Иным образом влияет на свойства титана углерод, тоже относящийся к группе а-стабилизаторов. Растворимость его как в а-, так и Р-модификациях весьма ограничена. В частности, в а-фазе при 920° С растворяется не более 0,48% углерода (по массе), а при 500°-С - 0,15%. Из рис. 15 [112, 120] следует, что в количестве, несколько превышающем предел растворимости, углерод упрочняет титан (-~5-6 кгс/мм на 0,1 %), однако при переходе в двухфазную область (твердый раствор плюс карбид) упрочнение прекращается, а пластичность продолжает снижаться.

Атомная тнцеитра11Ш,% 0.25 0,75 1,25 1.75 2.25

OA 0,6 0.8 Массобая доля 0, %

Рис. 13. Влияние кислорода иа механические свойства титана:

--по данным [120],---- по данным [36]

0,2 0,4 0.6 Ма особая доля N.X

Рис. 14. Влияние азота на механические свойства титана [120]

Кремний образует с а-титаном твердые растворы замещения, снижает температуры полиморфного превращения и плавления. Растворимость кремния в а-титане низкая - примерно 0,08% при комнатной температуре. При содержании сверх предела растворимости образуется интерметаллидное соединение TigSig. Упрочняющее действие кремния сравнительно невелико (не более 2--3 кгс/мм на 0,1 %), однако пластичность и особенно вязкость при этом снижаются существенно (рис. 16). В этом отношении еще более неблагоприятным элементом является водород (рис. 17). Выделяющиеся в результате эвтектоидной реакции гидриды не приводят к упрочнению, но резко сниают ударную вязкость [63]. Низкая эвтектоидиая температура (около 300° С) и высокая диффузионная подвижность водорода, образующего при повышенных температурах твердый раствор внедрения, обусловливают выделение гидридов даже при комнатной температуре в процессе вылеживания, что также сопровождается охрупчиванием.

Железо является типичным и сильным -стабилизирующим элементом.При содержании в количестве, не,превышающем предела растворимости в а-фазе (0,2% при 590° С), железо относительно мало влияет на механические свойства титана. При более высоких

Атомная концентрация, % в 0.5 10 1.5 1.0 2,5 3,0 д,5

200\ 150 % 100

О 0.2 0,и 0,6 0,8 Массобоя доля С, % Рис. 15. Влияние углерода на механические свойства титана [120]

0.5 1.0 1,5 2.0 2,5

Массовая доля Si, %

Рис. 16. Влияние кремния на механи ческие свойства титана

концентрациях в случае быстрого охлаждения прочность сплава увеличивается, а пластичность снижается из-за образования мар-тенситных структур. При медленном охлаждении из р-области

<е.о.2

/ 2

кгв м/см

0,005 0,015 0,025 0,035 0,045 0,055 0,065 Массовая доля Н2, %

Рис. 17. Влияние водорода на механические свойства титана:

--технический титаи;----йодднтый титан

снижаются и прочность и пластичность из-за так называемой р-хрупкости. Причины этого явления будут подробно рассмотрены ниже.

Кратко рассмотрев влияние примесных элементов на механические свойства титана, можно заключить, что собственно вредными примесями являются водород, кремний и, в определенной

мере, железо, т. е. элементы, существенно снижающие пластичность и ударную вязкость без значительного повышения прочности. Кислород, азот и углерод - более благоприятные элементы: снижение пластичности при увеличении их концентрации в титане компенсируется существенным упрочнением. Однако использовать это достоинство указанных элементов на практике довольно трудно, так как незначительное изменение их содержания вызывает резкое изменение механических свойств. Использование кислорода, азота и углерода, очевидно, будет возможным лишь после разработки методов микролегирования с обеспечением однородности твердых растворов в объеме слитка. В настоящее время таких методов нет, поэтому общей тенденцией в металлургии титана является стремление выпускать губчатый титан с минимальным содержанием всех примесей. Тем не менее, из-за особенностей технологии получения губчатого титана магниетермическим методом промышленностью выпускается ряд различных по содержанию примесей сортов, что приводит к получению различных свойств выплавленного с их использованием титана (табл. 12). Предел текучести нелегированного титана только за счет примесей может увеличиваться от 15- 16 кгс/мм (йодидный титан) до 60 кгс/мм и более (низкосортный титан технической чистоты), значения характеристик пластичности при этом остаются достаточно высокими. Это обстоятельство имеет важное экономическое значение, так как стоимость нелегированного титана значительно меньше, чем сплавов.

Таблица 12. Механические свойства нелегированного титана различных марок

При использовании в конструкциях нелегированного титана необходимо учитывать, что различные уровни его прочности достигаются за счет суммарного увеличения содержания примесных элементов, из которых одни существенно повышают прочность и снижают пластичность и вязкость, в то время как другие мало упрочняют, но значительно охрупчивают титан. Поэтому рост прочности за счет суммарного увеличения содержания примесей, как правило, сопровождается значительно большей нестабильностью механических свойств. В связи с этим применение нелегированного титана в машиностроении должно определяться соотношением требований конструктивной прочности и стоимости. Если требования по конструктивной прочности невысоки, экономически целесообразно применение низкосортного титана. При высоком уровне эксплуатационных нагрузок, наличии концентраторов напряжений и большого объема сварных соединений в конструкциях целесообразно применение высокосортных марок титана. Следует отметить, что титан с пониженным содержанием примесей, в частности титан марок ВТ1-0, ВТ1-00, по прочности, пластичности и вязкости не уступает целому ряду углеродистых и нержавеющих сталей, бронз, медноникелевых сплавов и может с успехом использоваться в эксплуатационных условиях, где применяются указанные материалы.

