соединенные трещиной.

Литой бериллий крупнозернистый и хрупкий. Для улучшения пластичности прокатку ведут при нагреве. Однако при температурах выше 700° С бериллий «схватывается» с инструментом. Поэтому его прокатывают в стальной оболочке, которую затем стравливают.

Механические свойства бериллия зависят от степени чистоты, технологии производства, размера зерна и наличия текстуры. Они изменяются в

широких пределах: σв = 280 ... 700 МПа; σ0,2 = 230 ... 680 МПа; δ = 2...40%.

Так, литой бериллий со свойственным ему крупным зерном имеет σв = 280 МПа; δ = 2...3%. Горячекатаный полуфабрикат, полученный из слитка, обладает также низкими свойствами. Его относительное удлинение вдоль прокатки такое же, как у литого материала, а в "поперечном направлении — близко к нулю. Помимо размера зерна на пластичность бериллия влияют его структурные особенности. Гексагональная структура характеризуется отношением периодов решетки с/а < 1,63, при котором базисная плоскость не единственно возможная плоскость скольжения. Другими плоскостями