Реферат: Водородное охрупчивание титана и его сплавов

Влияние водорода на механические свойства α-титана высокой чистоты показано на рис. 3. Свойства титана высокой чистоты при испытании на растяжение значительно изменяются и присутствии водорода. Если содержание водорода менее 1 % (ат.), то пластичность получается высокой (удлинение равно ~70%). Увеличение концентрации водорода (до 10% ат.) приводит к резкому снижению пластичности, хотя удлинение образцов остается на уровне 40%. Дальнейшее увеличение содержания водорода (до 25% ат.) может привести к катастрофическому снижению пластичности при комнатной температуре.

Рис.4. Изменение механических свойств чистого титана в зависимости от содержания водорода и скорости растяжения при комнатной температуре.

Рэйлски опубликовал подробный обзор по влиянию водорода на механические свойства титана и его сплавов, в котором он показал, что склонность α-титана высокой чистоты охрупчиваться под влиянием водорода увеличивается при раздельном или совместном действии следующих факторов: повышениискорости деформации, уменьшении температуры испытания и при наличии поверхностного надреза на образце. Наиболее резко вредное влияние водорода проявляется при определении прочности надрезанных образцов при испытании на удар. Столь малое содержание водорода, как 0,25% (ат.), вызывает значительное снижение сопротивления удару, а при содержании водорода ~2% (ат.) оно почти равно нулю (рис. 4). Следует указать, что почти нулевая энергия удара наблюдается при таком содержании водорода, которое практически не влияет на относительное удлинение при растяжении.

Металлографическое и рентгенографическое исследования показывают, что при содержании водорода более 0,1% (ат.) в α-титане присутствует нерастворимая гидридная фаза, как и следовало ожидать, исходя из диаграммы состояния водород — титан, предложенной Леннипгом. Считают, что основной причиной охрупчивания α-титана в присутствии водорода является наличие пластинчатых выделений гидридной фазы. Если этот гидрид выделяется в дисперсной форме, что может быть получено в результате быстрого охлаждения из области твердого раствора, механические свойства сплавов этого типа могут быть улучшены. Однако старение при комнатной температуре приводит к коагуляции гидрида в более массивные включения, что вызывает соответствующее ухудшение свойств при испытании на удар и на растяжение.

Технический титан

Растворимость водорода в α-фазе технического титана ниже, чем в титане высокой чистоты. При 400 °С предел растворимости колеблется от 5,4 до 6,5% (ат.), в то время как для чистого титана эта величина составляет более 8% (ат.). Определить растворимость водорода в титане при температурах ниже эвтектоидной трудно из-за остаточной β-фазы по границам зерен. Медленное или быстрое охлаждение из области твердого раствора не приводит к выделению гидридной фазы в сплавах, содержащих 0,26% (ат.) водорода, в то время как в титане высокой чистоты при данной концентрации водорода гидридная фаза присутствовала бы обязательно. Разница в пределах растворимости и форме существования водорода в металлах различной чистоты обусловливается присутствием в менее чистом титане элементов, стабилизирующих β-фазу, так как растворимость водорода в β-фазе гораздо больше, чем в α-фазе.

Вредное действие водорода на механические свойства проявляется в техническом титане при более низких содержаниях водорода по сравнению с титаном высокой чистоты. На рис. 5 показано изменение свойств технического титана при испытании па растяжение в зависимости от концентрации водорода; при содержании водорода 12% (ат.) пластичность этого материала снижается с 70 до 10%. В титане высокой чистоты такое снижение пластичности наблюдается при содержании водорода свыше 30% (ат.). Кроме того, снижение сопротивления удару почти до нулевого значения происходит в техническом титане при содержании водорода ~ 1% (ат.), что составляет приблизительно половину той величины, которая необходима для достижения аналогичного эффекта в титане высокой чистоты.

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.

Выводы

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.).