Водородное охрупчивание титана и его сплавов - Реферат

Систему титан - водород изучали многие исследователи. Мак-Квиллан установил, что при температурах выше 500 °С в системе титан - водород существуют три фазы: ? - фаза (с плотноупакованной гексагональной решеткой), ? - фаза (с о.ц.к. решеткой) и ?-фаза (с г.ц.к. решеткой). Метод Мак-Квиллана заключался в основном в измерении равновесного давления водорода в зависимости от концентрации и температуры (рис.1). Результаты различных исследований могут быть представлены в виде диаграммы состояния для системы сплавов титан-водород. Однако не вызывает сомнения тот факт, что водород стабилизирует ?-фазу до весьма низких температур, при которых происходит эвтектоидное превращение с образованием двухфазных сплавов, состоящих из ?-титана и гидрида (?-фаза).Водород значительно снижает сопротивление удару, но его влияние уменьшается с уменьшением скорости деформации. Водород является элементом, стабилизирующим ?-фазу, он имеет большее сродство с ?-фазой в ?-?-сплавах. Рэйлски считает, что ? - ?-титановые сплавы, содержащие до 4,5% (ат.) водорода (что в 5 раз превышает концентрацию, вызывающую охрупчивание), не имеют гидридной фазы. Однако авторадиографическое исследование ? - ?-титановых сплавов, содержащих не более 2,7% (ат.) водорода, показало, что водород ликвирует по границам между ?-?-фазами после термического старения. Во-первых, при испытании сплава с 8% Mn при комнатной температуре с достаточно малой скоростью деформации эффект охрупчивания наблюдался при содержании 1% (ат.) водорода, в то время как при испытании того же сплава на растяжение скоростью деформации и на удар он охрупчивался при содержании 2,7 и 5,3% (ат.) водорода соответственно.

Оглавление

Система титан-водород

Водородное охрупчивание ?-титана

Титан высокой чистоты

Технический титан

Стабилизированные ?-сплавы

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 ?-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 ?-титана высокой чистоты наблюдается в том случае, когда содержание водорода превышает предел его растворимости. В этом случае, при медленном охлаждении из области ?-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 ?-фазы хрупкой ?-фазы с относительно более высоким содержанием водорода. Присутствие такой остаточной ?-фазы обусловливается наличием примесей (например, железа), которые способствуют стабилизации высокотемпературной фазы при более низких температурах.

Водородное охрупчивание ?-?-титановых сплавов

Характерные признаки водородного охрупчивания ?-?-титановых сплавов

Водород является элементом, стабилизирующим ?-фазу, он имеет большее сродство с ?-фазой в ?-?-сплавах. При эвтектоидной температуре распределение водорода между ?- и ?-фазами выражается отношением порядка 5: 1. При комнатной температуре это отношение, вероятно, выше вследствие значительного уменьшения растворимости водорода в ?-фазе. Охрупчивание ? - ?-титановых сплавов под влиянием водорода было изучено многими исследователями. Рэйлски считает, что ? - ?-титановые сплавы, содержащие до 4,5% (ат.) водорода (что в 5 раз превышает концентрацию, вызывающую охрупчивание), не имеют гидридной фазы. Однако авторадиографическое исследование ? - ?-титановых сплавов, содержащих не более 2,7% (ат.) водорода, показало, что водород ликвирует по границам между ?- ?-фазами после термического старения. Так как при производстве технических ? - ?-сплавов используется большое количество элементов, стабилизирующих ?-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 ?-фазе по сравнению с ?-фазой не удивительно, что явление водородного охрупчивания протекает в ? - ?-сплавах иначе, чем в однофазном ?-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 ? - ?-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% Mn 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 ?-титана наблюдается противоположная тенденция. Зависимость пластичности ? - ?-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.

Количество водорода, необходимое для получения определенной степени охрупчивания, является (подобно интенсивности охрупчивающего эффекта) функцией от скорости деформации и температуры. Как можно было ожидать, зная зависимость степени охрупчивания от температуры, количество водорода, вызывающее эффект охрупчивания, является минимальным при комнатной температуре и увеличивается с повышением или понижением температуры. При всех температурах количество водорода, необходимое для охрупчивания металла, увеличивается с увеличением скорости деформации. Для подтверждения этого положения можно привести два примера. Во-первых, при испытании сплава с 8% Mn при комнатной температуре с достаточно малой скоростью деформации эффект охрупчивания наблюдался при содержании 1% (ат.) водорода, в то время как при испытании того же сплава на растяжение скоростью деформации и на удар он охрупчивался при содержании 2,7 и 5,3% (ат.) водорода соответственно.

Во-вторых, при испытании сплава Ti - 140А на растяжение при комнатной температуре с малой скоростью деформации охрупчивание происходит при 1,2% (ат.) водорода. Этот же сплав разрушается преждевременно при содержании 0,85% (ат.) водорода в условиях испытания на длительную прочность, т. е. при весьма малой скорости деформации. Пластичность резко снижается при достижении определенного критического содержания водорода, причем это содержание различное для разных сплавов.

Пластичность сплавов титана высокой чистоты с 3 и 6% Мп и технического титана с 8% Мп снижается примерно при содержании 1% (ат.) водорода; сплав с 4% Мп и 4% А1 не охрупчивастя даже при содержании водорода свыше 5% (ат.) Отсюда следует, что пределы колебания в содержании водорода в ? - ? сплавах могут быть расширены при сохранении высокой пластичности за счет введения такого ?-стабилизирующего элемента, как алюминий. Из сравнения сплавов титана, содержащих марганец, со сплавами, в которых ?-фаза стабилизируется молибденом, следует, что пределы колебания в содержании водорода также зависят от выбора ?-стабилизатора. По-видимому, с этой точки зрения молибден является лучшим стабилизатором, чем марганец.

