Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)
| Плотность r , кг/м3 | 4,5 × 10–3 |
| Температура плавления Тпл, ° С | 1668± 4 |
| Коэффициент линейного расширения a × 10–6, град–1 | 8,9 |
| Теплопроводность l , Вт/(м × град) | 16,76 |
| Предел прочности при растяжении s в, МПа | 300–450 |
| Условный предел текучести s 0,2, МПа | 250–380 |
| Удельная прочность (s в/r × g)× 10–3, км | 7–10 |
| Относительное удлинение d , % | 25–30 |
| Относительное сужение Y , % | 50–60 |
| Модуль нормальной упругости Е´ 10–3, МПа | 110,25 |
| Модуль сдвига G´ 10–3, МПа | 41 |
| Коэффициент Пуассона m , | 0,32 |
| Твердость НВ | 103 |
| Ударная вязкость KCU, Дж/см2 | 120 |
Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.
Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.
Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.
Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах (табл. 17.1, 17.2) строго ограничено.
Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок:
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, ТВ — твердый.
Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.
Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375–540 МПа, s 0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.
Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).
При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.
Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.
Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.
Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в 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 плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.
При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).
Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.
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. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.
Таблица 17.1
Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)
| Марка | Ti, не менее | Не более | Твердость НВ, 10/1500/30, не более | ||||||
| Fe | Si | Ni | C | Cl | N | O | |||
| ТГ-90 | 99,74 | 0,05 | 0,01 | 0,04 | 0,02 | 0,08 | 0,02 | 0,04 | 90 |
| ТГ-100 | 99,72 | 0,06 | 0,01 | 0,04 | 0,03 | 0,08 | 0,02 | 0,04 | 100 |
| ТГ-110 | 99,67 | 0,09 | 0,02 | 0,04 | 0,03 | 0,08 | 0,02 | 0,05 | 110 |
| ТГ-120 | 99,64 | 0,11 | 0,02 | 0,04 | 0,03 | 0,08 | 0,02 | 0,06 | 120 |
| ТГ-130 | 99,56 | 0,13 | 0,03 | 0,04 | 0,03 | 0,10 | 0,03 | 0,08 | 130 |
| ТГ-150 | 99,45 | 0,2 | 0,03 | 0,04 | 0,03 | 0,12 | 0,03 | 0,10 | 150 |
| ТГ-Тв | 99,75 | 1,9 | – | – | 0,10 | 0,15 | 0,10 | – | – |
Таблица 17.2
Марки и химический состав (%) деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807–91)
| Обозначения | Ti | Al | V | Mo | Sn | Zr | Mn | Cr | Si | Fe | O | H | N | C |
| ВТ1-00 | Основа | – | – | – | – | – | – | – | 0,08 | 0,15 | 0,10 | 0,008 | 0,04 | 0,05 |
| ВТ1-0 | То же | – | – | – | – | – | – | – | 0,10 | 0,25 | 0,20 | 0,010 | 0,04 | 0,07 |
| ВТ1-2 | То же | – | – | – | – | – | – | – | 0,15 | 1,5 | 0,30 | 0,010 | 0,15 | 0,10 |
| ОТ4-0 | То же | 0,4–1,4 | – | – | – | 0,30 | 0,5–1,3 | – | 0,12 | 0,30 | 0,15 | 0,012 | 0,05 | 0,10 |
| ОТ4-1 | То же | 1,5–2,5 | – | – | – | 0,30 | 0,7–2,0 | – | 0,12 | 0,30 | 0,15 | 0,012 | 0,05 | 0,10 |
| ОТ4 | То же | 3,5–5,0 | – | – | – | 0,30 | 0,8–2,0 | – | 0,12 | 0,30 | 0,15 | 0,012 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ5 | То же | 4,5–6,2 | 1,2 | 0,8 | – | 0,30 | – | – | 0,12 | 0,30 | 0,20 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ5-1 | То же | 4,3–6,0 | 1,0 | – | 2,0 –3,0 | 0,30 | – | – | 0,12 | 0,30 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ6 | То же | 5,3–6,8 | 3,5–5,3 | – | – | 0,30 | – | – | 0,10 | 0,60 | 0,20 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ6с | То же | 5,3–6,5 | 3,5–4,5 | – | – | 0,30 | – | – | 0,15 | 0,25 | 0,15 | 0,015 | 0,04 | 0,10 |
| ВТ3-1 | То же | 5,5–7,0 | – | 2,0–3,0 | – | 0,50 | – | 0,8–2,0 | 0,15–0,40 | 0,2–0,7 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ8 | То же | 5,8–7,0 | – | 2,8–3,8 | – | 0,50 | – | – | 0,20–0,40 | 0,30 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ9 | То же | 5,8–7,0 | – | 2,8–3,8 | – | 1,0–2,0 | – | – | 0,20–0,35 | 0,25 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ14 | То же | 3,5–6,3 | 0,9–1,9 | 2,5–3,8 | – | 0,30 | – | – | 0,15 | 0,25 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ20 | То же | 5,5–7,0 | 0,8–2,5 | 0,5–2,0 | – | 1,5–2,5 | – | – | 0,15 | 0,25 | 0,15 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ВТ22 | То же | 4,4–5,7 | 4,0–5,5 | 4,0–5,5 | – | 0,30 | – | 0,5–1,5 | 0,15 | 0,5–1,5 | 0,18 | 0,015 | 0,05 | 0,10 |
| ПТ-7М | То же | 1,8–2,5 | – | – | – | 2,0–3,0 | – | – | 0,12 | 0,25 | 0,15 | 0,006 | 0,04 | 0,10 |
| ПТ-3В | То же | 3,5–5,0 | 1,2–2,5 | – | – | 0,30 | – | – | 0,12 | 0,25 | 0,15 | 0,006 | 0,04 | 0,10 |
| АТ3 | То же | 2,0–3,5 | – | – | – | – | – | 0,2–0,5 | 0,20–0,40 | 0,2–0,5 | 0,15 | 0,008 | 0,05 | 0,10 |
Примечание. Сумма прочих примесей во всех сплавах составляет 0,30 %, в сплаве ВТ1-00 — 0,10 %.
ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ
На формирование структуры и, следовательно, свойств титановых сплавов решающее влияние оказывают фазовые превращения, связанные с полиморфизмом титана. На рис. 17.1 представлены схемы диаграмм состояния «титан-легирующий элемент», отражающие подразделение легирующих элементов по характеру влияния на полиморфные превращения титана на четыре группы.
a -Стабилизаторы (Al, O, N), которые повышают температуру полиморфного превращения a « b и расширяют область твердых растворов на основе a -титана (рис. 17.1, а). Учитывая охрупчивающее действия азота и кислорода, практическое значение для легирования титана имеет только алюминий. Он является основным легирующим элементом во всех промышленных титановых сплавах, уменьшает их плотность и склонность к водородной хрупкости, а также повышает прочность и модуль упругости. Сплавы с устойчивой a -структурой термической обработкой не упрочняются.
Изоморфные b -стабилизаторы (Mo, V, Ni, Ta и др.), которые понижают температуру a « b -пре-вращения и расширяют область твердых растворов на основе b -титана (рис. 17.1, б).
Эвтектоидообразующие b -стабилизаторы (Cr, Mn, Cu и др.) могут образовывать с титаном интерметаллиды типа TiХ. В этом случае при охлаждении b -фаза претерпевает эвтектоидное превращение b ® a + TiХ (рис. 17.1, в). Большинство
b -стабилизаторов повышает прочность, жаропрочность и термическую стабильность титановых сплавов, несколько снижая их пластичность (рис. 17.2.). Кроме того, сплавы с (a + b ) и псевдо-b -структурой могут упрочняться термообработкой (закалка + старение).
Нейтральные элементы (Zr, Sn) не оказывают существенного влияния на температуру полиморфного превращения и не меняют фазового состава титановых сплавов (рис. 17.1, г).
Полиморфное b ® a -превращение может происходить двумя путями. При медленном охлаждении и высокой подвижности атомов оно происходит по обычному диффузионному механизму с образованием полиэдрической структуры твердого a -раствора. При быстром охлаждении — по бездиффузионному мартенситному механизму с образованием игольчатой мартенситной структуры, обозначаемой a ¢ или при большей степени легированности — a ¢ ¢ . Кристаллическая структура a , a ¢ , a ¢ ¢ практически однотипная (ГПУ), однако решетка a ¢ и a ¢ ¢ более искажена, причем степень искаженности возрастает с увеличением концентрации легирующих элементов. Есть сведения [ 1] , что решетка a ¢ ¢ -фазы скорее ромбическая, чем гексагональная. При старении из фаз a ¢ и a ¢ ¢ выделяется b -фаза или интерметаллидная фаза.
Рис. 17.1. Диаграммы состояний систем «Тi-легирующий элемент» (схемы):
а) «Тi-a -стабилизаторы»;
б) «Тi-изоморфные b -стабилизаторы»;
в) «Тi-эвтектоидообразующие b -стабилизаторы»;
г) «Тi-нейтральные элементы»
Рис. 17.2. Влияние легирующих элементов на механические свойства титана
В отличие от мартенсита углеродистых сталей, являющегося раствором внедрения и характеризующегося высокой прочностью и хрупкостью, титановый мартенсит является раствором замещения, и закалка титановых сплавов на мартенсит a ¢ приводит к небольшому упрочнению и не сопровождается резким снижением пластичности.
Фазовые превращения, происходящие при медленном и быстром охлаждении титановых сплавов с различным содержанием b -стабилизаторов, а также получаемые структуры отражены на обобщенной диаграмме (рис. 17.3). Она справедлива для изоморфных b -стабилизаторов (рис. 17.1, б) и, с некоторым приближением, для эвтектоидообразующих b -стабилизаторов (рис. 17.1, в), так как эвтектоидный распад в этих сплавах происходит очень медленно, и им можно пренебречь.
Рис. 17.3. Схема изменения фазового состава сплавов «Ti-b -стабилизатор» в зависимости от скорости
охлаждения и закалки из b -области
При медленном охлаждении в титановых сплавах, в зависимости от концентрации b -стабилизаторов, могут быть получены структуры: a , a + b или b соответственно.
При закалке в результате мартенситного превращения в интервале температур Мн–Мк (на рис. 17.3 показаны пунктиром) следует различать четыре группы сплавов.
В первую группу входят сплавы с концентрацией b -стабилизирующих элементов до С1, т. е. сплавы, которые при закалке из b -области имеют исключительно a ¢ (a ¢ ¢ )-структуру. После закалки этих сплавов с температур (a + b )-области в интервале от полиморфного превращения до Т1, их структура представляет собой смесь фаз a ¢ (a ¢ ¢ ), a и b , а после закалки с температур ниже Ткр они имеют (a + b )-структуру.
