Глава 13. МАТЕРИАЛЫ С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТЬЮ

Наибольшей удельной прочностью обладают сплавы титана, бериллий (см. табл. 12.1) и композиционные материалы. Достоинства сплавов титана — хорошие технологические свойства и отличная коррозионная стойкость. Бериллий и композиционные материалы выгодно отличает от сплавов титана высокая удельная жесткость.

Удельная жесткость - это важнейшая характеристика современных конструкционных материалов. Высокая удельная жесткость в сочетании с хорошей удельной прочностью позволяет снизить массу конструкции при повышении ее прочности и жесткости. Это особенно важно в самолето- и ракетостроении.

13.1. Титан и сплавы на его основе

Свойства титана.

Титан-металл серого цвета. Он имеет две полиморфные модификации. Низкотемпературная модификация существующая до характеризуется гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами . Высокотемпературная модификация имеет решетку объемно-центрированного куба с периодом нм (при 900°С).

Полиморфное превращение при медленном охлаждении происходит по нормальному механизму с образованием полиэдрической структуры (рис. 13.1, а), а при быстром охлаждении - по мартенситному механизму с образованием игольчатой структуры (рис. 13.16).

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим ее восстановлением из четыреххлористого гитана металлическим магнием. Полученную при этом титановую губку маркируют по твердости специально, выплавленных из нее образцов Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Для уменьшения количества примесей и более равномерного их распределения по сечению слитка рекомендуется его двух-трех-разовая переплавка. Характерную для титановых слитков крупнозернистую структуру измельчают путем модифицирования цирконием или бором. Полученный в результате

Рис. 13.1. Микрострукмуры технического титана, а — после отжига; б — после закалки

ТАБЛИЦА 13.1. Механические свойства и технического титаиа

переплава технический титан (ГОСТ 19807-74) маркируют в зависимости от содержания примесей примесей

( примесей 0,55%).

Чистейший иодидный титан получают методом термической диссоциации из четырехиодидного титана, а также методом зонной плавки.

Отличительными особенностями титана являются хорошие механические свойства, малая плотность, высокая удельная прочность и коррозионная стойкость. Физические свойства чистого титана приведены в табл. 1.5.

Низкий модуль упругости титана, почти в 2 раза меньший, чем у железа и никеля, затрудняет изготовление жестких конструкций.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности (табл. 13.1).

Высокая пластичность иодидного титана по сравнению с другими металлами, имеющими гексагональную кристаллическую решетку объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому соотношению Помимо базисных плоскостей (0001) скольжение в титане происходит по призматическим (1010) и пирамидальным (1011) плоскостям, двойникование - по плоскостям (1012), (1121), (1122) и др.

Механические свойства титана сильно зависят от наличия примесей (см. табл. 13.1), особенно водорода, кислорода, азота и углерода, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды и карбиды. Небольшое количество кислорода, азота и углерода повышает твердость, временное сопротивление и предел текучести, однако при этом значительно уменьшается пластичность (рис. 13.2), снижается коррозионная стойкость, ухудшаются свариваемость, способность к пайке и штампуемость. Поэтому содержание этих примесей в титане ограничено сотыми, а иногда тысячными долями процента. Аналогичным образом, но в меньшей степени, оказывают влияние на свойства титана железо и кремний. Очень вредная примесь в титане - водород. Присутствуя в весьма незначительном количестве, водород выделяется в виде тонких хрупких пластин гидридной фазы на границах зерен, что значительно охрупчивает титан. Водородная хрупкость наиболее опасна в сварных конструкциях из-за наличия в них внутренних напряжений. Допустимое содержание водорода в техническом титане находится в пределах

При повышении температуры до предел прочности снижается почти в 2 раза. Титан обладает склонностью к ползучести даже при температуре 20-25 °С. Предел ползучести титана составляет от предела текучести. Примеси кислорода, азота, а также пластическая деформация повышают сопротивление ползучести.

Титан обладает высокой прочностью и удельной прочностью не только при температуре но и в условиях глубокого холода. При температуре жидкого гелия временное сопротивление титана равно При этом, если содержание водорода мало титан сохраняет

Рис. 13.2. Зависимость механических свойств титана от содержания примесей

Рис. 13.3. Зависимость механических свойств титана от степени пластической деформации

высокую пластичность (относительное удлинение 15-20%).

Пластическая деформация значительно повышает прочность титана (рис. 13.3). При степени деформации 60-70% прочность увеличивается почти в 2 раза. Для снятия наклепа проводят рекристаллизационный отжиг при температуре

При повышении температуры титан активно поглощает газы: начиная с 50-70°С - водород, свыше 400 500 °С - кислород и с 600-700°С - азот, окись углерода и углекислый газ. Высокая химическая активность расплавленного титана требует применения при плавке и дуговой сварке вакуума или атмосферы инертных газов. Вместе с тем благодаря способности к газопоглощению при повышении температуры титан нашел применение в радио- и электронной промышленности в качестве геттерного материала. Геттеры предназначены для повышения вакуума электронных ламп.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением. Из него изготовляют все виды прессованного и катаного полуфабриката: листы, трубы, проволоку, поковки. Титан хорошо сваривается аргонодуговой и точечной сваркой. Сварной шов обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90% прочности основного металла.

Титан плохо обрабатывается резанием, налипает на инструмент, в результате чего тот быстро изнашивается. Для обработки титана требуются инструменты из быстрорежущей стали и твердых сплавов, малые скорости резания при большой подаче и глубине резания, интенсивное охлаждение. К недостатку титана относятся также низкие антифрикционные свойства.