Механические и технологические свойства титана и его сплавов
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.
|