Микроструктура и свойства титановых сплавов | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 27 июля, печатный экземпляр отправим 31 июля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №49 (391) декабрь 2021 г.

Дата публикации: 04.12.2021

Статья просмотрена: 2621 раз

Библиографическое описание:

Торянников, А. Ю. Микроструктура и свойства титановых сплавов / А. Ю. Торянников, А. А. Барышников. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 49 (391). — С. 47-51. — URL: https://moluch.ru/archive/391/86400/ (дата обращения: 14.07.2024).



В этой статье представлено описание микроструктуры и свойства титановых сплавов.

Ключевые слова: титановый сплав, элемент, критический состав, температура, химический состав

Введение

Титановые сплавы находят широкое применение в промышленности. Важнейшими преимуществами титановых сплавов перед другими конструкционными материалами являются их высокая удельная прочность и жаростойкость в сочетании с высокой коррозионной стойкостью. Титан и его сплавы хорошо свариваются, парамагнитны и обладают другими свойствами, имеющими решающее значение в различных отраслях техники как авиастроение, ракетостроение, химическое, пищевое и транспортное машиностроение [1, 2].

Описание механических свойств титановых сплавов

Титановые сплавы относятся к монофазным сплавам. Известны две аллотропические модификации титана. Низкотемпературная ГПУ альфа-модификация существует до 882,5 ℃, выше этой температуры бета-титан имеет ОЦК решетку. Механические свойства титановых сплавов чувствительны к типу и параметрам микроструктуры [3, 4]. Для обеспечения необходимых свойств в промышленности используется легирование титана различными элементами. Основным легирующим элементом является алюминий Al, он присутствует во всех титановых сплавах. Другие важные элементы: ванадий V и молибден Mo.

В зависимости от влияния на полиморфизм легирующие элементы деля на три группы:

1) альфа-стабилизаторы — элементы (из металлов Al, Ga, Jn; и неметаллов C. N, O стабилизируют альфа-фазу, повышая температуру полиморфного превращения титана. Из стабилизаторов альфа-фазы Al является единственным элементом, который увеличивая прочность сплава, не снижает значительно его пластичность. Его значение ограничено пределом в 7–8 % в следствие образования хрупкой фазы. Другие стабилизаторы: O, N, C даже в небольших количествах резко повышают прочность и снижают пластичность. Титановые сплавы с альфа-структурой имеют высокую термическую стабильность, хорошую свариваемость, высокое сопротивление окислению, но чувствительны к водородному охрупчиванию и не поддаются упрочнению термической обработкой.

2) бета-стабилизаторы — элементы, понижающие температуру полиморфного превращения и увеличивающие область бета-модификации. Они разделяются на 3 подгруппы:

а) элементы, ограниченно растворяемые как в альфа, так и в бета-фазах. При превышении предела растворимости образуют с титаном интерметаллидные соединения. При охлаждении из бета-области твердый раствор бета распадается на альфа-твердый раствор и интерметаллид по эвтектоидной реакции. К ним относятся Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Si, Cu.

б) элементы изоморфные бета-модификации титана образуют с ним ряд твердых растворов с ограниченным растворением в альфа-модификации. Это такие элементы, как Ta, Nb, V, Mo. При их достаточно высоких концентрациях бета-фаза сохранится до комнатных температур. Они называются изоморфными бета-стабилизаторами.

Элементы, стабилизирующие равновесную бета-фазу при комнатной температуре, но не образующие непрерывных бета-твердых растворов из-за отсутствия изоморфности в кристаллическом строении бета-фазы титана и легирующего элемента. Это элементы Re, Ru, Rh, Os, Ir, которые называются изоморфными квазибета-стабилизаторами.

в) нейтральные упрочнители — элементы, мало влияющие на температуру полиморфного превращения титана. К ним относятся элементы: Sn, Zr, Ge, Hf, Th.

На рис. 1 показана классификация легирующих элементов и их влияния на механические свойства характеристики титановых сплавов.

Схема влияния легирующих элементов и примесей на температуру аллотропического превращения титана

Рис. 1. Схема влияния легирующих элементов и примесей на температуру аллотропического превращения титана

Так, элементы Mn и Zr дают наибольшее увеличение прочностных характеристик с увеличением их процентного соотношения в титановом сплаве. Однако это приводит к резкому снижению пластичности материала. В этом отношении элементы: алюминий Al и ванадий V дают более сбалансированную структуру (альфа плюс бета) увеличивающую прочность и незначительно снижающую пластичность.

Промышленные титановые сплавы со структурой (альфа + бета), легированные бета-стабилизаторами, можно классифицировать по степени приближения сплава к сплавам критического состава на основании условного коэффициента бета-стабилизации сплава K b . Классификация промышленных титановых сплавов представлена в таблице 1.