Вторую группу составляют сплавы с концентрацией легирующих элементов от С1 до Скр, у которых при закалке из b -области мартенситное превращение не происходит до конца и они имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢ ) и b . Сплавы этой группы после закалки с температур от полиморфного превращения до Ткр имеют структуру a ¢ (a ¢ ¢ ), a и b , а с температур ниже Ткр — структуру (a + b ).
Закалка сплавов третьей группы с концентрацией b -стабилизирующих элементов от Скр до С2 с температур b -области или с температур от полиморфного превращения до Т2 сопровождается превращением части b -фазы в w -фазу, и сплавы этого типа после закалки имеют структуру (b + w ). Сплавы третьей группы после закалки с температур ниже Т2 имеют структуру (b + a ).
Сплавы четвертой группы после закалки с температур выше полиморфного превращения имеют исключительно b -структуру, а с температур ниже полиморфного превращения — (b + a ).
Необходимо отметить, что превращения b ® b + w может происходить как при закалке сплавов с концентрацией (Скр–С2), так и при старении сплавов с концентрацией более С2, имеющих метастабильную b -фазу. В любом случае, присутствие w -фазы нежелательно, так как она сильно охрупчивает титановые сплавы. Рекомендуемые режимы термообработки исключают ее присутствие в промышленных сплавах или появление в условиях эксплуатации.
Для титановых сплавов применяют следующие виды термообработки: отжиг, закалка и старение, а также химико-термическая обработка (азотирование, силицирование, оксидирование и др.).
Отжиг проводится для всех титановых сплавов с целью завершения формирования структуры, выравнивания структурной и концентрационной неоднородности, а также механических свойств. Температура отжига должна быть выше температуры рекрисаллизации, но ниже температуры перехода в b -состояние (Тпп) во избежание роста зерна. Применяют обычный отжиг, двойной или изотермический (для стабилизации структуры и свойств), неполный (для снятия внутренних напряжений).
Закалка и старение (упрочняющая термообработка) применима к титановым сплавам с (a + b )-структурой. Принцип упрочняющей термообработки заключается в получении при закалке метастабильных фаз b , a ¢ , a ¢ ¢ и последующем их распаде с выделением дисперсных частиц a - и b -фаз при искусственном старении. При этом эффект упрочнения зависит от типа, количества и состава метастабильных фаз, а также дисперсности образовавшихся после старения частиц a - и b -фаз.
Химико-термическая обработка проводится для повышения твердости и износостойкости, стойкости к «схватыванию» при работе в условиях трения, усталостной прочности, а также улучшения коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности. Практическое применение имеют азотирование, силицирование и некоторые виды диффузионной металлизации.
Титановые сплавы по сравнению с техническим титаном имеют более высокую прочность, в том числе и при высоких температурах, сохраняя при этом достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость.
Марки и химический состав отечественных
сплавов (ГОСТ 19807–91) представлены в табл. 17.2.
По технологии изготовления титановые сплавы подразделяются на деформируемые и литейные; по уровню механических свойств — на сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности, средней прочности, высокопрочные; по условиям применения — на хладостойкие, жаропрочные, коррозионностойкие. По способности упрочняться термообработкой они делятся на упрочняемые и неупрочняемые, по структуре в отожженном состоянии — на a -, псевдо-a -, (a + b )-, псевдо-b - и b -сплавы (табл. 17.3).
Отдельные группы титановых сплавов различаются по величине условного коэффициента стабилизации Кb , который показывает отношение содержания b -стабилизирующего легирующего элемента к его содержанию в сплаве критического состава скр. При содержании в сплаве нескольких b -стабилизирующих элементов их Кb суммируется.
Деформируемые титановые сплавы
Титановые сплавы невысокой прочности и повышенной пластичности
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в < 700 МПа, а именно: a -сплавы марок ВТ1-00, ВТ1-0 (технический титан) и сплавы ОТ4-0, ОТ4-1 (система Ti—Al—Mn), АТ3 (система Ti—Al c небольшими добавками Cr, Fe, Si, B), относящиеся к псевдо-a -сплавам с небольшим количеством b -фазы. Характеристики прочности этих сплавов выше, чем чистого титана благодаря примесям в сплавах ВТ1-00 и ВТ1-0 и незначительному легированию a - и b -стабилизаторами в сплавах ОТ4-0, ОТ4-1, АТ3.
Эти сплавы отличаются высокой пластичностью как в горячем, так и в холодном состоянии, что позволяет получать все виды полуфабрикатов: фольгу, ленту, листы, плиты, поковки, штамповки, профили, трубы и т. п. Механические свойства полуфабрикатов из этих сплавов приведены в табл. 17.4–17.6.
Таблица 17.3
Классификация титановых сплавов по структуре
| Группа сплавов | Марка сплава |
| a -Сплавы | ВТ1-00, ВТ1-0, ВТ5, ВТ5-1, ПТ-7М |
| Псевдо-a -сплавы | ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4, ВТ20, АТ3 |
| (a + b )-Мартенситного класса (Кb = 0,3–0,9) | ВТ6С, ВТ6, ВТ14, ВТ8, ВТ9, ПТ-3В, ВТ3-1, АТ3 |
| (a + b )-Сплавы переходного класса (Кb = 1,0–1,4) | ВТ22, ВТ30* |
| Псевдо-b -сплавы (Кb = 1,5–2,4) | ВТ35*, ВТ32*, ВТ15 |
| b -Сплавы (Кb = 2,5–3,0) | 4201* |
* Опытные сплавы.