Ввиду столь значительного влияния водорода на пластичность этих сплавов в основном исследовалось влияние водорода именно на это свойство. Насколько известно, влияние водорода на разрушающее напряжение не исследовалось. Предел текучести и твердость по Виккерсу сплава титана с 8% Мп несколько возрастают с увеличением содержания водорода. Предел прочности сплава титана с 4% Мп и 4% А1 изменяется аналогичным образом. Предел прочности сплава Ti - 140А не меняется с изменением содержания водорода в интервале охрупчивания.

Механизм водородного охрупчивания ?-?-титановых сплавов

Склонность ? - ?-сплавов к водородному охрупчиванию изменяется в зависимости от температуры и скорости деформации таким же образом, как и у стали. Поэтому не удивительно, что механизм водородного охрупчивания этих сплавов, предложенный Барке и подтвержденный Джаффе, Лсппингом и Крайгхедом, в основном подобен механизму охрупчивания стали, предложенному Морлеттом, Джонсоном и Тройяно.

Согласно Барке, развитие деформации в металле вызывает диффузию водорода из раствора внедрения па основе ?-фазы к некоторым определенным участкам в образце. Этот процесс приводит к «микросегрегации» водорода в участках, где под влиянием приложенного напряжения могут зародиться микротрещины. Распространение таких трещин может затем вызвать хрупкое разрушение. Поскольку сегрегация водорода является диффузионным процессом, то для достижения критической степени ликвации, оказывающей вредное действие на металл, необходимо определенное время. Поэтому при достаточно большой скорости деформации металл пластически деформируется раньше, чем достигается критическая локальная концентрация водорода. При малой скорости деформации микросегрегация достигает критической величины раньше, чем произойдет пластическая деформация материала, в результате чего он хрупко разрушается.

Снижение температуры уменьшает скорость диффузии водорода. Соответственно, если, например, при комнатной температуре некоторая небольшая скорость деформации будет досрочно мала для того, чтобы вызвать охрупчивание металла, то при более низких температурах она может оказаться слишком большой. Поэтому склонность к охрупчиванию уменьшается с понижением температуры. Однако охрупчивание будет происходить при более низкой температуре в том случае, если содержание водорода будет повышено. В результате количество способного диффундировать водорода будет больше, так что критическая степень микросегрегации может быть достигнута даже при более низкой скорости диффузии. Точно также при повышении скорости деформации при любой заданной температуре количество водорода, вызывающее охрупчивание металла, будет увеличиваться. Это происходит потому, что время, и течение которого может происходить вызванная напряжением диффузия водорода (способствующая достижению критической степени ликвации), уменьшается.

В случае, когда испытание проводится при температурах ~100°С, охрупчивания металла под влиянием водорода не наблюдается. Барке считает, что это происходит либо благодаря уменьшению склонности водорода к сегрегации при более высоких температурах, либо вследствие общего повышения пластичности материала при более высоких температурах.

В первом случае он считает, что в результате повышения температуры усиливаются термические колебания атомов, вследствие чего распределение водорода остается достаточно гомогенным и критическая степень сегрегации не может быть достигнута. Во втором случае он предполагает, что вследствие увеличения пластичности материала зарождение или распространение трещин (или то и другое вместе) не может происходить даже при наличии участков, обогащенных водородом.

Барке не высказывает никакого определенного мнения о природе участков, в которых предполагаемая микросегрегация может иметь место. Однако Джаффе, Леннинг и Крайгхед в подтверждение этой гипотезы полагают, что сегрегация водорода может иметь место на поверхностях раздела ? -?-фаз. Это кажется разумным, учитывая относительно низкую растворимость водорода в ?-фазе по сравнению с ?-фазой. Если (как предполагалось) при наложении напряжения происходит миграция атомов водорода из их равновесного положения в ?-фазе, то водород будет собираться на границе между ?- и ?-фазами, так как вследствие незначительной растворимости его в ?-фазе при комнатной температуре лишь весьма небольшое количество мигрирующего водорода сможет раствориться в ней (по другую сторону границы).

Следует указать, что хотя такая сегрегация водорода по границе раздела фаз является, по-видимому, логическим следствием механизма, разработанного Барке, металлографический анализ образцов, охрупченпых под влиянием водорода, не подтвердил существования такой гидридной фазы. Однако в одной из последних работ при электропноскопическом и авторадиографическом исследовании сплава сложного состава с 2,7% (ат.) водорода на границах раздела ? -?-фаз было обнаружено небольшое количество гидридной фазы. Показано, что содержащая водород фаза образуется в результате термического старения. Возможно, что выделения подобного типа могут иметь место в результате деформационного старения сплавов этого типа.

Влияние водорода на механические свойства ?-титановых сплавов

Относительно высокая растворимость водорода в ?-фазе говорит о том, что заметное охрупчивание однофазных ?-титановых сплавов будет происходить только при высоком содержании водорода. Однако Крайгхед, Лепнинг и Джаффе показали, что сопротивление удару и свойства при испытании на растяжение сплавов этого типа не меняются даже при весьма больших содержаниях водорода.