Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский государственный индустриальный университет

(ГОУ МГИУ)

Кафедра «Материаловедения и технологии конструкционных материалов»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему «Водородное охрупчивание титана и его сплавов»

Группа 9321

Студент И.Н. Самарова

Преподаватель Т. Ю. Скакова

МОСКВА 2010

Оглавление

Система титан—водород

Водородное охрупчивание α-титана

Титан высокой чистоты

Технический титан

Стабилизированные α-сплавы

Выводы

Водородное охрупчивание α-β-титановых сплавов

Характерные признаки водородного охрупчивания α-β-титановых сплавов

Механизм водородного охрупчивания α—β-титановых сплавов

Влияние водорода на механические свойства β-титановых сплавов

Система титан—водород

Систему титан — водород изучали многие исследователи. Титан в отличие от железа относится к группе экзотермических металлических окклюдеров. Поэтому взаимодействие водорода с металлом в этой системе усложняется образованием гидридной фазы, а также наличием аллотропического превращения в металлическом титане. Мак-Квиллан установил, что при температурах выше 500 °С в системе титан — водород существуют три фазы: α - фаза (с плотноупакованной гексагональной решеткой), β - фаза (с о.ц.к. решеткой) и γ -фаза (с г.ц.к. решеткой). Первые две фазы являются низко- и высокотемпературными аллотропическими формами металлического титана, в то время как третья фаза соответствует гидриду, найденному Хэггом и Шипко при температурах ниже 500 °С. Метод Мак-Квиллана заключался в основном в измерении равновесного давления водорода в зависимости от концентрации и температуры (рис.1). Из правила фаз следует, что в однофазных сплавах равновесное давление водорода будет изменяться с изменением его содержания, тогда как в двухфазных областях давление будет оставаться постоянным. Горизонтальные участки кривых давление — концентрация (рис. 1) указывают на то, что при этом составе, давлении и температуре существуют двухфазные сплавы.

Рис.1. Кривые зависимости концентрации от давления при постоянной температуре для системы водород – титан.

Гидридная фаза (названная Мак-Квилланом γ-фазой) существует при любом из названных составов и имеет структуру при которой атом водорода занимает позиции внедрения в кристаллической решетке и в идеальных условиях окружен четырьмя соседними атомами титана. Эта фаза может быть отнесена к фазам внедрения и подобна промежуточным фазам в обычных сплавах. Результаты различных исследований могут быть представлены в виде диаграммы состояния для системы сплавов титан— водород. Именно таким образом Мак-Квиллан и представил свои данные. Эта система была также исследована Леннингом, Крайгхедом и Джаффе, которые использовали более чистый титан, чем предыдущие исследователи. Их результаты представлены в виде диаграммы состояния на рис. 2.

Рис. 2 Диаграмма равновесия титан-водород (при давлении водорода 760 мм.рт.ст.)

Следует указать, что эта диаграмма состояния справедлива только для двухкомпонентной системы, состоящей из чистого (йодидного) титана и водорода при давлении водорода в одну атмосферу. Диаграмма может значительно измениться при наличии третьего элемента или при изменении давления водорода. Однако не вызывает сомнения тот факт, что водород стабилизирует β-фазу до весьма низких температур, при которых происходит эвтектоидное превращение с образованием двухфазных сплавов, состоящих из α-титана и гидрида (γ-фаза). Это превращение происходит приблизительно при 325 °С и эвтектоидный состав равен приблизительно 44% (ат.) водорода. Растворимость водорода в металлическом α-титане в твердом состоянии возрастает от 0,1% (ат.) при комнатной температуре до 8% (ат.) при эвтектоидной температуре; при температуре выше эвтектоидной β-фаза в присутствии водорода находится в стабильном состоянии. Растворимость водорода в β-титане при этой температуре соответствует эвтектоидному составу. Из диаграммы состояния видно, что растворимость водорода в β-фазе значительно выше, чем в α-титане.

Эта диаграмма является хорошим примером несоответствия между пределом растворимости и общим количеством водорода, абсорбируемого образцом.

Растворимость водорода в любой аллотропической форме титана увеличивается с повышением температуры; в то время как для общего количества водорода, которое может содержаться в γ-фазе (вследствие того, что образование гидрида является экзотермическим процессом), наблюдается обратная зависимость.

Одно из своих исследований Мак-Квиллан проводил на титане недостаточной чистоты; заслуживает внимания тот факт, что кривые давление — концентрация на рис.1 непараллельны оси концентрации в области α-β. Это противоречит правилу фаз для двухкомпонентных систем и можно сделать вывод, что любой сплав технического титана с водородом должен рассматриваться как многокомпонентная система.

Растворимость водорода в техническом титане отличается от его растворимости в очищенном металле. Считают, что это различие обусловливается тем, что некоторые примеси (особенно железо) стабилизируют β-фазу, в результате чего небольшое количество β-фазы сохраняется по границам зерен менее чистого металла при температурах ниже эвтектоидной.

Водородное охрупчивание α-титана

Титан высокой чистоты

Растворимость водорода в α-титане и, следовательно, его влияние на металл зависят от чистоты металла. Поэтому важно отличать титан высокой чистоты от технического титана и α-титана, легированного различными элементами. Как указывалось, растворимость водорода в чистом α-титане составляет ~ 8% (ат.) при 325 °С и 0,1% (ат.) при 125 °С.

Рис.3. Изменение пластичности титана высокой чистоты при растяжении при комнатной температуре в зависимости от содержания водорода.