Таблица 17.4
Механические свойства листов из титановых сплавов (ГОСТ 22178–76)
| Марки титановых | Состояние образцов | Толщина листов, | Предел прочности, s в, МПа | Относительное удлинение, d , % |
| не менее | ||||
| ВТ1-00 | Отожженное | 0,3–1,8 | 295 (295–440) | 30 (30) |
| Св. 1,8–6,0 | 25 (30) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 20 (20) | |||
| ВТ1-0 | То же | 0,3–0,4 | 375 (375–540) | 25 (25) |
| Св. 0,4–1,8 | 30 (30) | |||
| Св. 1,8–6,0 | 25 (25) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 20 (20) | |||
| ОТ4-0 | Отожженное | 0,3–0,4 | 470 (490–635) | 25 (25) |
| 0,4–1,8 | 30 (30) | |||
| 1,8–6,0 | 25 (25) | |||
| 6,0–10,5 | 20 (20) | |||
| ОТ4-1 | То же | 0,3–0,7 | 590 (590–785) | 25 (25) |
| Св. 0,7–1,8 | 20 (20) | |||
| Св. 1,8–6,0 | 15 (15) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 13 (13) | |||
| ОТ4 | То же | 0,5–1,0 | 685 (685–885) | 20 (20) |
| Св.1,0–1,8 | 15 (15) | |||
| Св. 1,8–6,0 | 12 (12) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 10 (12) | |||
| ВТ5-1 | То же | 0,8–1,2 | 735 (735–930) | 15 (15) |
| Св. 1,2–1,8 | 12 (12) | |||
| Св. 1,8–6,0 | 10 (10) | |||
| Св. 6,0–10,5 | 8 (8) | |||
| ВТ6 | То же | 1,0–10,5 | 885 (885–1080) | 8 (8) |
| ВТ14 | Отожженное | 0,8–5,0 | 885 (885–1050) | 8 (8) |
| Св. 5,0–10,5 | 835 (835–1050) | 8 (8) | ||
| Закаленное и | 0,8–1,5 | 1080 (1080) | 5 (5) | |
| Св. 1,5–5,0 | 1180 (1180) | 6 (6) | ||
| Св. 5,0–7,0 | 1080 (1080) | 4 (4) | ||
| Св. 7,0–10,5 | 1100 (1100) | 4 (4) | ||
| ВТ20 | Отожженное | 0,8–1,8 | 930 (930–1180) | 12 (12) |
| Св. 1,8–4,0 | 10 (10) | |||
| Св. 4,0–10,5 | 8 (8) | |||
| Отожженное | 0,8–4,0 | 980 (980–1180) | 9 (9) | |
| Св. 4,0–10,5 | 6 (6) | |||
Примечание. В скобках приведены данные для листов с высокой отделкой поверхности.
Таблица 17.5
Механические свойства прутков из титановых сплавов (ГОСТ 26492–85)
| Марка сплава | Состояние | Диаметр прутка, мм | Предел | Относительное | Относительное % | Ударная |
| не менее | ||||||
| ВТ1-00 | Отожженные | 10–100 | 295 (295–440) | 20 (20) | 50 (55) | 100 (120) |
| 100–150 | 265 (265–440) | 40 (42) | 60 (60) | |||
| ВТ1-0 | То же | 10–100 | 345 (345–540) | 15 (20) | 40 (50) | 70 (100) |
| 100–150 | 36 (38) | 50 (60) | ||||
| ВТ1-2 | То же | 65–150 | 590–930 | 8 | 17 | 25 |
| ОТ4-0 | То же | 10–100 | 440 (490–635) | 15 (20) | 35 (40) | 50 (70) |
| 100–150 | 13 (20) | 30 (32) | 40 (50) | |||
| ОТ4-1 | То же | 10–100 | 540 (590–735) | 12 (15) | 30 (35) | 45 (45) |
| 100–150 | 10 (13) | 21 (24) | 40 (40) | |||
| ОТ4 | То же | 10–100 | 685 (685–885) | 8 (10) | 25 (30) | 40 (40) |
| 100–150 | 635 (635–885) | 20 (21) | 35 (35) | |||
| ВТ5 | Отожженные | 10–100 | 735 (735–930) | 8 (10) | 20 (25) | 30 (50) |
| 100–150 | 685 (715–930) | 6 (6) | 15 (18) | 30 (50) | ||
| ВТ5-1 | То же | 10–100 | 785 (785–980) | 8 (10) | 20 (25) | 40 (40) |
| 100–150 | 745 (745–980) | 6 (6) | 15 (18) | 40 (45) | ||
| ВТ6 | Отожженные | 10–100 | 885 (905–1050) | 8 (10) | 20 (30) | 25 (35) |
| 100–150 | 835 (835–1050) | 6 (6) | 15 (20) | 20 (30) | ||
| Закаленные и состаренные | 10–100 | 1080 (1080) | 4 (6) | 12 (20) | 20 (25) | |
| ВТ6С | Отожженные | 10–100 | 835 (835–980) | 9 (10) | 22 (28) | 30 (40) |
| 100–150 | 755 (755–980) | 6 (7) | 15 (22) | 25 (40) | ||
| Закаленные и состаренные | 10–100 | 1030 (1030) | 4 (6) | 14 (20) | 25 (30) | |
| ВТ3-1 | Отожженные | 10–100 | 930 (980–1230) | 8 (10) | 20 (28) | 30 (30) |
| 100–150 | 930 (930–1180) | 6 (8) | 15 (20) | 25 (30) | ||
