Свойства титана и влияние на них легирующих элементов
Лекция 19 Титан и его сплавы Свойства титана и влияние на них легирующих элементов Титан широко распространен в земной коре, где его содержится около 0,6 %, а по распространенности он занимает четвертое место после алюминия, железа и магния. Благодаря прогрессу в области самолето- и ракетостроения производство титана и его сплавов интенсивно развивается. Это объясняется сочетанием таких ценных свойств титана, как малая плотность, высокая удельная прочность (σВ/γ), коррозионная стойкость, технологичность при обработке давлением и свариваемость, хладостойкость, высокая стойкость против солнечной радиации, немагнитность и ряд других ценных физико-механических характеристик. Титан — металл серебристо-белого цвета, имеющий малую плотность (4,5 г/см3). Титан имеет две полиморфные модификации: α-титана с гексагональной плотноупакованной решеткой и высокотемпературную модификацию β-титана с кубической объемноцентрированной решеткой. Температура полиморфного α ↔ β превращения составляет 8820С. Полиморфное β → α превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении оно происходит по нормальному механизму с образованием полиэдрической микроструктуры. При быстром - по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры. Механические свойства титана существенно зависят содержания примесей. Примеси повьппают прочность и одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,03 % Н, 0,2 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается. Технически чистый титан марки BT1-1 по прочности и пластичности не уступает ряду углеродистых и Cr — Ni коррозионностойких сталей: σВ = 450 — 600 МПа; σ0,2 = 380 — 500 МПа; δ > 25 %; ψ > 50 %. При понижении температуры от комнатной до криогенных прочностные свойства растут при сохранении высокого уровня пластичности. По удельной прочности в интервале температур 300 — 6000С сплавы титана не имеют себе равных; при температуре ниже 3000С сплавы титана уступают алюминиевых сплавам, а выше 6000С — сплавам на основе железа и никеля. Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (E = 112 ГПа), почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций. Для повышения жесткости приходится увеличивать толщину деталей и их массу. Благодаря оксидной пленке из ТiO2 титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения. Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его выплавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов. Сплавы титана имеют несколько меньшую жаропрочность, чем специальные стали. Рабочая температура их использования не более 550 — 6000С. При превышении этой температуры титан и его сплавы легко окисляются и интенсивно поглощают газы. Титан пластичен и легко обрабатывается давлением при комнатной и повышенной температурах. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и дуговой сваркой в защитной атмосфере, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием. Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Как и в сплавах на основе железа, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана. Такие элементы, как Alповышают температуру полиморфного превращения α ↔ β, расширяют область твердых растворов на основе α-титана и таким образом являются α-стабилизаторами (рис. 14.1, а). Даже при быстром охлаждении сплавов с α-стабилизаторами из области существования β-фазы полиморфное превращение титана протекает по нормальному механизму с образованием полиэдрической структуры. Поэтому сплавы с устойчивой α-структурой нельзя упрочнить термической обработкой. (Солнцев стр. 443) Рис. 14.1. Диаграммы состояния систем титан — легирующий элемент (л.э.): а — Тi — α-стабилизаторы; б — Ti — изоморфные β-стабилизаторы. Большинство легирующих элементов (Mo, V, Mn, Fe, Cr и др.), наоборот, понижает температуру полиморфного α ↔ β превращения вплоть до комнатной и расширяют область существования твердых растворов на основе β-Ti, являясь β-стабилизаторами (рис. 14.1, б). Согласно диаграмме состояния титановые сплавы, легированные β - стабилизаторами могут иметь однофазную структуру α-твердого раствора малой концентрации, двухфазную (α + β) - структуру при большем содержании легирующих элементов и однофазную структуру β - твердого раствора в случае еще большего легирования. Для сплавов с (α + β)-структурой применима упрочняющая термическая обработка, состоящая из закалки и старения. Закалка состоит в нагреве до β состояния и охлаждения в воде. При этом полиморфное β → α протекает по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, представляющей собой пересыщеный твердый раствор легирующих элементов в α-титане, обозначаемый как α'. Кристаллическая структура α и α' практически одинакова (гексагональная плотноупакованная решетка), однако решетка пересьпценного твердого раствора α' более искажена, вследствие чего α'-фаза обладает повышенной твердостью. При старении из α'- фазы выделяется β - фаза различной дисперсности, вызывающая уменьшение твердости. Превращения при закалке и старении в титановых сплавах в принципе похожи на соответствующие превращения в стали. Однако из-за того, что α' мартенсит в титановых сплавах мало отличается по прочности от равновесной α-фазы, столь существенного упрочнения, как в сталях, в титановых сплавах не происходит. В результате фазовой перекристаллизации происходит измельчение зерна, что положительно сказывается на их пластических свойствах. Титановые сплавы подвергают термической обработке — рекристаллизационному отжигу, закалке и старению, а также химико-термической обработке. Отжиг титановых сплавов проводят после холодной деформации. Температура их рекристаллизации составляет в среднем 5000С и отжиг при температуре 700 — 8000С вполне достаточен для устранения наклепа. Титановые сплавы обладают низкими аитифрикционными свойствами. Для повышения износостойкости их подвергают азотированию. Азотирование проводят в среде газообразного азота при температуре около 9000С и длительности процесса до 50 ч. Азотрование повышает поверхностную твердость, износостойкость и жаропрочность. Для уменьшения хрупкости азотированного слоя проводят вакуумный отжиг заготовок при 800 — 9000С. Для повышения жаростойкости титановые сплавы подвергают силицированию.
Популярное: Организация как механизм и форма жизни коллектива: Организация не сможет достичь поставленных целей без соответствующей внутренней... Модели организации как закрытой, открытой, частично открытой системы: Закрытая система имеет жесткие фиксированные границы, ее действия относительно независимы... Почему стероиды повышают давление?: Основных причин три... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (4375)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |