ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Химическая и структурная неоднородность и механические свойства титановых сплавов из "Строение и свойства металлических сплавов " Реальные металлические сплавы, как правило, химически неоднородны (см. далее гл. XI). Неравномерное распределение примесей большей частью связано с дефектами структуры, т. е. со структурной неоднородностью и существенно влияет на механические свойства сплава. Ниже рассмотрены некоторые аспекты этого вопроса, главным образом на примере титановых сплавов. [c.340] Титан и серию титановых сплавов (табл. 32) исследовали с использованием авторадиографии, рентгеноструктурного и электронномикроскопического методов [231]. [c.341] В случае быстрого охлаждения с высоких температур (более быстрого для образцов, насыщенных углеродом) фиксируется довольно равномерное распределение элементов, каким оно было, очевидно, в исходной -фазе до превращения. При более медленном охлаждении в процессе полиморфного превращения 3- а, в результате перераспределения компонентов возникает концентрационная микронеоднородносты р-стабилизатор (никель), растворимость которого в а-фазе ничтожно мала, устремляется из участков, в которых образуются иглы а-фазы, на границы раздела этих фаз. В отличие от него а-стабилизатор (углерод) сосредоточивается преимущественно в центральных зонах а-пластины, т. е. возникает встречный поток атомов никеля и углерода. [c.341] Возникновение в подобных условиях неоднородного распределения различных элементов в разных титановых сплавах было также установлено методом локального рентгеноспектрального анализа. Так, если в сплаве содержится в среднем 3,5% Си, то концентрация меди на границах а-пластин составляет 5,0%, а внутри 2,7%. При среднем содержании железа в сплаве - 0,1% концентрация его на границе 1,3%. Характерно, что олово, которое, по-видимому, является нейтральным в отношении полиморфного превращения элементом, распределяется в структуре сплава более или менее равномерно. [c.342] Обогащение поверхностей раздела фаз водородом (тритием) было установлено методом электронномикроскопической авторадиографии (см. далее гл. XI). Локальная степень обогащения границ пластин оказалась весьма значительна (не меньше чем на два порядка). [c.342] Характер концентрационной микронеоднородности существенно зависит от состава, поскольку он влияет на температуру полиморфного превращения и кинетику процесса перераспределения. С понижением температуры превращения уменьшаются размеры а-игл и соответственно размеры химической неоднородности. Кислород и азот, повышая температуру полиморфного превращения, способствуют образованию более резкой неоднородности. Так, уменьшение степени вакуума (и, следовательно, увеличение концентрации кислорода) при термической обработке титана увеличивает концентрационную неоднородность. Молибден понижает температуру полиморфного превращения и ослабляет степень неоднородности. Следовательно, от состава сплава зависит та критическая скорость охлаждения, которая необходима для того, чтобы подавить процесс сегрегации примесных атомов. [c.342] Термодинамически возникновение химической микронеоднородности при полиморфном превращении объясняется различной растворимостью элементов а- и р-фазах. После перехода титана из р- в а-состояние элементы, стабилизирующие р-фазу и имеющие ничтожную растворимость в а-фазе, вытесняются на поверхность раздела этой фазы. Как только в матричной фазе появляются продукты превращения, на границе фаз возникает градиент химического потенциала, который и является движущей силой процесса перераспределения чужеродных атомов. Однако процесс гетерогенизации идет во времени и, кроме термодинамического фактора, надо учесть кинетические возможности реализации процесса перераспределения примесных атомов, который осуществляется посредством диффузии. В описанных опытах вызывала удивление большая скорость перераспределения атомов, в том числе тех, которые образуют твердые растворы замещения никеля, хрома и др. в процессе охлаждения они перемещались на большие расстояния (десятки микрон). Был сделан ориентировочньга расчет времени диффузии никеля на расстояние, равное ширине иглы а-фазы, в сплаве ВТ-5 и определен коэффициент диффузии никеля в интервале температур перераспределения. Оценка показала, что при перераспределении примесей в процессе охлаждения имеет место ускоренная диффузия (приблизительно на 4 порядка). [c.343] Как указывалось выше, концентрационная неоднородность, возникающая в процессе охлаждения, отличается большой термической стабильностью. Расчет показал, что для диффузии углерода на расстояние 15 мкм (средняя толщина а-фазы в сплаве ВТ-10) требуется 10 ч. Фактически более длительная выдержка при 700—750° С не привела к полному выравниванию неоднородности в распределении углерода. [c.343] Как известно, в стали игольчатая форма а-фазы, возникающая при закалке, в процессе последующего нагрева легко переходит в полиэдрическую. В титановых сплавах этого не наблюдается