Таблица 1

п/п

Наименование титанового сплава

1.

— сплавы

0

2.

Псевдо — сплавы

<0,25

3.

сплавы мартенситного типа

4.

сплавы переходного типа

5.

Псевдо — сплавы

6.

— сплавы

Он показывает отношение бета-стабилизации сплава в двойном сплаве критического состава C kp (наименее легированном сплаве, закаленном из бета-области на 100 % бета-структуры). Тогда К б =С/С кр , где С — концентрация бета-стабилизатора. Для сплавов докритического состава K b <1, критического состава K b =1, закритического K b >1.

Механические свойства титанового сплава ВТ6 представлены в таблице 2.

Таблица 2

п/п

Наименование структуры

, МПа

, Мпа

1.

Глобулярная

92,8

82,7

16,5

38,2

2.

Пластинчатая

Материал, методика проведения исследований.

В качестве исследований трещиностойкости титановых сплавов были выбраны два титановых сплава: псевдо-альфа титановый сплав ПТ3В и (альфа + бета) титановый сплав ВТ6. Химический состав исследуемых титановых сплавов представлен в таблице 3.

Таблица 3

№ п/п

Al

V

Fe

Zr

Si

O

C

N

H

1.

ПТ-3В

3,5–5

1,2–2,5

<0,25

<0,3

<0,12

<0,15

<0,1

<0,04

<0,06

2.

ВТ6

5,3–6,8

3,5–5,3

0,3

0,3

0,1

0,2

0,1

0,05

0,015

Химический состав сплава ВТ6 определяется ГОСТ 19807–91.

Основные компоненты: Ti = (86,96–90 %), Al = (5,3–6,8 %), V = (3,5–5,3 %).

Температура полиморфного превращения T nn = 980–1010 ℃.

Микроструктура сплава ВТ6 представлена на рис. 2, а типичные структуры титановых сплавов на рис. 3. В исходном состоянии ВТ6 имеет глобулярную (мелкозернистую) структуру. Для получения пластинчатой структуры была проведена термическая обработка: температура закалки 1000 градусов в течение 30 минут, закалка в воде, температура старения 500 градусов — 4 часа, охлаждение воздухом.

Характерная микроструктура плит из титанового сплава ПТ-3В

Рис. 2. Характерная микроструктура плит из титанового сплава ПТ-3В

Типичные структуры титановых сплавов: a) пластинчатая (β -превращенная); б) смешанная (дуплексная); в) «корзиночного плетения»; г) равноосная (глобулярная)

Рис. 3. Типичные структуры титановых сплавов: a) пластинчатая (β -превращенная); б) смешанная (дуплексная); в) «корзиночного плетения»; г) равноосная (глобулярная)

Псевдо альфа-сплав ПТ3В — Ti (3,5÷5 %), Al — (1,5÷2,5 %), V — ( < 0,25) в исходном состоянии представляет -твердый раствор с небольшим количеством β-фазы (2–8 %), обладает достоинствами  и +β сплавов.

Псевдо--сплавы хорошо свариваются сваркой всех видов и не требуют термообработки для стабилизации структуры. Они не чувствительны к упрочняющей термической обработке. Наличие в структуре β-фазы дает сплаву удовлетворительную технологическую пластичность в горячем и холодном состоянии, близкую к +β сплавам.

Для термической стабильности псевдо -сплава содержание алюминия ограничивают (7–7,5 %). При комнатной температуре небольшое количество β-фазы в псевдо--сплавах оказывает положительное влияние на пластичность, благодаря пластичности β-фазы, имеющей кубическую решетку.

Изготовление листов из сплава ПТ3В для судостроения определяются техническими условиями ТУ 1–5-005–72. Для получения пластинчатой структуры был проведен полный отжиг при температуре 890℃ выдержка 30 минут, посадка в печь при 750℃, охлаждение с печью.

Литература:

  1. Герасимова С. Изучение микроструктуры и свойств титановых сплавов //Методические указания по выполнению лабораторной работы по курсу «Специальные главы материаловедения», Калуга. — 2018 г.
  2. Адаскин А. М., Материаловедение в машиностроении в 2 ч. Часть 1- 2-е изд., испр. и доп.- М.: Юрайт –2017 г.
  3. Богодухов, С. И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учебные пособия / С. И. Богодухов, А. В. Синюхин, Е. С. Козик. — Электрон. дан. — М.: Машиностроение, 2014 г.
  4. Сапунов, С. В. Материаловедение: Учебные пособия — Электрон. дан. — СПб.: Лань, 2015 г.
Основные термины (генерируются автоматически): сплав, титановый сплав, элемент, критический состав, температура, исходное состояние, комнатная температура, пластинчатая структура, полиморфное превращение, твердый раствор.


