Водородное охрупчивание титана и его сплавов (стр. 2 из 3)
Рис.5. Изменение пластичности технически чистого титана в зависимости от содержания водорода.
Рис.6. Изменение энергии удара технически чистого титана в зависимости от содержания водорода после закалки на твердый раствор с последующим старением при комнатной температуре.
Закалка из области α-фазы улучшает сопротивление удару технического титана, содержащего водород, но, как и в случае чистого металла, этот эффект является временным (рис. 6); старение при комнатной температуре приводит к ухудшению свойств. Кроме того, было показано, что сплав с 0,24% (ат.) водорода обладает значительно более низким сопротивлением удару по сравнению с металлом, не содержащим водород, хотя никаких признаков гидридной фазы в его структуре обнаружено не было. Однако Рэйлски указывает, что благодаря различному растворению водорода в α- и β-фазах, почти весь водород должен находиться в растворе в остаточной β-фазе, чем и объясняется отсутствие видимой гидридной фазы при содержании водорода выше предела его растворимости в чистом α-титане. Поэтому вполне возможно, что наличие в техническом титане частиц β-фазы со значительно более высоким содержанием водорода является фактором, обусловливающим его охрупчивание.
Стабилизированные α-сплавы
Сплавы титана обычно классифицируются по легирующим элементам в зависимости от того, образуют ли они твердые растворы внедрения или замещения. Затем эти элементы разделяются на группы по их отношению к α- или β-фазам. Влияние водорода было изучено на сплавах, содержащих α-стабилизирующие элементы, которые образуют как твердые растворы внедрения, так и замещения. Азот является типичным представителем первых, а алюминий — вторых. Изучение свойств при испытании на удар и микроструктуры стабилизированных α-сплавов показывает, что склонность их к водородному охрупчиванию обусловливается выделением гидридной фазы. Низкое сопротивление удару может быть улучшено отжигом в вакууме (табл. 1).
Таблица 1.
Механические свойства а-титана в значительной мере зависят от содержания водорода в металле. Степень охрупчивания, вызываемая данным количеством водорода, зависит в основном от чистоты металла. Ниже приводятся краткие выводы по влиянию водорода на свойства а-титана.
1. Растворимость водорода в а-титане высокой чистоты составляет 8% (ат.) при 325 °С и 0,1% (ат.) при 125 °С. Примеси в металле могут привести к сохранению высокотемпературной р-фазы по границам зерен технического титана. Это сказывается на величине предела растворимости, так как растворимость водорода в р-титане больше, чем в α-титане. Растворимость водорода в а-фазе технического титана составляет 6% (ат.) при 350 °С.
2. Водород ухудшает свойства металла, чувствительные к надрезу или скорости деформации или к обоим факторам вместе. Водород значительно снижает сопротивление удару, но его влияние уменьшается с уменьшением скорости деформации. Поэтому обычные свойства при испытании на растяжение изменяются только при относительно высоких концентрациях водорода.
3. Охрупчивание α-титана высокой чистоты наблюдается в том случае, когда содержание водорода превышает предел его растворимости. В этом случае, при медленном охлаждении из области α-фазы из твердого раствора выделяются пластинки гидрида. Степень охрупчивания может быть уменьшена, если гидрид выделяется в мелко дисперсной форме, например, при быстром охлаждении. Однако после старения при комнатной температуре вследствие коагуляции гидридных частиц металл снова охрупчивается.
4. Характерные признаки проявления водородного охрупчивания в техническом и в чистом металле одни и те же: повышение склонности металла к охрупчиванию с увеличением скорости деформации. Однако количество водорода, необходимое для охрупчивания технического титана, меньше, чем количество водорода, вызывающее охрупчивание чистого металла: в некоторых случаях оно может быть даже меньше предела растворимости водорода в титане. Полагают, что в данном случае эффект охрупчивания усиливается благодаря присутствию по границам зерен α-фазы хрупкой β-фазы с относительно более высоким содержанием водорода. Присутствие такой остаточной β-фазы обусловливается наличием примесей (например, железа), которые способствуют стабилизации высокотемпературной фазы при более низких температурах.