Так же как и у других металлов, механические свойства титана существенно изменяются в результате холодного наклепа (табл. 13).

Наклеп приводит к значительному росту прочностных характеристик титана (Ов и 00,2), но предельная прочность - истинное сопротивление разрыву (Sk) практически не изменяется. Известно, что общая величина пластической деформации может быть разделена на равномерную и сосредоточенную

п ю м

as to о-

ю* оо

со 00 со <м

со о

00 ю

CD Ю

ю со ст> ю ю

in ю

S ю S

1 ю о

го in CD

ооо in t-

ho a-

.i,20

t°c

части, обладающие различным физическим содержанием [59]. Равномерная часть деформации характеризует способность металла к физическому упрочнению в процессе пластической деформации, сосредоточенная ~ способность к накоплению и развитию дефектов, обусловленных главным образом либо неоднородностью структуры, либо присутствием в материале изначальных микроповреждений.

Наклеп титана, как и других металлов, приводит к исчерпанию способности к физическому упрочнению, в соответствии с этим

уменьшается равномерная деформация: так при обжатии на 50% величина равномерного сужения уменьшается с 24,8 до 4,4%. Сосредоточенная деформация при этом меняется незначительно: с 68,2 до 55,0%. Это обстоятельство чрезвычайно важно, так как оно указывает на отсутствие микроповреждений титана при холодной деформации. Дополнительным подтверждением этому являются результаты испытаний на динамический и статический изгиб надрезанных образцов. Работа, затрачиваемая на изгиб образцов, является функцией трех факторов: начального сопротивления деформации металла, способности к физическому упрочнению и сопротивления развитию трещины. При статическом изгибе влияние первых двух факторов сказывается на величине начальной работы (Л ач), т. е. работы, затрачиваемой на изгиб до появления перегиба на кривой нагрузка-прогиб . Влияние третьего фактора проявляется в величине конечной работы изгиба (Лкон)-В табл. 13 приведены значения Л а, и Лои. определенные на образцах размером 10x10x60 мм с острым надрезом (радиус надреза 0,1 мм). Наклеп на 50% приводит к исчерпанию способности к физическому упрочнению с соответствующим уменьшением значений фравн. Работа разрушения образца (Лкон) при этом увеличивается, т. е. образование и распространение трещины у металла в наклепанном состоянии требует более высоких затрат энергии, чем у металла в исходном - отожженном состоянии. Эти данные свидетельствуют о том, что титан и в наклепанном состоянии обладает высокой работоспособностью. На рис. 18 показано изменение механических свойств титана современного производства, наклепанного прокаткой на 70% в зависимости от температуры отпуска при выдержке в течение 1 ч. Некоторое снижение прочностных свойств, повышение полного удлинения и равномерной части относительного сужения наблюдается после отпуска при 100-300° С,

Рис. 18. Измеиеиие механических свойств наклепаииого титана в зависимости от температуры отжига

.5<-,g,.go2.2g/m/

Полный возврат механических свойств до уровня исходного состояния (см. табл. 13 и рис. 18) происходит после отжига при 700° С. Однако, несмотря на раннее начало процессов отдыха, добиться полного снятия наклепа при низких температурах за счет увеличения продолжительности отпуска практически невозможно. Отмеченное обстоятельство имеет как положительное, так и отрицательное значение. В тех случаях, когда необходимо полное устранение наклепа (например, для стабилизации размеров деталей и т. п ), приходится нагревать изделия до температуры рекристаллизации (600-700° С), что неизбежно связано с поверхностным окислением. С другой стороны, если наклеп используется как облагораживающая операция (обкатка сварных соединений или основного металла jq для повышения работоспособности), то можно не опасаться повышения эксплуатационных температур по крайней мере до 300-350° С, так как при этом возможно лишь частичное снятие наклепа.

2. Механические свойства сх-сплавов

В практике создания а-сцлавов наиболее широко используемым элементом является алюминий. На рис. 19 показана зависимость механических свойств кованых и отожженных прутков диаметром 15-20 мм от содержания алюминия в сплаве. Для сопоставления там же приведены свойства сплавов систем Ti-Sn и Ti-Zr.

Из рисунка видно, что алюминий интенсивно повышает прочностные свойства титана (~6 кгс/мм на каждый 1% алюминия по массе). Наибольший прирост Ов и ао,2

о и кгс м/ш jo

Массовая доля мигирующего элеиеита,%

Рис. 19. Влияние алюминия (о - О), циркония (Л-Л) и олова (0-0) на механические свойства титана (мелкое зерно)

..j,....,. -в .. -U,. наблюдается в интервале

от О до 5% алюминия. В интервале от 5 до 9% прирост прочности уменьшается (~4 кгс/мм), а при содержании алюминия больше 9% сплавы становятся совершенно хрупкими и образцы разрушаются на упругой стадии растяжения. Рост о и 00,2 сопровождается уменьшением разницы между ними: 12-15 кгс/мм у неле-