Механические свойства технического титана (отожженный)

Сплав	в, МПа	0,2, МПа	, %	, %	Удельная прочность		Удельная жесткость, Еуд
					при растяж., уд	при изгибе, уд
ВТ1-0	400-550	300-420	30	60	122	27	25
ВТ1-00	300-450	250-380	30	60	100	-	-

2.2. Титановые сплавы

Титановые сплавы по сравнению с титаном являются более высокопрочными и жаростойкими при достаточно хорошей пластичности, высокой коррозионной стойкости и малой плотности.

По влиянию на полиморфные превращения все легирующие элементы подразделяются на три группы;  - стабилизаторы,  - стабилизаторы, нейтральные элементы.

 - стабилизаторы Al, O, N повышают температуру полиморфного превращения, расширяя область твердых растворов на основе Ti (рис. 2.1, а).

Практическое значение для легирования имеет только Al, так как O, N, как указывалось выше, снижают пластичность и вязкость титановых сплавов. Алюминий повышает прочность, жаропрочность и модуль упругости, уменьшает плотность и склонность к водородной хрупкости титановых сплавов.

Кроме Al сплавы могут содержать элементы Sn, Zn. Олово упрочняет сплавы титана без снижения пластичности, повышает жаропрочность; цирконий увеличивает предел ползучести и длительную прочность.

 - стабилизаторы снижают температуру полиморфного превращения титана, расширяя область твердых растворов. Они образуют с титаном диаграммы двух типов. Изоморфные  - стабилизаторы Мо, V, Та, Nb, имеющие, как и Ti, кристаллическую решетку ОЦК, неограниченно растворяются в Ti (рис.2.1 б).

Элементы Cr, Mn, Fe, N, W, Cu образуют с титаном диаграммы состояния с эвтектоидным распадом (рис.2.1, в). Некоторые сплавы Ti – Mn, Ti – Cr, Ti - Fe при охлаждении, отличающиеся от равновесного, не претерпевает эвтектоидного распада, превращение в них идет по штриховой линии (рис.2.1 в).

Большинство  - стабилизаторов, особенно V, Mn, Мо, Cr, повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая пластичность.

Рис. 2.1. Диаграммы состояния титан - легирующие элементы

а) Ti -  -стабилизаторы;

б) Ti – изоморфные  - стабилизаторы;

в) T – эвтектоидообразующие  - стабилизаторы

г) Ti – нейтральные элементы

Нейтральные элементы (Sn, Zr, Hf) мало влияют на температуру полиморфного превращения (рис.2.1, г). Но они изменяют различные свойства титановых сплавов: олово упрочняет титановые сплавы, без снижения пластичности, повышает жаропрочность; цирконий увеличивает предел ползучести и длительную прочность.

По структуре в отожженном состоянии титановые сплавы классифицируются на , псевдо - ,  + , псевдо -  и  - сплавы. По механическим свойствам - на сплавы с нормальной прочностью, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности.

В промышленности применяются в основном титановые однородные сплавы с  - структурой и двухфазные ( + ) сплавы. Однофазные  - сплавы не имеют промышленного применения, так как для получения устойчивой  - структуры сплавы должны быть легированы большим количеством  стабилизаторов V, Мо, Та, Nb, которые дороги, дефицитны и имеют высокую плотность.

В табл. 2.2 приведен химический состав наиболее применимых деформируемых сплавов. Помимо основных легирующих элементов в промышленных деформируемых сплавах содержатся примеси Fe, Si, C, O, Zr в десятых долях процента.

Таблица 2.2

Химический состав (в %) промышленных деформируемых

титановых сплавов (ГОСТ 19807-74)

Марка сплава	Класс по структуре	Al	Mn	Mo	V	Zr	Cr
1	2	3	4	5	6	7	8
ВТ5		4,3-6,2	-	-	-	-	-
ВТ5-1	-	4,3-6	-	-	-	-	-
ОТ4-0	Псевдо-	0,2-1,4	0,2-1,4	-	-	-	-
ОТ4-1	-	1,0-2,5	0,7-2,0	-	-	-	-
ОТ4	-	3,5-3,0	0,8-2,0	-	-	-	-
ВТ-20	-	5,5-7,0	-	0,5-2,0	0,8-2,5	1,5-2,5	-

Продолжение табл.2.2.