Водородное охрупчивание α-β-титановых сплавов
Характерные признаки водородного охрупчивания α-β-титановых сплавов
Водород является элементом, стабилизирующим β-фазу, он имеет большее сродство с β-фазой в α-β-сплавах. При эвтектоидной температуре распределение водорода между β- и α-фазами выражается отношением порядка 5: 1. При комнатной температуре это отношение, вероятно, выше вследствие значительного уменьшения растворимости водорода в α-фазе. Охрупчивание α — β-титановых сплавов под влиянием водорода было изучено многими исследователями. Рэйлски считает, что α — β-титановые сплавы, содержащие до 4,5% (ат.) водорода (что в 5 раз превышает концентрацию, вызывающую охрупчивание), не имеют гидридной фазы. Однако авторадиографическое исследование α — β-титановых сплавов, содержащих не более 2,7% (ат.) водорода, показало, что водород ликвирует по границам между α— β-фазами после термического старения. Так как при производстве технических α — β-сплавов используется большое количество элементов, стабилизирующих β-фазу, не удивительно, что явление водородной хрупкости изучалось на весьма разнообразных по составу титановых сплавах. Однако, во всех изученных сплавах явление водородной хрупкости характеризовалось одними и теми же признаками.
Вследствие более высокой растворимости водорода в β-фазе по сравнению с α-фазой не удивительно, что явление водородного охрупчивания протекает в α — β-сплавах иначе, чем в однофазном α-титане. В этих сплавах под влиянием водорода изменяются в первую очередь обычные свойства при испытании на растяжение, а не свойства, определяемые при ударном испытании.
Типичные промышленные α — β-сплавы содержат 8% (вес.) марганца. Водородное охрупчивание этого сплава изучалось Крайгхедом, Леннингом и Джаффе. На рис. 7 показано изменение свойств этого сплава при испытании на растяжение при комнатной температуре с малой скоростью деформации в зависимости от содержания водорода. Пластичность сплава слегка возрастает при малых концентрациях водорода, а затем резко снижается с повышением содержания водорода от 0,86 до 1,28% (ат.).
Сопротивление сплава с 8% Мn удару при испытании надрезанных образцов в интервале температур от -196 до 100°С (включая область перехода несодержащего водород сплава из пластичного состояния в хрупкое) не изменяется с повышением содержания водорода вплоть до 4,9% (ат.). Некоторое небольшое уменьшение сопротивления удару с повышением содержания водорода наблюдается для сплава титана с алюминием и марганцем при 100°С . Отсюда можно сделать вывод, что водород вызывает небольшое повышение критической температуры хрупкости, определенной по изменению сопротивления удару.
Чувствительность сплавов этого класса к водородному охрупчиванию увеличивается с уменьшением скорости деформации, тогда как в случае α-титана наблюдается противоположная тенденция. Зависимость пластичности α — β-сплавов, содержащих водород, от скорости деформации рассматривалась в большинстве из упомянутых выше работ.
Образцы сплава Ti — 140А (который содержит следы железа, хрома, молибдена и углерода) испытывались при комнатной температуре со скоростями деформации 0,5 и 2,5 мм/мин. Этот сплав охрупчивается при малой скорости деформации после достижения критической концентрации водорода, равной 0,1% (ат.), в то время как при большей скорости деформации пластичность сплава остается без изменения даже после того, как содержание водорода превысит это критическое значение.
Основной вывод, который может быть сделан из обобщения опубликованных по этому вопросу данных, состоит, в том, что при обычных условиях испытания на растяжение пластичность образцов снижается линейно с уменьшением скорости деформации. Скорость деформации может быть уменьшена ниже скорости деформации при испытании на растяжение путем приложения постоянной нагрузки в условиях испытания па длительную прочность. Такие испытания, проведенные при комнатной температуре на сплаве Ti— 140А, показали, что в этом случае особенно резко изменяется величина относительного сужения. Образец, содержащий водород, разрушался хрупко при напряжении, которое не вызывает разрушение металла, не содержащего водород.
Степень водородного охрупчивания исследованных сплавов также зависит от температуры. Барт и его сотрудники показали, что в случае сплава Ti — 140А эффект охрупчивания наблюдается при температурах свыше 90°С, тогда как некоторые другие исследователи указывают, что этот эффект ничтожно мал при температурах ниже -4°С. В этом отношении водородное охрупчивание титана весьма похоже на охрупчивание стали. Оптимальным условием для процесса охрупчивания является малая скорость деформации при комнатной температуре.