3. Фазовые превращения в титановых сплавах
Наличие у сплавов титана высокотемпературной модификации твердого раствора
способной к значительному переохлаждению, обусловливает получение разнообразных структур в зависимости от режимов термической обработки (рис. 361).
Полиморфное
-превращение может иметь два различных механизма.
При высоких температурах, т. е. при небольшом переохлаждении относительно равновесной температуры
-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
-твердого раствора (рис. 361, а), во втором — игольчатая (пластинчатая) мартенситная структура, обозначаемая обычно как а (рис. 361, б).
![](/php/imageBook.php?path=/home/admin/sites/scask.ru/wp-content/uploads/2023/01/files-563.book&file=met1_136.files/page1.gif)
(кликните для просмотра скана)
Легирующие элементы, снижающие температуру Р а-превращения, естественно, способствуют получению мартенсита, тогда как при малом легировании для этого требуется интенсивное охлаждение, При очень высоком содержании
-стабилизаторов температура а
-превращения снижается до нуля и
-твердый раствор охлаждается до комнатной температуры без превращения.
Рис. 361. (см. скан) Структуры титановых сплавов.
а — твердый раствор а (сплав BT): б — фаза а (мартенсит, полученный после закалки сплавов
с 1075 °С); в — твердые растворы
(сплав
)
Как и во всех других случаях, существует температура, при которой начинается образование мартенсита при охлаждении (точка Мн). Все стабилизаторы понижают точку Мн, как показано на рис. 362.
Диаграмма равновесия (рис. 363) с наложенной на ней линией начала мартенситного превращения показывает образование структур при быстром и медленном охлаждении из
-области.
Для сплавов, образующих непрерывные с титаном твердые растворы и снижающих температуру а-превращения (тип
по рис. 360, а, рис. 363, а), превращения
при медленном охлаждении реализуются по диффузионному механизму, а при
быстром по маргенст кому, причем мартенсит образуется лишь в сплавах с концентрацией меньше точки а, рис. 363, а, а при большей фиксируется
-фаза без превращения. В системах, в которых образуются титаниды (соединение титана с другими элементами) распад
-твердого раствора идет с образованием эвтектоида
что имеет место лишь при медленном охлаждении. При быстром охлаждении
-фаза превращается в (мартенсит), при концентрации легирующего элемента менее той, которая на диаграмме обозначается точкой а, при большей фиксируется переохлажденная
-фаза. Нетрудно видеть, что в принципе превращения в титановых сплавах похожи на превращения в стали.
Однако, в отличие от сплавов системы
эвтектоидная смесь в титановых сплавах обладает повышенной хрупкостью, тогда как титановый мартенсит (а) с невысокой твердостью и пластичностью, мало отличается по свойствам от исходной р-фазы.
Рис. 362. Влияние легирующих элементов на температуру начала мартенситного превращения в титане
Рис. 363. Образование структур в титановых сплавах в зависимости от скорости охлаждения и содержания легирующего элемента
Кристаллическая структура
практически одинакова (гексагональная плотноупакованная решетка), однако превращение при низкой температуре приводит к искажениям в а-решетке и уменьшению ее пластичности.
Поскольку превращение
-фазы определяется степенью переохлаждения, то характер превращения можно описать диаграммами изотермического распада
-фазы (рис. 364).
При высокой температуре (выше 500 °С) идет
а-превращение по диффузионному механизму, пока не установится равновесное двухфазное состояние
при низкой температуре р-фаза превращается в а-фазу—мартенсит. Наконец, в среднем интервале температур
промежуточную
-фазу. Последняя хрупка и механические свойства плохие. При отпуске мартенсита (а) он превращается в пластинчатую смесь
фаз (реакцию можно описать так
; в том же среднем интервале температур (300—500° С) через промежуточную фазу
этом случае реакцию отпуска надо довести до конца, чтобы не осталось
-фазы, ухудшающей механические свойства.
Рис. 364. Диаграмма изотермического превращения
-фаэы в сплавах
4. Промышленные титановые сплавы
Подобно классификации легированных сталей, по Гийэ (см. с. 319), титановые сплавы классифицируют по структуре, которую они получают после охлаждения на воздухе и соответственно с этим сплав разделяют на: а-сплавы; а
-сплавы и
-сплавы.
Современные промышленные а-сплавы сравнительно малопластичны, не охрупчиваются при термической обработке. К сплавам этого класса относится чистый титан и сплавы титана с алюминием;
Р-сплавы наиболее пластичны, но наименее прочны: при нагреве не испытывают фазовых превращений.
Сплавы
более прочны, чем однофазные, хорошо куются и штампуются, поддаются термической обработке, охрупчиваются лишь при некоторых условиях термической обработки (появление
-фазы).
Поскольку титановые сплавы имеют основное назначение как конструкционный материал, в основном применяются сплавы со структурой а
Так как термическая обработка не особенно эффективна для титановых сплавов, то основной способ упрочнения — легирование, но в пределах сохранения структуры
Принципы легирования титановых сплавов таковы:
Для упрочнения желательно ввести максимальное количество элементов, но сохранить
структуру. Поэтому легируют титан большим количеством а-стабилизатора
а это позволяет больше, чем в чистом титане, ввести
-стабилизаторов (
и др.) и сохранить после охлаждения на воздухе структуру а
Составы промышленных сплавов и гарантируемые механические свойства в прутках без специальной термической обработки приведены в табл. 85 и 86.
Таблица 85. (см. скан) Химический состав промышленных титановых сплавов, %
Таблица 86. (см. скан) Механические свойства промышленных титановых сплавов
Модуль нормальной упругости титановых сплавов 1200 МПа, коэффициент Пуассона 0,3; плотность
удельное электросопротивление
коэффициент линейного расширения