Ключевые слова

температура, химический состав, элемент, титановый сплав, критический состав

Похожие статьи

Особенности механической обработки титановых сплавов

Выявлены факторы, влияющие на эффективность обработки титановых сплавов.

На механические свойства титана существенно влияют легирующие элементы и методы

— при обработке титановых сплавов нужно учитывать их физико-механические свойства, свойства...

Повышение прочностных характеристик титановых сплавов

Вклад фазовых превращении в формирование структуры и свойств сплавов наибольший при рекристаллизационном и дорекристаллизационном отжиге и наименьший при отжиге с целью снятия остаточных напряжений [1]. Если температура отжига для уменьшения остаточных...

Влияние импульсного тока высокой плотности на эффективность...

Титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью и хорошей устойчивостью к

По завершению выдержки при выбранной температуре, образец извлекается из

Процесс выдержки заготовки при температуре 700 °С изображен на рисунке 2.

Взаимосвязь между коррозионными и энергетическими...

Взаимосвязь между коррозионными и энергетическими характеристиками некоторых титановых сплавов, синтезированных методом

Рис. 1. Кинетика коррозионного растворения титана и его сплавов в 40 % серной кислоте, при температуре 250С: 1 — гидридный титан, 2 — сплав Ti0,8...

Прямое лазерное выращивание из титановых сплавов...

Титановые сплавы обладают высокой прочностью, трещиностойкостью, низким удельным

Аддитивные методы построения изделий из титановых сплавов классифицируются по типу

Последующая термообработка выращенных изделий при температуре 600°С в течение 4...

Общие рекомендации по выбору режимов резания при обработке...

При обработке титановых сплавов происходит адгезионное изнашивание режущей части инструмента, это вызвано тем, что при таких высоких температурах происходит легирование стружки материалом инструмента. В результате чего сплав удаляется со стружкой, что...

Упрочнение поверхности титанового сплава ВТ6 в результате...

Ключевые слова: электропластическая деформация, титановый сплав ВТ6, микротвердость. С целью улучшения качества изделий и придания металлам и сплавам определённых свойств развитие различных технологий и методов поверхностной обработки является актуальным.

Компьютерное моделирование технологии штамповки...

Компьютерное моделирование технологии штамповки эндопротезов из титанового сплава ВТ6.

Титан и его сплавы достаточно давно используются в ортопедии и травматологии, что связано с их

В результате моделирования получили поля распределения температуры и...

Похожие статьи

Особенности механической обработки титановых сплавов

Выявлены факторы, влияющие на эффективность обработки титановых сплавов.

На механические свойства титана существенно влияют легирующие элементы и методы

— при обработке титановых сплавов нужно учитывать их физико-механические свойства, свойства...

Повышение прочностных характеристик титановых сплавов

Вклад фазовых превращении в формирование структуры и свойств сплавов наибольший при рекристаллизационном и дорекристаллизационном отжиге и наименьший при отжиге с целью снятия остаточных напряжений [1]. Если температура отжига для уменьшения остаточных...

Влияние импульсного тока высокой плотности на эффективность...

Титановые сплавы обладают высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью и хорошей устойчивостью к

По завершению выдержки при выбранной температуре, образец извлекается из

Процесс выдержки заготовки при температуре 700 °С изображен на рисунке 2.

Взаимосвязь между коррозионными и энергетическими...

Взаимосвязь между коррозионными и энергетическими характеристиками некоторых титановых сплавов, синтезированных методом

Рис. 1. Кинетика коррозионного растворения титана и его сплавов в 40 % серной кислоте, при температуре 250С: 1 — гидридный титан, 2 — сплав Ti0,8...

Прямое лазерное выращивание из титановых сплавов...

Титановые сплавы обладают высокой прочностью, трещиностойкостью, низким удельным

Аддитивные методы построения изделий из титановых сплавов классифицируются по типу

Последующая термообработка выращенных изделий при температуре 600°С в течение 4...

Общие рекомендации по выбору режимов резания при обработке...

При обработке титановых сплавов происходит адгезионное изнашивание режущей части инструмента, это вызвано тем, что при таких высоких температурах происходит легирование стружки материалом инструмента. В результате чего сплав удаляется со стружкой, что...

Упрочнение поверхности титанового сплава ВТ6 в результате...

Ключевые слова: электропластическая деформация, титановый сплав ВТ6, микротвердость. С целью улучшения качества изделий и придания металлам и сплавам определённых свойств развитие различных технологий и методов поверхностной обработки является актуальным.

Компьютерное моделирование технологии штамповки...

Компьютерное моделирование технологии штамповки эндопротезов из титанового сплава ВТ6.

Титан и его сплавы достаточно давно используются в ортопедии и травматологии, что связано с их

В результате моделирования получили поля распределения температуры и...

Задать вопрос