| ВТ8 | То же | 10–100 | 980 (980–1230) | 8 (9) | 20 (28) | 30 (30) |
| 100–150 | 930 (930–1180) | 6 (7) | 15 (19) | 20 (30) | ||
| ВТ9 | То же | 10–100 | 980 (1030–1230) | 7 (9) | 16 (28) | 25 (30) |
| 100–150 | 930 (980–1230) | 6 (7) | 15 (16) | 20 (30) | ||
| ВТ14 | Отожженные | 10–100 | 885 (885–1080) | 8 (10) | 22 (32) | 30 (50) |
| 100–150 | 865 (865–1080) | 6 (8) | 15 (25) | 30 (45) | ||
| Закаленные и состаренные | 10–60 | 1080 (1100) | 4 (6) | 8 (12) | 20 (25) | |
| 60–100 | 1080 (1080) | 4 (4) | 8 (8) | 20 (20) | ||
| ВТ20 | Отожженные | 10–100 | 885 (930–1130) | 7 (10) | 20 (25) | 30 (35) |
| 100–150 | 885 (885–1130) | 8 (8) | 20 (20) | 25 (30) | ||
| ВТ22 | То же | 10–100 | 1030 (1080–1230) | 8 (9) | 16 (25) | 25 (30) |
| 100–150 | 1030 (1080–1280) | 6 (7) | 14 (17) | 20 (25) | ||
| АТ3 | То же | 25–60 | 590 | 15 | 35 | 40 |
Примечание. В скобках приведены данные для прутков повышенного качества.
Таблица 17.6
Механические свойства плит из титановых сплавов (ГОСТ 23755–79)
| Марка сплава | Состояние | Толщина плит, мм | Предел прочности s в, МПа | Относительное удлинение d , % | Относительное сужение y , % | Ударная вязкость KCU, Дж/см2 |
| не менее | ||||||
| ВТ1-00 | Без | 11–60 | 295–490 | 14 | 28 | – |
| 60–150 | 11 | 25 | ||||
| ВТ1-0 | 11–60 | 370–570 | 13 | 27 | – | |
| 60–150 | 295–540 | 10 | 24 | |||
| ОТ4-0 | 11–20 | 490–635 | 12 | 18 | – | |
| 20–60 | 11 | |||||
| 60–150 | 10 | |||||
| ОТ4-1 | 11–20 | 590–735 | 10 | 18 | – | |
| 20–60 | 9,0 | 18 | ||||
| 60–150 | 8,0 | 14 | ||||
| ОТ4 | 11–20 | 685–885 | 8,0 | 15 | – | |
| 20–60 | 7,0 | 13 | ||||
| 60–150 | 6,0 | 10 | ||||
| ВТ5-1 | Отожженное | 11–35 | 735–930 | 6,0 | 12 | – |
| ВТ6 | 11–60 | 888–1080 | 6,0 | 16 | 30 | |
| 60–100 | 835–1030 | 6,0 | 12 | |||
| ВТ14 | Отожженное | 11–60 | 835–1030 | 7,0 | 20 | – |
| 60–100 | 6,0 | 14 | ||||
| Закаленное и состаренное | 11–60 | 1080 | 4,0 | 8,0 | – | |
| ВТ20 | Отожженное | 11–60 | 900–1130 | 6,0 | 12 | 30 |
| 60–100 | 880–1130 | 5,0 | 10 | 30 | ||
| ПТ-3В | 11–14 | £ 880 | 10 | 25 | 60 | |
| 14–26 | £ 835 | 10 | 22 | 60 | ||
| АТ3 | Без термической обработки | 11–60 | ³ 590 | 8,0 | 12 | 45 |
Ковка, объемная и листовая штамповка, прокатка, прессование производятся в горячем состоянии по режимам, указанным в табл. 17.7. Окончательная прокатка, листовая штамповка, волочение и другие операции производятся в холодном состоянии.
Эти сплавы и изделия из них подвергаются только отжигу по режимам, указанным в табл. 17.8. Для снятия внутренних напряжений, образовавшихся в результате механической обработки, листовой штамповки, сварки и др., применяется неполный отжиг.
Указанные сплавы хорошо свариваются сваркой плавлением (аргонодуговая, под флюсом, электрошлаковая) и контактной (точечная, роликовая). При сварке плавлением прочность и пластичность сварного соединения практически аналогичные основному металлу.
Коррозионная стойкость данных сплавов высокая во многих средах (морская вода, хлориды, щелочи, органические кислоты и т. п.), кроме растворов HF, H2SO4, HCl и некоторых других.
Применение. Эти сплавы широко применяются как конструкционные материалы для изготовления практически всех видов полуфабрикатов, деталей и конструкций, включая сварные. Наиболее эффективно их применение в авиационно-космической технике, в химическом машиностроении, в криогенной технике (табл. 17.9.), а также в узлах и конструкциях, работающих при температурах до 300–350 ° С.
