Кратковременная ползучесть титана в водородной и воздушной средах

Размещено на http://www.allbest.ru/

КРАТКОВРЕМЕННАЯ ПОЛЗУЧЕСТЬ ТИТАНА В ВОДОРОДНОЙ И ВОЗДУШНОЙ СРЕДАХ

Смирнов С.В., Замараев Л.М., Матафонов П.П.

Екатеринбург. Россия. Институт машиноведения УрО РАН,

Титан и его сплавы находят все более широкое применение в различных областях техники. Это обусловлено рядом его ценных свойств: большой прочностью и жаропрочностью, высокой коррозионной стойкостью, малым удельным весом, достаточной пластичностью. Несмотря на высокую химическую активность реакции титана со многими элементами происходят только при высоких температурах. Это явление обусловлено наличием поверхностной защитной пленки состоящей из оксида и нитридов титана толщиной 5-15 мкм имеющей высокую плотность (фактор Пиллинга--Бэдвордса пленки оставляет 1,7).

В связи с развитием водородной энергетики наибольший интерес представляет его химическое сродство к водороду, а также кислороду и азоту воздуха. титан сплав деформация температура

Водород начинает поглощаться титаном с образованием твердых растворов внедрения и гидрида титана при температурах выше 250⁰С. Водород в титане влияет главным образом на его склонность к хрупкому разрушению. Наличие водорода в титане стабилизирует высокотемпературную в фазу, снижая температуру ее образования.

При температурах 350 град. С и выше титан активно поглощает кислород с образованием структур внедрения, имеющих высокую прочность, твердость и малую пластичность. Кинетика взаимодействия титана с кислородом сложна, так как на поверхности титана образуются несколько слоев окислов, между которыми происходят обменные процессы, обуславливающие непрерывное окисление металла. Кислород стабилизирует б фазу титана повышая температуру ее превращения в в фазу.

При нагреве до температуры 550 град. С и выше титан энергично растворяет азот, химически взаимодействует с ним, в результате часто образуются малопластичные фазы внедрения (нитриды). Азот также стабилизирует б фазу титана.

Таким образом наиболее резко повышают прочность и снижают пластичность титана азот и кислород. Водород главным образом влияет на склонность титана к хрупкому разрушению. [1,2,3,4]. Этот процесс ускоряется при одновременном воздействии статических напряжений и коррозионной среды. В связи с этим изучение деформации титановых сплавов при высоких температурах вызывает определенный интерес.

В статье исследована деформация титанового сплава ВТ 1-0 при нагреве до высоких температур при растягивающих напряжениях ниже предела текучести в воздушной среде и в среде водорода. В соответствии с современными представлениями деформация при таких условиях осуществляется за счет кратковременной ползучести, которая является свойством твердых тел при повышенных температурах деформироваться пластически под действием постоянного напряжения ниже предела текучести. Такие деформации осуществляются за счет дислокационных и диффузионных механизмов вблизи границ зерен.

Целью исследований являлось определение:

1. Зависимости скорости удлинения в режиме кратковременной ползучести (скорости ползучести v, 1/сек) от температуры - t и величины действующего напряжения - у.

2. Зависимости механического напряжения растяжения, при котором сплав ВТ1-0 начинает пластически деформироваться по механизму ползучести (предела кратковременной ползучести - у_п, МПа) от температуры - t.

Зависимости определялись на основании экспериментальных исследований.

В экспериментах использовались стандартные цилиндрические образцы с размерами рабочей части: длина 30мм и диаметр 5мм. Химический состав сплава (AL -0,028%; Si - 0,002%; Fe - 0,036%; C - 0,008%; O₂ - 0,115%; H₂ - 0,003%; Cr+Mn - 0,012; Cu+Ni - 0;015%).

Экспериментальные исследования проводились на специализированном стенде, позволяющем определять удлинение образцов при их фиксированном нагреве в условиях постоянно действующих механических напряжений растяжения в среде водорода и на воздухе. Схема стенда приведена на рис.1.

Образец 1 устанавливался в устройстве для подвески образца (2). В экспериментах с водородом накрывался колпаком, образующим герметичную камеру (3). К нижнему его концу подвешивается наборный груз (4). Образец нагревался переменным током силой до 250 А, а его температура замерялась оптическим пирометром Луч-С (6) через кварцевое окно (7). Погрешность прибора при измерении температуры в диапазоне до 1100⁰С составляет 0,5%. Удлинение образца, определялось с помощью датчика (5) подключенного к измерительной системе, и фиксировалось во времени на двухкоординатном самописце Н307(8).