Влияние водорода на механические свойства α-титана высокой чистоты показано на рис. 3. Свойства титана высокой чистоты при испытании на растяжение значительно изменяются и присутствии водорода. Если содержание водорода менее 1 % (ат.), то пластичность получается высокой (удлинение равно ~70%). Увеличение концентрации водорода (до 10% ат.) приводит к резкому снижению пластичности, хотя удлинение образцов остается на уровне 40%. Дальнейшее увеличение содержания водорода (до 25% ат.) может привести к катастрофическому снижению пластичности при комнатной температуре.

Рис.4. Изменение механических свойств чистого титана в зависимости от содержания водорода и скорости растяжения при комнатной температуре.

Рэйлски опубликовал подробный обзор по влиянию водорода на механические свойства титана и его сплавов, в котором он показал, что склонность α-титана высокой чистоты охрупчиваться под влиянием водорода увеличивается при раздельном или совместном действии следующих факторов: повышениискорости деформации, уменьшении температуры испытания и при наличии поверхностного надреза на образце. Наиболее резко вредное влияние водорода проявляется при определении прочности надрезанных образцов при испытании на удар. Столь малое содержание водорода, как 0,25% (ат.), вызывает значительное снижение сопротивления удару, а при содержании водорода ~2% (ат.) оно почти равно нулю (рис. 4). Следует указать, что почти нулевая энергия удара наблюдается при таком содержании водорода, которое практически не влияет на относительное удлинение при растяжении.

Металлографическое и рентгенографическое исследования показывают, что при содержании водорода более 0,1% (ат.) в α-титане присутствует нерастворимая гидридная фаза, как и следовало ожидать, исходя из диаграммы состояния водород — титан, предложенной Леннипгом. Считают, что основной причиной охрупчивания α-титана в присутствии водорода является наличие пластинчатых выделений гидридной фазы. Если этот гидрид выделяется в дисперсной форме, что может быть получено в результате быстрого охлаждения из области твердого раствора, механические свойства сплавов этого типа могут быть улучшены. Однако старение при комнатной температуре приводит к коагуляции гидрида в более массивные включения, что вызывает соответствующее ухудшение свойств при испытании на удар и на растяжение.

Технический титан

Растворимость водорода в α-фазе технического титана ниже, чем в титане высокой чистоты. При 400 °С предел растворимости колеблется от 5,4 до 6,5% (ат.), в то время как для чистого титана эта величина составляет более 8% (ат.). Определить растворимость водорода в титане при температурах ниже эвтектоидной трудно из-за остаточной β-фазы по границам зерен. Медленное или быстрое охлаждение из области твердого раствора не приводит к выделению гидридной фазы в сплавах, содержащих 0,26% (ат.) водорода, в то время как в титане высокой чистоты при данной концентрации водорода гидридная фаза присутствовала бы обязательно. Разница в пределах растворимости и форме существования водорода в металлах различной чистоты обусловливается присутствием в менее чистом титане элементов, стабилизирующих β-фазу, так как растворимость водорода в β-фазе гораздо больше, чем в α-фазе.

Вредное действие водорода на механические свойства проявляется в техническом титане при более низких содержаниях водорода по сравнению с титаном высокой чистоты. На рис. 5 показано изменение свойств технического титана при испытании па растяжение в зависимости от концентрации водорода; при содержании водорода 12% (ат.) пластичность этого материала снижается с 70 до 10%. В титане высокой чистоты такое снижение пластичности наблюдается при содержании водорода свыше 30% (ат.). Кроме того, снижение сопротивления удару почти до нулевого значения происходит в техническом титане при содержании водорода ~ 1% (ат.), что составляет приблизительно половину той величины, которая необходима для достижения аналогичного эффекта в титане высокой чистоты.

Рис.5. Изменение пластичности технически чистого титана в зависимости от содержания водорода.

Рис.6. Изменение энергии удара технически чистого титана в зависимости от содержания водорода после закалки на твердый раствор с последующим старением при комнатной температуре.

Закалка из области α-фазы улучшает сопротивление удару технического титана, содержащего водород, но, как и в случае чистого металла, этот эффект является временным (рис. 6); старение при комнатной температуре приводит к ухудшению свойств. Кроме того, было показано, что сплав с 0,24% (ат.) водорода обладает значительно более низким сопротивлением удару по сравнению с металлом, не содержащим водород, хотя никаких признаков гидридной фазы в его структуре обнаружено не было. Однако Рэйлски указывает, что благодаря различному растворению водорода в α- и β-фазах, почти весь водород должен находиться в растворе в остаточной β-фазе, чем и объясняется отсутствие видимой гидридной фазы при содержании водорода выше предела его растворимости в чистом α-титане. Поэтому вполне возможно, что наличие в техническом титане частиц β-фазы со значительно более высоким содержанием водорода является фактором, обусловливающим его охрупчивание.

Стабилизированные α-сплавы

Сплавы титана обычно классифицируются по легирующим элементам в зависимости от того, образуют ли они твердые растворы внедрения или замещения. Затем эти элементы разделяются на группы по их отношению к α- или β-фазам. Влияние водорода было изучено на сплавах, содержащих α-стабилизирующие элементы, которые образуют как твердые растворы внедрения, так и замещения. Азот является типичным представителем первых, а алюминий — вторых. Изучение свойств при испытании на удар и микроструктуры стабилизированных α-сплавов показывает, что склонность их к водородному охрупчиванию обусловливается выделением гидридной фазы. Низкое сопротивление удару может быть улучшено отжигом в вакууме (табл. 1).