1	2	3	4	5	6	7	8
ПТ7М	-	1,8-2,5	-	-	-	2,0-3,0	-
ПТ3В	-	3,5-5,0	-	-	1,2-2,5	-	-
ВТ3-1	 +	5,5-7,0	-	2,0-3,0	-	-	0,8-2,3
ВТ-6	-	5,3-6,8	-	-	3,5-5,3	-
Вт-9	-	5,8-7,0	-	2,8-3,0	-	0,8-2,0
ВТ14	-	3,5-6,3	-	2,5-3,8	0,9-1,9	-
ВТ16	-	1,8-3,8	-	4,5-6,5	4,0-5,5	-
ВТ-22	-	4,4-5,9	-	4,0-5,5	4,0-5,5	-

Сплавы с  - структурой имеют высокую прочность при нормальной температуре и высокое сопротивление разрушению при повышенных (350-500 °С) и криогенных температурах. Сплавы имеют высокую термическую стабильность свойств и обладают отличной свариваемостью. Свариваются они электронно-лучевой, аргонно-дуговой и всеми видами контактной сварки; прочность шва составляет 90 % прочности основного материала. Обрабатываемость резанием деталей из этих сплавов удовлетворительная.  - сплавы не упрочняются термической обработкой и применяются в отожженном состоянии. Сплавы поставляются промышленностью в виде прутков, сортового проката, поковок, проволоки.

Псевдо -  сплавы имеют прёеимущественно структуру  - сплавов и дополнительно легированы  - стабилизаторами (Mn, V, Nb, Мо) в небольших количествах (0,5-3 %), поэтому они имеют и  - фазу. Благодаря наличию  - фазы эти сплавы сохраняют достоинство  - сплавов, но приобретают еще повышенную технологическую пластичность. Сплавы ОТ4-0, ОТ4-1, ПТ7М, содержащие небольшое количество Al (1-3 %), при достаточной прочности хорошо обрабатываются давлением в холодном состоянии и только при изготовлении деталей сложно й формы требуют подогрева до 500-700 °С. Псевдо -  сплавы с легирующими элементами Zr, Se используют в изделиях, работающих при повышенных температурах, так как они повышают жаропрочность сплавов. Недостатком псевдо -  сплавов являются склонность к водородной хруп­кости, так как Н мало растворим в  - фазе и присутствует в структуре в виде гидридной фазы, снижающей пластичность. Поэтому допустимое содержание Н не должно превышать 0,01 %. Механические свойства  и псевдо -  сплавов приведены в табл.2.3.

Двухфазные ( + ) - сплавы легированы Al до 7 % и  - стабилизаторами Mn, Мо, V (1-6,5 %) и содержат Fe, Si, Cr, Zr в небольших количествах (менее 0,3 % каждый). Алюминий значительно упрочняет  - фазу, увеличивает температурную стабильность  - фазы, снижает плотность, что позволяет удерживать ее на уровне титана, несмотря на присутствие элементов высокой плотности V, Мо, Cr, Fe, Nb. Наибольшее упрочнение достигается при легировании титана Fe, Cr , Mn, и изоморфными Мо, V, Nb стабилизаторами. V, Nb упрочняют сплавы меньше других, но и меньше снижают пластичность.

Двухфазные сплавы упрочняются с помощью термической обработки - закалки и старения. В закаленном и отожженном состоянии они имеют хорошую пластичность, а после старения (500-550 °С в течение 10-16 ч.) высокую прочность и жаропрочность.

По структуре после закалки двухфазные сплав подразделяют на два класса: мартенситный и переходный. Сплавы мартенситного класса меньше содержат легирующих элементов и в равновесном состоянии содержат 5-25 %  - фазы. В результате закалки образуются структуры мартенсита . К ним относятся высокопрочные сплавы ВТ6, ВТ14, ВТ16 и жаропрочные ВТ9, ВТЗ-1.

Сплавы переходного класса содержат больше легирующих элементов и поэтому содержат больше  - фазы (25-50 %) в равновесной структуре. Структура этих сплавов чувствительна к изменениям химического состава и режимам термообработки. После закалки получают однофазную структуру мартенсита . Сплавы переходного класса, например ВТ22, имеют самую высокую прочность среди ( + ) - сплавов. Механические свойства некоторых ( + ) - сплавов приведены в табл.2.4.

Двухфазные сплавы штампуются, куются и прокатываются легче, чем сплавы с  -структурой. Удовлетворительно обрабатываются резанием и свариваются (после сварки требуется отжиг для повышения пластичности шва). Имеют меньшую склонность к водородной хрупкости, так как водород обладает большей растворимостью в  - фазе.

Сплавы поставляются в виде поковок, штамповок, прутков, ленты, листов. Технологические свойства деформируемых сплавов приведены в табл.2.5.

Все титановые сплавы немагнитны, обладают комплексом высоких механических свойств при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью. Удельная прочность титана и его сплавов превосходят все другие металлические конструкционные материалы, что предопределяет применение титановых сплавов для изготовления деталей несущих конструкций РЭС, где

Таблица 2.3