Титановые сплавы средней прочности
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в = 750–1000 МПа, а именно: a -спла-вы марок ВТ5 и ВТ5-1; псевдо-a -сплавы марок ОТ4, ВТ20; (a + b )-сплавы марок ПТ3В, а также ВТ6, ВТ6С, ВТ14 в отожженном состоянии.
Сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ20, ПТ3В, ВТ6С, содержащие небольшое количество b -фазы (2–7 % b -фазы в равновесном состоянии), упрочняющей термообработке не подвергаются и используются в отожженном состоянии. Сплав ВТ6С иногда применяют в термически упрочненном состоянии. Сплавы ВТ6 и ВТ14 используют как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии. В последнем случае их прочность становится выше 1000 МПа, и они будут рассмотрены в разделе, посвященном высокопрочным сплавам.
Рассматриваемые сплавы, наряду с повышенной прочностью, сохраняют удовлетворительную пластичность в холодном состоянии и хорошую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них все виды полуфабрикатов: листы, ленту, профили, поковки, штамповки, трубы и др. Исключение составляет сплав ВТ5, из которого листы и плиты не изготавливают из-за невысокой технологической пластичности. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7.
На эту категорию сплавов приходится основной объем производства полуфабрикатов, применяемых в машиностроении. Механические характеристики основных полуфабрикатов приведены в табл. 17.4–17.6.
Все среднепрочные сплавы хорошо свариваются всеми видами сварки, применяемыми для титана. Прочность и пластичность сварного соединения, выполненного сваркой плавлением, близка к прочности и пластичности основного металла (для сплавов ВТ20 и ВТ6С это соотношение составляет 0,9–0,95). После сварки рекомендован неполный отжиг для снятия внутренних сварочных напряжений (табл. 17.8).
Обрабатываемость резанием этих сплавов хорошая. Коррозионная стойкость в большинстве агрессивных сред аналогична техническому титану ВТ1-0.
Таблица 17.7
Режимы горячей обработки давлением титановых сплавов
| Марка сплава | Режим ковки слитков | Режим ковки предварительно | Режим штамповки на прессе | Режим штамповки на молоте | Режим | |||||||||
| температура | D *, | толщина, | температура | D , | температура | D , | температура | D , | температура | |||||
| начало | окончание | начало | окончание | начало | окончание | начало | окончание | |||||||
| ВТ1-00 | 1050 | 750 | 20–30 | Все | 950 | 700 | ³ 40 | 890 | 650 | 40–50 | 920 | 700 | 40–50 | 550–600 |
| ВТ1-0 | 1050 | 750 | 20–30 | То же | 950 | 700 | ³ 40 | 890 | 650 | 40–50 | 920 | 700 | 40–50 | 550–600 |
| ОТ4-0 | 950–1050 | 750 | 30–50 | То же | 950 | 700 | 40–70 | 960–890 | 650 | 40–70 | 870–950 | 700 | 40–70 | 550–700 |
| ОТ4-1 | 950–1050 | 750 | 30–50 | То же | 880–950 | 750 | 40–70 | 880–910 | 700 | 40–70 | 890–950 | 750 | 40–70 | 550–700 |
| ОТ4 | 1080 | 850 | 30–50 | То же | 980 | 800 | 40–70 | 910–950 | 800 | 40–70 | 900–930 | 750 | 40–70 | 550–700 |
| ВТ5-1 | 1080 | 900 | 30–50 | То же | 1100 | 850 | 40–70 | 1050 | 850 | 40–70 | 1100 | 900 | 40–70 | 600–750 |
| ВТ5 | 1080 | 900 | 30–50 | То же | 1100 | 850 | 40–70 | 1020 | 850 | 40–70 | 1100 | 900 | 40–70 | – |
| ВТ6С | 1100 | 850 | 30–70 | До 100 свыше 100 | 1000 1020 | 800 | 40–70 | 940 | 750 | 40–70 | 960 | 800 | 40–70 | 650–800 |
| ВТ6 | 1100 | 850 | 30–70 | до 100 свыше 100 | 1000 1080 | 800 | 40–70 | 950 | 750 | 40–70 | 970 | 800 | 40–70 | – |
| ВТ3-1 | 1180 | 850 | ³ 40 | До 100 свыше 100 | 1000–980 1100–1020 | 820 | 40–50** | 930–950 | 800 | 40–60 | 940–980 | 850 | 40–60 | – |
| ВТ8 | 1180 | 900 | ³ 40 | До 100 свыше 100 | 1020–1000 1100–1020 | 850 | 40–50** | 1000–960 | 800 | 40–60 | 980–950 | 850 | 40–60 | – |
| ВТ9 | 1180 | 900 | ³ 40 | До 100 свыше 100 | 1020–1000 1100–1020 | 850 | 40–50** | 980–950 | 800 | 40–60 | 1000–960 | 850 | 40–60 | – |
| ВТ14 | 1100 | 850 | 30–50 | Все | 980–1070 | 800 | 40–70 | 930–960 | 800 | 40–70 | 920–940 | 750 | 40–70 | 600–750 |
| ВТ20 | 1180 | 900 | 20–30 | То же | 1080 | 900 | ³ 40 | 970–1000 | 900 | 40–50 | 990–1020 | 850–900 | 40–50 | 700–900 |
| ВТ22 | 1180 | 850 | 30–50 | То же | 1020 | 800 | 40–70 | 840 | 750 | 20–50 | 950 | 800 | 40–70 | 700–900 |
* Степень деформации за один нагрев, %.