даже после длительного нагрева в а-области. Так, в работе [59] показано, что после отжига технического титана при 750° С в течение 150 ч сохраняется еще некоторая преимущественная диффузия по поверхности раздела отдельных, не слившихся между собой в полиэдрические зерна пластин а-фазы (рис. 153). [c.343] Эти представления были проверены экспериментально. Тонкую структуру различных титановых сплавов (ВТ-5, ВТ-10, ВТЗ-1), претерпевающих полиморфное превращение с образованием либо а-фазы, либо а-фазы + эвтек-тоид, либо фаз а + 3, исследовали рентгеновским и электронно-микроскопическим методом. [c.344] Анализ дебаеграмм (с крупнозернистых образцов) показал, что быстрое охлаждение фиксирует беспорядочное распределение дислокаций, максимальную концентрацию дефектов и напряженное состояние. Ориентировка, очевидно, меняется непрерывно по всему объему пачки пластин при этом угол разориен-тировки составляет в пределах одной пачки 1—2,5°. [c.344] Микроструктура сплавов после закалки состоит из очень тонких игл а -фазы, различимых только в электронном микроскопе. После охлаждения с печью видны довольно широкие пластины а-фазы, хорошо различимые и на оптических микрофотографиях. [c.344] Анализ рентгенограмм образцов после медленного охлаждения и особенно после дополнительного нагрева свидетельствовал о местном спрямлении непрерывно изогнутой решетки вследствие разрыва когерентности на поверхности раздела а-пластины и образования набора определенного числа дискретных ориентаций. Уменьшение размытости рефлексов указывало на снятие внутренних напряжений, что обычно бывает при полигонизации. Вся рентгеновская картина свидетельствовала о возможном развитии процесса перегруппировки беспорядочно расположенных дислокаций в вертикальные ряды и стенки и образовании границ субзерен. [c.344] При последующем нагреве в а-области продолжаются начавшаяся при медленном охлаждении перегруппировка дислокаций и образование более устойчивых конфигураций. Об этом говорит уменьшение угла разориентировки и увеличение числа фрагментов. В то же время при отжиге уменьшается плотность дислокаций и начинается коагуляция а-пластин. При повышении температуры и увеличении выдержки концентрационная неоднородность начинает ме 1,ленно рассасываться. При этом каждая пачка игл а-фазы стремится превратиться в отдельное а-зерно, но этому мешают поверхности раздела, которые весьма устойчивы вследствие обогаш ения их примесями. [c.345] Полигональная структура представляет собой.одно из наиболее стабильных образований. Такая структура в сочетании с концентрационной неоднородностью является, по-видимому, причиной большой термической устойчивости игольчатой формы а-фазы в титане и его сплавах. Однако, если отжигать титан с малым содержанием примесей, сразу возникают полиэдрические зерна. Этому также способствует пластическая деформация [231]. [c.346] Для понимания особенностей структуры титановых сплавов важно выяснить строение поверхностей раздела пластин а-фазы. Представляют интерес в этой связи неожиданные результаты (табл. 33), которые были получены при локальном изучении диффузии никеля и углерода в сплаве ВТ-5 после полиморфного превращения методом авторадиографии [293]. Измерение плотности почернения авторадиограмм, полученных с косых срезов после медленного охлаждения, показало, что диффузия никеля по поверхности раздела а-пластины идет медленнее, чем по объему кристалла. В случае охлаждения с печью Drp в 3,5 раза меньше, чем Воб, а после дополнительного длительного нагрева в а-области (800° С) Drp/ o6 1/30. [c.346] Следует также учесть, что примеси внедрения являются электронными донорами по отношению к титану (Эванс). Увеличение электронной концентрации может привести к возрастанию сил связи в кристаллической решетке и энергии образования вакансий. Как предполагал Кристиан, параметры диффузии в титане и его сплавах меняются в зависимости от количества эффективно свободных электронов, приходящихся на один атом, Исследования методом авторадиографии (например, (293]) косого среза показали, что увеличение концентрации кислорода в титановых сплавах (технический титан, титан с 5% А1, титан с 12% Мп) приводит к замедлению диффузии никеля на 1—2 порядка. Правда, в данном случае диффузия исследовалась не в а-, а в р-области при 1000—1075° С. [c.347] В связи с изложенным суш.ественный интерес представляет связь между наблюдаемой концентрационной и структурной микронеоднородностью, с одной стороны, и механическими свойствами титановых сплавов, с другой. [c.348] В работе [231] исследовали титановые сплавы различного состава (с однофазной а-структурой, чтобы гетерофазность не затушевывала эффект внутренней неоднородности) ВТ-5 5,4% А1), ОТ-4 (3,0 % А1, 1,5% Мп) и ВТ-20 (5,7% А1. 0,9% Мо, 1,95% V, 2,4% Zr) (в сплаве ВТ-20 после отжига образуется структура а-ьр). Сплавы легированы элементами стабилизирующими а- и р-фазы. Как отмечалось выше, в таких сплавах возникает микронеоднородность разного характера. [c.348] Вернуться к основной статье