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).

(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