** Деформация в (a + b )-области.
*** Деформация в b -области.
Таблица 17.8
Режимы отжига титановых сплавов
| Марка сплава | Температура отжига, ° С | Примечание | |
| Листы | Прутки, поковки, штамповки, | ||
| ВТ1-00 | 520–540 | 670–690 | 445–585 ° С* |
| ВТ1-0 | 520–540 | 670–690 | 445–585 ° С* |
| ОТ4-0 | 590–610 | 690–710 | 480–520 ° С* |
| ОТ4-1 | 640–660 | 740–760 | 520–560 ° С* |
| ОТ4 | 660–680 | 740–760 | 545–585 ° С* |
| ВТ3-1 | – | 870–920 600–650 (530–620)* | Изотермический отжиг: нагрев до 870–920 ° С, выдержка, охлаждение до 600–650 ° С, охлаждение с печью или перенос в другую печь, выдержка 2 ч, охлаждение на воздухе |
| ВТ3-1 | – | 870–920 550–600 | Двойной отжиг, выдержка при 550–600 ° С 2–5 ч. Для силовых деталей допускается отжиг при 850 ° С, охлаждение на воздухе |
| ВТ5 | – | 800–850 | 550–650 ° С* |
| ВТ5-1 | 700–750 | 800–850 | |
| ВТ6 ВТ6С | 750–800 (600–650)* | 750–800 (600–650)* | Допускается отжиг по режимам: 1) нагрев до 850 ° С, выдержка, охлаждение с печью до 750 ° С, выдержка 3,5 ч, охлаждение на воздухе; 2) нагрев до 800 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение с печью до 500 ° С, далее на воздухе |
| ВТ8 | – | 920–950 570–600 (530–620)* | Двойной отжиг, выдержка при 570–600 ° С — 1 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 920–950 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 570–600 ° С, выдержка 1 ч, охлаждение на воздухе |
| ВТ9 | – | 950–980 530–580 (530–620)* | Двойной отжиг, выдержка при 530–580 ° С — 2–12 ч. Допускается изотермический отжиг: нагрев до 950–980 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь с температурой 530–580 ° С, выдержка 2–12 ч, охлаждение на воздухе |
| ВТ14 | 740–760 | 740–760 | 550–650 ° С* |
| ВТ 14 | 790–810 640–660 | 790–810 640–660 | Допускается изотермический отжиг: нагрев до 790–810 ° С, выдержка, охлаждение с печью или перенос в другую печь до 640–660 ° С, выдержка 30 мин, охлаждение на воздухе |
| ВТ20 | 700–800 | 700–850 | Допускается отжиг листовых деталей при 650–750 ° С, (600–650 ° С)* |
| ВТ22 | 740–760 | 670–820 (в зависимости от сечения и вида полуфабриката) | Охлаждение с печью со скоростью 2–4 ° С/мин до 450 ° С, затем на воздухе. Двойной отжиг, выдержка при 500–650 ° С 1–4 ч. Двойной отжиг допускается для деталей, работающих при температурах до 300 ° С и продолжительности до 2000 ч |
| 700–800 | |||
| 500–650 | |||
| АТ3 | 800–850 | 800–850 | (545–585 ° С *) |
* Температуры неполного отжига.
Таблица 17.9
Механические характеристики титановых сплавов при низких температурах
| Сплав | s в (МПа) при температуре, ° С | d (%) при температуре, ° С | КСU, Дж/см2 при температуре, ° С | |||||
| –196 | –253 | –269 | –196 | –253 | –269 | –196 | –253 | |
| ВТ1-0 | 920 | 1310 | – | 48 | 24 | – | 220 | 130 |
| ВТ5-1 | 1200–1350 | 1350–1600 | 1710 | 15 | 8–10 | 9,3 | 40 | 30 |
| ОТ4 | 1430 | 1560 | – | 13 | 16 | – | 50 | 40 |
| ОТ4-1 | 1080 | 1390 | – | 19,4 | 17,5 | – | 23 | 30 |
| ВТ3-1 | 1650 | 2060 | 2020 | 6,5 | 7,5 | 3 | 30 | 60 |
| ВТ6 | 1640 | 1820 | – | 17,8 | 3,5 | – | 39 | 40 |
| ВТ6С | 1310 | 1580 | – | 7–10 | 3–6 | – | 40 | 25 |
| ВТ14 | 1650 | – | – | 10 | – | – | 40 | – |
Применение. Данные сплавы рекомендуется применять для изготовления изделий листовой штамповкой (ОТ4, ВТ20), для сварных деталей и узлов, для штампосварных деталей (ВТ5, ВТ5-1, ВТ6С, ВТ20) и др. Сплав ВТ6С широко применяется для изготовления сосудов и емкостей высокого давления. Детали и узлы из сплавов ОТ4, ВТ5 могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно — до 750 ° С; из сплавов ВТ5-1, ВТ20 — длительно при температурах до 450–500 ° С и кратковременно — до 800–850 ° С. Сплавы ВТ5-1, ОТ4, ВТ6С также рекомендуются для применения в холодильной и криогенной технике (табл. 17.9).
