Влияние вакуумного отжига поковок на ползучесть, длительную и усталостную прочность титановых а-сплавов

Повышенная при высоких температурах активность титана по отношению к газам, в частности к водороду, часто приводит к наводороживанию полуфабрикатов из титановых сплавов, что сопровождается понижением ударной вязкости. Эффективной мерой борьбы с этим явлением может служить отжиг в вакууме. Однако до настоящего времени еще не ясен вопрос о влиянии вакуумирования на свойства сплавов. Имеющиеся в литературе сведения по этому вопросу несколько противоречивы.

В данной статье приводятся результаты изучения влияния вакуумного отжига титановых а-сплавов на длительную прочность и ползучесть при растяжении, длительную прочность при консольном изгибе и усталость в условиях чистого изгиба с вращением. Исследования проводились на образцах, вырезанных из прутков диаметром 26 мм сплавов 48-ОТЗ, 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ в мелкозернистом и крупнозернистом состояниях. Мелкозернистая структура получалась после ковки и низкотемпературного отжига в печи (для снятия напряжений). Крупнозернистое состояние достигалось специальной термической обработкой — отжигом при температуре 1100° в течение 10 часов.

В работе определялась длительная прочность, ползучесть и циклическая прочность материала после вакуумного отжига, в исходном состоянии (т. е. после ковки и последующего отжига в электропечи для снятия напряжений и получения определенной структуры), а также после отжига в печи при температуре, соответствующей температуре вакуумного отжига.

Вакуумный отжиг производился при температуре 850° в течение 10 часов и давлении в печи 1*10в-3 мм рт. ст. После окончания выдержки образцы охлаждались вместе с печью до 200°, а затем — на воздухе.

Вакуумированию подвергались заготовки, из которых затем вырезались образцы для испытаний. Таким образом, устранялось возможное влияние на результаты исследования изменения состояния поверхности в процессе вакуумного отжига.

В процессе вакуумного отжига уменьшается количество гидридов, в результате чего поле шлифа дегазированного металла более светлое, чем поле шлифа металла в исходном состоянии. Кроме того, пластинки второй фазы после вакуумного отжига становятся более тонкими.

Испытания на длительную прочность в условиях одноосного растяжения проводились на машинах типа ИП4М. Диаметр рабочей части образцов составлял 5 мм. С целью выявления чувствительности к надрезу исследуемого материала предел длительной прочности определялся как на гладких образцах, так и на образцах с надрезом, радиус которого был равен 0,1 мм.

Учитывая возможное различие прочностных характеристик в зависимости от состояния металла, длительную прочность оценивали как по абсолютному значению предела длительной прочности, так и по отношению его к пределу текучести.

Результаты испытаний, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о том, что предел длительной прочности гладких и надрезанных образцов после вакуумного отжига заготовок практически находится на уровне длительной прочности металла в исходном состоянии и после печного отжига.

Следует отметить, что значения предела длительной прочности при растяжении на базе 2000 часов для вакуумированных заготовок всех исследованных вариантов достаточно высоки и составляют для гладких образцов сплавов 48-ОТЗ, 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ соответственно 58 (87% о0,2), 54—65 (80-86% о0,2) и 48—55 кгс/мм (84—97% о0,2).

Предел длительной прочности сплавов 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ в мелкозернистом состоянии несколько выше, чем в крупнозернистом.

Испытаниям на ползучесть при растяжении подвергались гладкие образцы с диаметром рабочей части 7 мм на машинах типа ИП4М. Деформация в процессе испытания фиксировалась индикаторами с точностью до 0,001 мм. На основании полученных данных строились кривые деформации и вычислялась скорость на участке равномерной ползучести.

Испытания проводились на базе 1000 часов при напряжениях равных 70—90% о0,2.

Во всем диапазоне исследованных напряжений (табл. 2) скорость ползучести дегазированного металла не превышала скорости ползучести металла в исходном состоянии и после печного отжига. В двух случаях (при напряжениях равных 75—80% о0,2) дегазированный металл имел большую скорость ползучести, чем недегазированный. Объясняется это разбросом данных, так как при более высоких напряжениях (82—86% о0,2) этого явления не наблюдается.

Суммарная деформация ползучести дегазированного материала во всех вариантах меньше, чем недегазированного. На рис. 1 приведены кривые ползучести сплава 48-ОТЗМ (мелкое зерно); характер кривых для сплавов 48-ОТЗ и 48-ОТЗВ (мелкое и крупное зерна) аналогичен.

Испытания на длительную прочность при консольном изгибе проводились на машине конструкции Ленинградского политехнического института им. Калинина. Один конец образца жестко закреплялся в неподвижном захвате, другой — нагружался сосредоточенной силой, усилие которой передавалось образцу через шарик и сферическую опору. Благодаря такой схеме нагружения во время испытания автоматически обеспечивалось постоянство изгибающего момента. Испытанию подвергались образцы с острым надрезом (r=0,15 мм), рабочее сечение которых было равно 12x9 мм (рис. 2).

Результаты испытаний оценивались по условному пределу длительной прочности, который вычислялся как отношение предела длительной прочности к напряжению, при котором разрушение образца происходит менее чем за 20 секунд.