Испытания образцов проводились при ступенчатом нагреве от 20 до 1100⁰С с фиксированным весом нагрузки 3,48; 7,28; 10,56 и17,2 кг, что в пересчете на размеры поперечного сечения образца соответствовало напряжению натяжения у = 1,57; 3,62; 5,27 и 8,54 МПа (что значительно меньше предела текучести титана в исследуемой области температур). При ступенчатом изменением температуры участки нагрева чередовались паузами, когда температура образца поддерживалась постоянной.

В процессе проведения экспериментов получены диаграммы удлинения образцов, типичный вид которых приведен на рис. 2.

Из диаграмм видно, что при заданной величине нагрузки при нагреве до некоторой температуры изменение удлинения образца в паузе не происходит. При контрольном охлаждении образцов нагретых до температур в этом диапазоне они восстанавливают свои размеры. Таким образом, необратимое остаточное удлинение образцов отсутствует, что свидетельствует об отсутствии пластической деформации при выдержке под нагрузкой. При более высоких температурах удлинение образца происходит и в периоды выдержки, при контрольном охлаждении этих образцов наблюдается необратимое остаточное удлинение, обусловленное кратковременной ползучестью.

На стадии вытяжки за счет протекания процессов кратковременной ползучести определялась средняя относительная скорость ползучести (пластического удлинения образцов) рассчитанная по формуле:

, 1/с (1)

где: ?ф_i - время паузы, сек; ?е_i - относительное удлинение образца на стадии выдержки.

?е_i определялось по формуле

, (2)

где i = 0...n - номер паузы, на которой происходит выдержка образца при постоянной температуре; L_i, L_i-1 - длина рабочей части образца после окончания и до начала паузы, соответственно.

Результаты расчетов скорости ползучести образцов в зависимости от температуры и напряжения натяжения приведены на Рис.3

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что при температурах меньше 400⁰С в среде водорода и 600⁰С в воздушной среде, при всех исследованных нагрузках метал образцов находится в области упругой деформации.

При этом при прочих равных условиях явление текучести в образцах, нагреваемых в среде водорода начинается при меньших температурах (t_н.п.) чем на воздухе, а разрыв образца при более высоких температурах (t_р.). Такая картина деформаций объясняется снижением пластичности титана при его насыщении кислородом и азотом воздуха в образцах, нагреваемых в воздушной среде.

При нагреве образцов в среде водорода на участке, предшествующем разрушению образца кривые скорости ползучести имеют экстремальный характер. После наступления периода ползучести при температурах от t_н.п. до t_1мах скорость ползучести увеличивается, а затем от t_1мах. до t_мin снижается. Последующее увеличение скорости при температуре t_1разр. заканчивается разрушением образца.

При нагреве в воздушной среде скорость ползучести непрерывно возрастает вплоть до разрушения образца.

Экстремальный характер изменения скорости ползучести при нагреве образцов в среде водорода связан, по-видимому, с изменением фазового состояния титана при температурах t_1мах.. Снижение температур начала образования в фазы титана вызвано вызванного его наводораживанием.

С увеличением нагрузки начало процесса текучести смещается в область более низких температур, а разница в температурах, при которых происходит разрыв образца в воздушной и водородной средах снижается. Смещаются в область более низких температур также и экстремальные точки скорости ползучести. Результаты проведенных исследований приведены в табл.1

Таблица 1. Температуры характерных точек скорости ползучести в воздушной и водородной средах.

Данные полученные в процессе исследований предела ползучести титанового сплава ВТ 1-0 в воздушной среде и в среде водорода были подвергнуты нелинейному регрессионному анализу в программном комплексе Statistica v. 8.0.

В результате для напряжений натяжения (д) от 1,5 до 8,54 МПа и температур нагрева (t) от 500 до 1000⁰С получены следующие аппроксимирующие формулы:

В среде водорода

В воздушной среде

Величина достоверности аппроксимации R² не менее 0,985

Полученные экспериментальные данные и расчетные кривые приведены на рис.4

Полученные зависимости могут быть использованы для определения пределов температур и нагрузок, при которых сплав ВТ 1-0 остается в зоне упругой деформации

Выводы:

1. Процессы текучести в образцах нагреваемых в среде водорода начинаются раньше чем в воздушной среде.

2. Изменение скоростей ползучести от температуры в среде водорода носят экстремальный характер.

3. Увеличение нагрузок приводит к смещению областей ползучей деформации в область более низких температур.

Литература

1. Б. А. Колачев, В.А. Ливанов, А.Л. Буханова. Механические свойства титана и его сплавов. «Металлургия», 1974.

2. Цвиккер У. Титан и его сплавы. Берлин -- Нью-Йорк, 1974. Пер. с нем. М., М «Металлургия», 1979.

3. Б.А. Колачев, В.А. Ливанов, В.И. Елагин. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов.

4. Н.И. Уткин. Металлургия цветных металлов

Размещено на Allbest.ru