Высокопрочные титановые сплавы
К этой группе относятся сплавы с пределом прочности s в > 1000 МПа, а именно (a + b )-сплавы марок ВТ6, ВТ14, ВТ3-1, ВТ22. Высокая прочность в этих сплавах достигается упрочняющей термообработкой (закалка + старение). Исключение составляет высоколегированный сплав ВТ22, который даже в отожженном состоянии имеет s в > 1000 МПа.
Указанные сплавы наряду с высокой прочностью сохраняют хорошую (ВТ6) и удовлетворительную (ВТ14, ВТ3-1, ВТ22) технологическую пластичность в горячем состоянии, что позволяет получать из них различные полуфабрикаты: листы (кроме ВТ3-1), прутки, плиты, поковки, штамповки, профили и др. Режимы горячей обработки давлением приведены в табл. 17.7. Сплавы ВТ6 и ВТ14 в отожженном состоянии (s в » 850 МПа) могут подвергаться холодной листовой штамповке с малыми деформациями. Механические характеристики основных полуфабрикатов в отожженном и упрочненном состояниях приведены в табл. 17.4–17.6.
Несмотря на гетерофазность структуры, рассматриваемые сплавы обладают удовлетворительной свариваемостью всеми видами сварки, применяемыми для титана. Для обеспечения требуемого уровня прочности и пластичности обязательно проводят полный отжиг, а для сплава ВТ14 (при толщине свариваемых деталей 10–18 мм) рекомендуется проводить закалку с последующим старением. При этом прочность сварного соединения (сварка плавлением) составляет не менее 0,9 от прочности основного металла. Пластичность сварного соединения близка к пластичности основного металла.
Обрабатываемость резанием удовлетворительная. Обработку резанием сплавов можно проводить как в отожженном, так и в термически упрочненном состоянии.
Данные сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью в отожженном и термически упрочненном состояниях во влажной атмосфере, морской воде, во многих других агрессивных средах, как и технический титан.
Термическая обработка. Сплавы ВТ3-1, ВТ6, ВТ6С, ВТ14, ВТ22 подвергаются закалке и старению (см. выше). Рекомендуемые режимы нагрева под закалку и старение для монолитных изделий, полуфабрикатов и сварных деталей приведены в табл. 17.10.
Охлаждение при закалке производится в воде, а после старения — на воздухе. Полная прокаливаемость обеспечивается для деталей из сплавов ВТ6, ВТ6С с максимальным сечением до 40–45 мм, а из сплавов ВТ3-1, ВТ14, ВТ22 — до 60 мм.
Для обеспечения удовлетворительного сочетания прочности и пластичности сплавов с (a + b )-структурой после закалки и старения необходимо, чтобы их структура перед упрочняющей термической обработкой была равноосной или «корзиночного плетения». Примеры исходных микроструктур, обеспечивающие удовлетворительные свойства, приведены на рис. 17.4 (1–7 типы).
Таблица 17.10
Режимы упрочняющей термической обработки титановых сплавов
| Марка сплава | Температура полиморфного превращения Тпп, ° С | Температура | Температура | Продолжительность |
| ВТ3-1 | 960–1000 | 860–900 | 500–620 | 1–6 |
| ВТ6 | 980–1010 | 900–950 | 450–550 | 2–4 |
| ВТ6С | 950–990 | 880–930 | 450–500 | 2–4 |
| ВТ8, ВТ9 | 980–1020 | 920–940 | 500–600 | 1–6 |
| ВТ14 | 920–960 | 870–910 | 480–560 | 8–16 |
| ВТ22 | 840–880 | 690–750 | 480–540 | 8–16 |
Исходная игольчатая структура сплава с наличием границ первичного зерна b -фазы (8–9 типы) при перегреве после закалки и старения или отжига приводит к браку — сниженнию прочности и пластичности. Поэтому необходимо избегать нагрева (a + b )-сплавов до температур выше температуры полиморфного превращения, так как перегретую структуру исправить термической обработкой невозможно.
Нагрев при термической обработке рекомендуется производить в электрических печах с автоматической регулировкой и регистрацией температуры. Для предупреждения образования окалины нагрев готовых деталей и листов необходимо проводить в печах с защитной атмосферой или с применением защитных покрытий.
При нагреве под закалку тонких листовых деталей для выравнивания температуры и уменьшения коробления их на под печи укладывается стальная плита толщиной 30–40 мм. Для закалки деталей сложной конфигурации и тонкостенных деталей применяются фиксирующие приспособления для предупреждения коробления и поводки.
После проведения высокотемпературной обработки (закалки или отжига) в печи без защитной атмосферы полуфабрикаты, не подвергающиеся дальнейшей обработке, должны пройти гидропескоструйную обработку или обработку корундовым песком, а листовые изделия — еще и травление.
Применение. Высокопрочные титановые сплавы применяются для изготовления деталей и узлов ответственного назначения: сварные конструкции (ВТ6, ВТ14), турбины (ВТ3-1), штампосварные уз-лы (ВТ14), высоконагруженные детали и штампованные конструкции (ВТ22). Эти сплавы могут длительно работать при температурах до 400 ° С и кратковременно до 750 ° С.
Особенность высокопрочных титановых сплавов как конструкционного материала — их повышенная чувствительность к концентраторам напряжения. Поэтому при конструировании деталей из этих сплавов необходимо учитывать ряд требований (повышенное качество поверхности, увеличение радиусов перехода от одних сечений к другим и т. п.), аналогичных тем, которые существуют при применении высокопрочных сталей.