Из табл. 3 видно, что в результате дегазации заготовок значительно снизился предел длительной прочности только у сплава 48-ОТЗ в мелкозернистом состоянии (на 54 кгс/мм2 по абсолютной величине и на 30% по отношению к кратковременному напряжению). Небольшое снижение предела длительной прочности (на 5%) наблюдалось также у сплава 48-ОТЗВ (мелкое зерно). В остальных случаях предел длительной прочности дегазированного металла был несколько выше или таким же, как у металла в исходном состоянии. На основании экспериментальных данных для сплавов 48 ОТЗ и 48-ОТЗМ были построены кривые длительной прочности при изгибе (рис. 3 и 4).

Как уже отмечалось, все исследования проводились на образцах, вырезанных из прутков диаметром 26 мм, которые в исходном состоянии имели мелкозернистую структуру. Для получения крупнозернистого материала прутки подвергались специальной термической обработке.

С целью проверки закономерностей, полученных на металле прутков диаметром 26 мм, были дополнительно проведены исследования материала натурных больших поковок (диаметром 400 мм) из сплавов 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ. Структура металла этих поковок в зависимости от расстояния от поверхности может быть как мелкозернистой, так и крупнозернистой.

В работе была определена на базе 1000 часов длительная прочность образцов, вырезанных из поверхностных и глубинных слоев этих поковок как в состоянии поставки (исходное состояние), так и после вакуумного отжига. Результаты этих испытаний показали, что вакуумный отжиг крупных поковок сплавов 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ не снижает длительной прочности металла в условиях изгиба (табл. 4).

Следует сказать также несколько слов о влиянии вакуумирования металла на его длительную прочность в случае, когда производится дегазация не заготовок, а непосредственно образцов. Это имитирует тот случай применения вакуумного отжига в производственных условиях, когда детали после дегазации не подвергаются механической обработке. При этом поверхностные явления, которые могут иметь место при дегазации, должны будут сказаться на поведении материала при длительных воздействиях нагрузок.

Результаты исследований показали, что дегазация готовых образцов не приводит к снижению длительной прочности и сопротивления ползучести в условиях действия растягивающих напряжений.

Степень влияния вакуумного отжига образцов на их длительную прочность при изгибе определяется структурой материала: при мелкозернистой структуре предел длительной прочности дегазированных образцов ниже предела длительной прочности вакуумированных заготовок и металла в исходном состоянии; в крупнозернистом состоянии этого различия не наблюдается.

Результаты испытаний сплава 48-ОТЗ на изгиб оказались противоречивыми: у металла с крупнозернистой структурой относительный предел длительной прочности дегазированных образцов понизился на 12% (по сравнению с заготовками), а у металла с мелкозернистой структурой повысился на 11%.

Испытания на циклическую прочность проводились в условиях чистого изгиба с вращением на базе 20*10в6 циклов на гладких и надрезанных (ак=3,6) образцах, диаметр рабочей части которых равен 9,48 мм.

Образцы для исследования вырезались из прутков диаметром 26 мм сплавов 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ. Предел выносливости определялся как на металле в исходном состоянии, так и на металле заготовок после вакуумного отжига.

Анализируя полученные результаты испытаний (табл. 5), следует отметить, что вакуумирование сплавов 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ привело к незначительному снижению предела циклической прочности гладких образцов: на образцах с крупнозернистой структурой соответственно на 1 и 2 кгс/мм2, на материале с мелким зерном — на 3 кгс/мм2. Для надрезанных образцов снижение наблюдалось только при испытании сплава 48-ОТЗМ с крупнозернистой структурой. Во всех остальных случаях предел циклической прочности надрезанных образцов вакуумирован-ного металла был выше (на 1,5—2,0 кгс/мм2) или таким же, как предел выносливости образцов в исходном состоянии.

На основании экспериментальных данных был вычислен эффективный коэффициент (вк = ог-1/он-1), характеризующий чувствительность материала к надрезу. Величина этого показателя для сплавов 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ в исходном состоянии и после вакуумного отжига находится примерно на одном и том же уровне, т. е. вакуумный отжиг уменьшает чувствительность металла к надрезу.



Изучение влияния вакуумного отжига на свойства титановых а-сплавов показало следующее.

В условиях действия растягивающих напряжений длительная прочность металла в исходном состоянии и после вакуумного отжига практически одинакова.

Когда детали, имеющие концентратор напряжений, работают на изгиб, на сопротивляемость дегазированного металла изгибающим напряжениям существенно влияют структура, легирование и величина при пуска на механическую обработку.

Вакуумирование полуфабрикатов и готовых изделий из сплавов 48-QT3, 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ в крупнозернистом состоянии не снижает их длительной прочности при изгибе.

Если изделия из этих сплавов имеют мелкозернистую структуру, влияние вакуумного отжига на их сопротивляемость длительным изгибающим напряжениям различно. При дегазации полуфабрикатов из сплавов 48-ОТЗВ и 48-ОТЗМ понижения значений длительной прочности практически не происходит и оно заметно лишь при отжиге в вакууме готовых изделий; у сплава 48-ОТЗ, выплавленного на более прочной губке, это понижение наблюдается в том и другом случаях.

Вакуумирование поковок из сплавов 48-ОТЗВ и 48 ОТЗЧ не вызвало изменения предела циклической прочности в условиях чистого изгиба с вращением у надрезанных образцов (ак = 3,6) и привело к незначитель ному понижению значений этой характеристики на гладких образцах.