ТИТАН И ЕГО СПЛАВЫ
§ I. СТРУКТУРА. И СВОЙСТВА ТИТАНА
Титан среди других металлов выделяется высокой прочностью при комнатной и повышенных температурах (см. табл. 55), хорошей коррозионной стойкостью и рядом других ценных качеств. Кроме этого, он имеет небольшой удельный вес (4,5 г/см3) и широко распространен в земной коре.
По природным запасам титан занимает четвертое место после алюминия, железа и магния.
Отрицательными качествами титана является его высокая реакционная способность при повышенных температурах к взаимодействию почти со всеми газами, в том числе с кислородом, азотом, водородом, а также со всеми материалами плавильных тиглей (кроме окиси тория). Последнее создает большие трудности в процессе плавки и литья. Взаимодействие титана с газами и другими элементами характеризуется соответствующими диаграммами состояния.
Кислород, азот и водород (рис. 127—129) обладают значительной растворимостью в твердом титане. Кроме этого, они образуют с титаном хрупкие химические (соединения, которыерезко снижают его ударную вязкость, способность кпластической деформации и коррозионную стойкость. Подобно газовым примесям ведет себя углерод (рис. 130). Последний при высоких температурах также заметно растворяется в титане, но при понижении температуры почти полностью выделяется виде карбида титана TiC, обладающего большой твердостью и хрупкостью.
Влияние газовых примесей (N2, О2) и углерода на механические свойства титана показано на рис. 131 —133. В настоящее время промышленностью выпускается ряд марок титана различной степени чистоты .
Для той и другой аллотропической формы и равновесном (отожженном) состоянии характерна полиэдрическая структура (см. рис. 157 атласа).
При быстром охлаждении (например, при литье, закалке) титан имеет игольчатую структуру, подобную мартенситу в сталях (рис. 158 атласа).
На температуру перехода ά-фазы в β-фазу оказывают влияние различные примеси и специально вводимые легирующие компоненты. Большинство элементов понижает температуру превращения, расширяя область β-фазы и делая ее устойчивой даже при комнатной температуре (рис. 134). Такие элементы называются стабилизаторами β-фазы. К ним относятся переходные металлы: ниобий, тантал, молибден, железо, хром, марганец, ванадий и др.
Однако существует несколько элементов, которые повышают температуру перехода ά-фазы в β-фазу, расширяя область ά-фазы (рис. 135). К числу стабилизаторов ά-фазы относятся: алюминий, бор, кислород, азот, углерод.
Титан высокой чистоты, полученный диссоциацией йодидиых соединений, имеет умеренную прочность (предел прочности σь =25—29 кг/мм2, σ,= 15—19 кг/мм2) и высокую пластичность δ = 56—64%, ψ= 85%).
Технический титан, загрязненный различными примесями (до 0,25% кислорода, около 0,1% азота и др.) имеет более высокую прочность (σь = 55—65 кг/мм2) и пониженную пластичность (δ = 30—25%).
С повышением температуры прочность титана резко снижается и при 400° составляет 23 кг/мм2, при 500° 16 кг/мм2. Длительная прочность титана очень низкая, при 500° она составляет только 3 кг/мм2.
Такие свойства во многих случаях недостаточны для того, чтобы технический титан мог конкурировать с другими промышленными сплавами (например, со сталью и алюминиевыми сплавами) .
Сплавы на основе титана имеют более высокую прочность.
Влияние некоторых легирующих
компонентов на механические
свойства титана показано на рис. 136.
Взаимодействие титана с различными элементами определяется диаграммами состояния, приведенными в приложении VIII.
§ 2. СПЛАВЫ ТИТАНА
Промышленные сплавы титана находятся еще в начальной стадии разработки, но уже первые полученные результаты позволяют говорить об их перспективности.
Титановые сплавы по своей удельной прочности (прочности, отнесенной к удельному весу) стоят выше специальных сталей наиболее прочных алюминиевых и магниевых сплавов (см. табл. 57).
Некоторые составы титановых сплавов, разработанных в СССР и за рубежом, даны в табл. 58—60.
По своей структуре титановые сплавы можно разделить на три группы: 1) однофазные сплавы—ά, 2) двухфазные сплавы— ά + β, 3) однофазные сплавы — β
Типовые структуры ά- и ά + β-сплавов даны на рис. 159, 160, 161 и 162 атласа.
В литом и закаленном состояниях титановые сплавы (за исключением β-сплавов), подобно чистому титану (см. рис. 158 атласа), имеют игольчатую мартенситоподобную структуру.
В отличие от чистого титана, игольчатая фаза в сплавах является промежуточной, метастабильной фазой, образующейся при переходе β в а-фазу.
Эта нестабильная фаза, в противоположность стабильной а-фазе, обычно обозначается а'. Она имеет ту же кристаллическую решетку, что и а-фаза, но с некоторым искажением ее формы и размеров подобно мартенситу в сталях. При длительном нагреве а'-фаза переходит в стабильную а-фазу.
На характер образования мартенситной а'-структуры и температуру мартенситного превращения существенное влияние оказывают различные примеси (рис. 137).
В
литературе имеются указания на то, что при низких
температурах в сплавах титана с переходными
элементами
(хром, марганец, железо, молибден,
ванадий) при больших ко
личествах легирующих элементов (достаточных для подавления
мартенситного превращения) при закалке
из β-области может
иметь место распад β-фазы по реакции:
βо→β+ ω→βе+ά,
где β0 — первоначальная р-фаза;
β — фаза β, обогащенная легирующим компонентом; βе— фаза β равновесного состава;
ω —промежуточная фаза с решеткой когерентной остаточной β-фазы; ά — стабильная низкотемпературная фаза.
Появление ω-фазы сопровождается увеличением концентрации легирующего элемента в остаточной β-фазе, которое проявляется на рентгенограммах уменьшением периода решетки.
При низкотемпературном старении при образовании ω-фазы, ά-фаза не обнаруживается. С образованием ά-фазы ω-фаза исчезает и остаточная β-фаза принимает равновесный состав (фаза βе).
Образование мартенситной ά'-фазы и фазы ω способствует снижению пластичности сплавов, проявлению хрупкости и т. д. Особенно отрицательно это оказывается на качестве сварных швов, где образование игольчатой хрупкой мартенситной структуры резко снижает угол загиба сварного шва и вызывает появление трещин.
Было замечено , что при введении некоторых элементов (Re, Zr, В) в малых количествах (от 0,005 до 0,05—0,1%) пластичность многих титановых сплавов и сварных швов можно заметно улучшить. По-видимому, введение указанных присадок способствует стабилизации β-фазы, подавлению мартенситного превращения и устраняет образование хрупкой ω-фазы.
Однофазные сплавы и малолегированные ά + β-сплавы характеризуются высокой пластичностью, хорошо воспринимают обработку давлением. Из этих сплавов производятся листы, профили, трубы и другие полуфабрикаты. Двухфазные высоколегированные сплавы применяются главным образом для получения поковок, прутков и других изделий. Сплавы с β-структурой пока не нашли промышленного применения.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.