|
Легирование титана.
Для получения сплавов титан легируют Al, Mo, V, Mn, Cr, Sn, Fe, Zr, Nb, а также в небольших количествах и Si. Легирование титана производится для улучшения механических свойств, реже для повышения коррозионной стойкости. На рис. 1 показано влияние легирования на предел прочности и относительное удлинение титана. Видно, что упрочнение титана ведет одновременно к снижению его пластичности. Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность (отношение σ /γ), превышающую легированные стали.
Легирующие элементы оказывают большое влияние на температуры полиморфного превращения. Такие элементы, как Al, O, N, повышают температуру полиморфного превращения и расширяют α – область; их называют α – стабилизаторами. Некоторые элементы этой группы образуют с титаном химические соединения. Такие элементы, как Mo, V, Mn, Cr, Fe, понижают температуру полиморфного превращения и расширяют область существования β – фазы; их называют β – стабилизаторами. Олово и цирконий не оказывают влияния на температуру полиморфного превращения титана. При легирование титана Mn, Fe, Cr, Si и некоторыми другими элементами образуются химические соединения и в таких сплавах протекает эвтектоидное превращение β → α + Ti M . Образование эвтектоида охрупчивает сплав. В сплавах титана с переходными элементами (Fe, Mn, Cr и др.) эвтектоидное превращение протекает медленно и после обычных скоростей охлаждения, даже при комнатной температуре сохраняется еще не претерпевшая превращение β – фаза.
Все промышленные сплавы титана, как правило, содержат алюминий. Система Ti – Al для сплавов титана имеет такое же значение, как для сплавов железа система Fe – Fe C. Алюминий повышает предел прочности, но уменьшает пластичность сплавов
В соответствии со структурой различают:
1) α – сплавы, имеющие структуру: твердый раствор легирующих элементов в α – титане. Основной легирующий элемент в этих α – сплавах – алюминий. Кроме того, сплавы могут содержать нейтральные элементы (Sn, Zr) и небольшое количество β – стабилизаторов (Mn, Fe, Cr, Mo);
2) α +β – сплавы состоящие из α и β – твердых растворов. α+β сплавы содержат, кроме алюминия, 2 – 4 % β – стабилизаторов, как Cr, Mo, Fe и др.;
4) β – сплавы, имеющие структуру: твердый раствор легирующих элементов в β – титане. Эти сплавы содержат большое количество β – стабилизаторов.
Наибольшее применение получили α – и α+β – сплавы.
Фазовые превращения в титановых сплавах.
Наличие у сплавов высокотемпературной модификации твердого раствора (β), способной к значительному переохлаждению, обуславливает получение разнообразных структур в зависимости от режимов термической обработки .
Полиморфное β → α – превращение может иметь два различных механизма.
При высоких температурах, т. е. при небольшом переохлаждении относительно равновесной температуры β ↔ α – перехода, превращение происходит обычным диффузионным путем, а при значительном переохлаждении и, следовательно, при низкой температуре, когда подвижность атомов мала – по бездиффузионному мартенситному механизму. В первом случае образуется полиэдрическая структура α – твердого раствора, во втором – игольчатая (пластинчатая) мартенситная структура, обозначаемая обычно как ά.
Легирующие элементы, снижающие температуру β ↔ α – превращения, естественно, способствуют получению мартенсита, тогда как при малом легировании для этого требуется интенсивное охлаждение. При очень высоком содержании β – твердый раствор охлаждается до комнатной температуры без превращения.
Как и во всех и во всех других случаях, существует температура, при которой начинается образование мартенсита при охлаждении (точка Мн). Все β – стабилизаторы понижают точку Мн, как показано на рис. 3.
Диаграмма равновесия с наложенной на ней линией начала мартенситного превращения показывает образование структур при быстром и медленном охлаждении из β – области.
Для сплавов, образующих непрерывные с титаном твердые растворы и снижающих температуру α ↔ β превращения превращения β → α при медленном охлаждении реализуются по диффузионному механизму, а при быстром по мартенситному, причем мартенсит образуется лишь в сплавах с концентрацией меньше точки а, а при большей фиксируется β – фаза без превращения. В системах, в которых образуются титаниды ( соединение титана с другими элементами) распад β -твердого раствора идет с образованием эвтектоида (β → α + TiX), что имеет место лишь при медленном охлаждении. При быстром охлаждении β – фаза превращается в ά (мартенсит), при концентрации легирующего элемента менее, той, которая на диаграмме обозначается точкой а, при большей фиксируется переохлажденная β – фаза. Нетрудно увидеть, что в принципе превращения в титановых сплавах похожи на превращения в стали.
Однако, в отличие от сплавов системы Fe – С эвтектоидная смесь в титановых сплавах обладает повышенной хрупкостью, тогда как титановый мартенсит (ά) с невысокой твердостью и пластичностью, мало отличается по свойствам от исходной β – фазы.
Кристаллическая структура α и ά практически одинакова (гексагональная плотноупакованная решетка), однако превращение при низкой температуре приводит к искажениям в α – решетке и уменьшению ее пластичности.
Поскольку превращение β – фазы определяется степенью переохлаждения, то характер превращения можно описать диаграммами изотермического распада β – фазы/
При высокой температуре (выше 500 ºС) идет β → α – превращения по диффузионному механизму, пока не установится равновесное двухфазное состояние (α + β); при низкой температуре β – фаза превращается в ά – фазу - мартенсит. Наконец, в среднем интервале температур (200 –500 ºС) – через промежуточную ω – фазу . последняя хрупка и механические свойства плохие. При отпуске мартенсита (ά) он превращается в пластинчатую смесь α + β фаз (реакцию можно описать так ά → α + β; в том же среднем интервале температур (300 – 500 ºС) через промежуточную фазу (ά → ω → α + β). И в этом случае реакцию отпуска надо довести до конца, чтобы не осталось ω – фазы, ухудшающей механические свойства.
|
