Механические свойства титана

Обозначения: σ_в- прочность при растяжении; ε- относительное удлинение; Е - модуль упругости; НВ- твердость по Бринеллю.

9.3.3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТИТАНОВЫЕ СПЛАВЫ

Сплавы на основе титана обладают высокой удельной проч­ностью. У лучших современных сплавов титана, легированных добавками А1, Сг, V, Мо, Мn, после термической обработки предел прочности при растяжении составляет 1200...1500 МПа, что отве­чает удельной прочности 27...33 км. Легированные стали с тем же пределом прочности имеют удельную прочность 15,5... 19 км.

При комнатной температуре сплавы на основе титана лишь не­значительно превосходят высокопрочные сплавы алюминия и ма­гния. Однако при 150...430 °С сплавы алюминия быстро теряют свою прочность. В этой области температур титановые сплавы превосхо­дят также нержавеющую сталь.

В целях повышения износостойкости титановые сплавы подвергают азотированию. Лучшие результаты дает азотирование в среде сухого, очищенного от кислорода азота. Оно повышает поверхностную твер­дость, износостойкость, жаропрочность и жаростойкость, тогда как азо­тирование в аммиаке способствует охрупчиванию титановых сплавов вследствие насыщения водородом. Азотирование проводится при тем­пературе 850...950 °С в течение 10...50 часов. При этом на поверхности образуется тонкий нитридный слой и обогащенный азотом α-твердый раствор. Толщина нитридного слоя равна 0,06...0,2 мм, НV –1200...1500. Глубина обогащенного азотом слоя в твердом растворе равна 0,1...0,15 мм., НV – 700...900. Чтобы уменьшить хрупкость азотированного слоя, ре­комендуется вакуумный отжиг при температуре 800...900 °С. Для по­вышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию и другим видам диффузионной металлизации.

Преимущество титановых сплавов по сравнению с техническим титаном - в более высоких прочности, жаропрочности и жаростойкости при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стой­кости и малой плотности. Поэтому титановые сплавы получили широ­кое применение в авиации, ракетной технике, судостроении, химической и других отраслях промышленности. Их применяют для обшивки сверх­звуковых самолетов, изготовления деталей конструкций реактивных авиационных двигателей, корпусов ракетных двигателей второй и тре­тьей ступени, баллонов и шаробаллонов для сжатых и сжиженных га­зов, обшивки морских судов, подводных лодок, торпед и т. д.

По технологии изготовления титановые сплавы подразделяют­ся на деформируемые и литейные, по механическим свойствам - на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, по­вышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термической обработки титановые сплавы делятся на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. По структуре титано­вые сплавы классифицируются как α-, (α+β) – и β-сплавы.

9.3.3.1. ДЕФОРМИРУЕМЫЕ СПЛАВЫ

Химический состав и класс по структуре наиболее распростра­ненных деформируемых сплавов представлен в табл. 43.

Сплавы с α-структурой - ВТ5, ВТ5-1 - характеризуются сред­ней прочностью при комнатной температуре, высокими механичес­кими свойствами при криогенных температурах, хорошей жаростой­костью, сопротивлением ползучести и жаропрочностью. Они име­ют высокую термическую стабильность, обладают отличной свари­ваемостью и коррозионной стойкостью. Прочность сварного шва составляет 90 % от прочности основного сплава.

Недостатки этих сплавов – в неспособности упрочняться термической обработкой и в низкой технологической пластичности. Сплавы с оловом более технологичны и жаростойки, но они самые дорогостоящие из сплавов. В горячем состоянии сплавы куют, про­катывают и штампуют. Поставляют их в виде прутков, сортового проката, поковок, труб и проволоки.

Сплав ВТ5 предназначен для изготовления деталей, работаю­щих при температурах до 400 °С, сплав ВТ5-1 - до 500 °С.

К группе сплавов с α-сгруктурой относится технически чистый ти­тан, а также псевдо-α-сплавы, имеющие преимущественно α-структуру и небольшое количество β-фазы (1.. .5 %), вследствие дополнительного ле­гирования марганцем - ОТ4, ВТ4 и др. Сохраняя достоинства α-сплавов, последние благодаря наличию β-фазы обладают высокой технологической пластичностью.

Таблица 43

Химический состав (%, остальное Ti) и структура титановых сплавов

Сплавы ОТ4-1 и ОТ4, содержащие меньше алюминия (со­ответственно 2 и 3 %), обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении сложных деталей подогреваются до 500... 700 °С. Сплавы с большим содержанием алюминия - ВТ4 и ОТ4-2 - при обработке давлением требуют подогрева до 600...800 °С. Недостаток этой группы сплавов - в склонности к водородной хрупкости, поэтому допус­тимое содержание водорода колеблется в пределах 0,02...0,005 %.

Для двухфазных (α+β)-сплавов - ВТЗ-1, ВТ6, ВТ8, ВТ14 и др. - харак­терно лучшее сочетание технологических и механических свойств. Они упрочняются с помощью термической обработки - закалки и старения. В отожженном и закаленном состояниях имеют хорошую пластичность, а после закалки и старения - высокую прочность при комнатной и повы­шенной температурах. При этом чем больше β-фазы содержится в струк­туре сплава, тем он сильнее упрочняется при термической обработке. Особо высокопрочные сплавы - ВТ 14, ВТ 15, ВТ 16. В качестве жаропрочных ис­пользуются сплавы ВТЗ-1, ВТ8 и ВТ9 (табл. 44). Все эти сплавы содержат алюминий. Он значительно упрочняет a-фазу при комнатной и повышен­ных температурах и повышает термическую стабильность β- фазы.

Таблица 44