Механические свойства титана сильно зависят от примесей атмосферных газов — кислорода и азота, с которыми он образует сплавы типа твердых растворов внедрения. Наиболее важное практическое значение имеет примесь кислорода, по содержанию которого определяется сорт технического титана; поведение кислорода в титановых сплавах можно сравнить с поведением углерода в сталях.
Наиболее сильное упрочняющее действие на титан оказывают азот, затем кислород и углерод. В пределах, допускаемых техническими условиями на содержание этих примесей (<0,05% N2, <0,25% О2 и <0,05% С), их действие можно считать аддитивным. Влияние 0,01% N2 эквивалентно 0,02% 02 или 0,03% С.
Механические свойства титана
Предел прочности, МПа…………………………………………………………………………….. 256
Относительное удлинение, %……………………………………………… …………………….. 72
Модуль нормальной упругости, ГПа………………………………………………………….. 106
С увеличением крупности зерна предел текучести (σ0,2) и временное сопротивление разрыву (σв) снижаются, причем это проявляется тем заметнее, чем выше содержание примесей кислорода и азота или их суммы. Характеристики пластичности мало зависят от величины зерна.
Высокочистый титан не имеет четко выраженного физического предела текучести, технический титан, содержащий 0,1-0,3% 02; 0,1-0,3% Fe, с мелкозернистой структурой (<20 мкм) напротив имеет четко выраженный физический предел текучести. При содержании в электролитическом металле, %: 02 — 0,021; N2 — 0,004%; С — 0,015; Fe<0,005; Al<0,04 предел текучести — 105 МПа, временное сопротивление разрыву — 234 МПа, относительное удлинение δ — 55%.
Упрочняющее действие примеси кислорода проявляется примерно до температуры 350-400°С, а затем свойства нивелируются. Поэтому кислород не может считаться полезной добавкой для повышения жаропрочности.
Титан — нехладноломкий металл и это определяет перспективность его применения при низких температурах. В табл. 1 приведены механические свойства отожженного кованого титана с различной величиной кислородного эквивалента (К) при комнатной и низких температурах, а также склонность к хладноломкости Кχ = σв (°С) /σв (20°С) и чувствительность к надрезу Кн = σв (с надрезом)/σв (без надреза).
Табл.1. Механические свойства отожженного кованого титана при низких температурах (отжиг при температуре 650°С, охлаждение на воздухе)
| К,% | Т, °С | Предел текучести σ0,2, Мпа | Временное сопротивление σb, МПа | Относительное удлинение δ, % | Относительное сужение ψ, % | Кх | Кн |
| 0,05 | 20 | 250 | 320 | 41 | 82 | — | — |
| -80 | 360 | 460 | 58 | 84 | 1,4 | — | |
| -196 | 430 | 720 | 68 | 75 | 2,2 | — | |
| 0,10 | 20 | 290 | 380 | 36 | 75 | — | — |
| -80 | 400 | 560 | 46 | 77 | 1,5 | — | |
| -196 | 5303 | 830 | 48 | 66 | 2,2 | ||
| 0,18 | 20 | 400 | 530 | 27 | 59 | — | — |
| -80 | 50 | 680 | 30 | 68 | 1,3 | — | |
| -196 | 770 | 1030 | 46 | 62 | 1,9 | — | |
| 0,23 | 20 | 480(474) | 600(592) | 26(26) | 61 | — | (0,35) |
| -80 | 600(628) | 720(766) | 18(25) | 53 | 1,2 | (1,19) | |
| -196 | 820(956) | 970(1070) | 19 | 20 | 1,6 | (1,05) | |
| (-268) | (1210) | (1310) | (7,9) | — | — | (0,68) | |
| 0,32 | 20 | 500 | 650 | 25 | 50 | — | — |
| -80 | 770 | 840 | 20 | 54 | 1,3 | — | |
| -196 | 1070 | 1120 | 23 | 62 | 1,7 | — | |
| Значение в скобках — по данным Христиана, остальные — по данным Круппа. | |||||||
При понижении температуры увеличиваются временное сопротивление разрыву и относительное удлинение, причем тем больше, чем меньше содержание примесей элементов внедрения, учитываемых кислородным эквивалентом. У наиболее чистого от примесей титана при температуре -196°С временное сопротивление разрыву вдвое выше, чем при 20°С, а относительное удлинение — в полтора раза. При величине кислородного эквивалента порядка 0,2 — 0,3% (технический титан) пластичность при температуре 20 и -196°С примерно одинакова. До температуры -196°С титан не чувствителен к надрезу. При температуре -268°С пластичность снижается, но остается достаточно высокой для использования титана в качестве конструкционного материала.
Неприятная особенность титана — ползучесть при комнатной температуре при длительном воздействии напряжений около 50% от предела текучести, а для титана повышенной чистоты — даже и при более низких напряжениях.
В зависимости от температуры сопротивление ползучести изменяется по-разному. В интервале температур 20-150°С наблюдается сильная зависимость предела текучести от продолжительности действия напряжения. При температуре 200-300°С эта зависимость почти исчезает, при дальнейшем повышении температуры появляется снова. При температуре 200-300°С отмечается пониженная скорость ползучести, особенно технического титана. В этом случае уже небольшое понижение напряжения очень сильно сокращает срок службы его. Например, технический титан σв= 600 МПа разрушается через 10 ч при напряжении 225 МПа. При снижении напряжения до 210 МПа образцы после начальной вытяжки 10% не изменяют длины в течение 500 часов.
Сопротивление усталости может колебаться в довольно широких пределах (0,45-0,85 σв) в зависимости от содержания примесей элементов внедрения, состояния поверхности образцов, режима термической обработки и др. Технический титан имеет более высокое сопротивление усталости, чем титан высокой степени чистоты. Оказывает влияние и метод испытания, например, при испытании методом растяжения-сжатия долговечность меньше, чем при методе изгиба-вращения. При высоких частотах может влиять нагрев образца, обусловленный низкой теплопроводностью титана.
