книги / Физическое металловедение титана

В титане и его сплавах трещины обычно зарожда­ ются по схеме Баллафа — Гилмана [74, с. 278] иРожанского — Инденбома [36, с. 96]. Согласно этим моделям зарождение трещин происходит вследствие нелинейности скольжения в полосах скольжения или в местах нагро­ мождения дислокаций, а также в результате искривле­

Сдвиг по изогнутым плоскостям вызывает возникновение нормальных напряжений, приводящих к отрыву (см. рис. 58,а,б).

Напряжение, необходимое для зарождения трещины, согласно теории модели Баллафа — Гилмана

(70)

Эти модели важны для металлов, у которых, как у а- титана, плоскости скольжения испайности совпадают.

сплавах со средним и низким пределом текучести (ОТ4, ОТ4-1, ВТ6С, Ti+4% Al, ТН-2,5% Zr) при^испытаниях в условиях статического растяжения. Микротрещины,, как правило, были расположены перпендикулярно при­ ложенному напряжению и ширина их не превышала

О

1000 А. И. И. Новиков и О. В. Каспарова [112] сообща­ ют о наличии подобных трещин в термически упрочнен­ ных р-титановых сплавах (Ti-f20%Mo, ВТ15), испытан­ ных на растяжение. Однако трещины этого типа являют­ ся преобладающими лишь в закаленных сплавах, когда структура представлена чистой р-фазой.

Коэффициент концентрации напряжений (q) впере­ ди полосы скольжения пропорционален числу элемен­ тарных актов скольжений, которые возникают в полосе, поэтому концентрация напряжений пропорциональна шп­ рице полосы. Растягивающее напряжение в голове по­ лосы скольжения равно [103, с. 471]

= <7(% —ot).

При критическом напряжении, необходимом для от­ рыва, имеем

фициент концентрации напряжений впереди полосы тече­ ниям чистом титане может достигать огромной величи­ ны (<7с«500—600).

Критическая полоса скольжения имеет ширину &qcb, где Ъ — вектор Бюргерса. Если коэффициент К в уравнении (72) принять равным 107 дин/ом3/2, то для плоскости отрыва получаем критическую ширину поло­ сы скольжения, равную 0,0018; 0,0006 и 0,0002 мм для диаметра зерна 1; 0,1 и 0,01 мм. Следует отметить, что крупному зерну соответствуют и более широкие полосы течения.

Из приведенных данных видно, что грубое скольже­ ние сильнее способствует развитию разрушения, чем тон­ кое скольжение. Учитывая это, многие авторы [95, 103, 104] связывают зарождение трещин в титане и его спла­ вах независимо от деталей механизма их образования с моментом возникновения грубых широких полос сколь­ жения, т. е. полагают, что трещины зарождаются при достижении в локальном объеме металла критической плотности дислокаций [36, с. 96].

Для титана и его сплавов при двойниковании наибо­ лее реальна и важна схема разрушения (рис. 58,в), пре­ дусматривающая встречу растущего двойника со стенкой другого, уже существующего. Это связано со способ­ ностью двойниковой прослойки создавать высокие нап­ ряжения в окрестностях тормозящего ее барьера. Халл [ИЗ], использовав уравнение Гриффитса, установил связь между растягивающими напряжениями (crs), не­ обходимыми для продвижения трещин, и толщиной двойника (t), их создающего:

где 0 — угол встречи двойников.

154

Анализ этого уравнения для титана и малолегиро­ ванных а-сплавов показывает, что для возникновения трещины у границы зерна достаточно заблокировать

О

двойниковую прослойку толщиной 500—1000 А. К этому же выводу можно придти и из определения касательных напряжений в вершине двойника: то=я'т, где %— при­ ложенные касательные напряжения, а п' — число дисло­ каций на поверхности раздела двойника.

Таким образом, в титане даже «тонкий двойник» толщиной « 10-4 см представляет собой, будучи блоки­ рованным, скопление 104 дислокаций, а это значительно больше, чем те скопления в полосах скольжения, кото­ рые способны вызвать разрушение. На рис. 59,6 пока­ зано образование микротрещин по схеме Халла в тита­ новом сплаве ОТ4 при испытании его на замедленное хрупкое разрушение по схеме консольного изгиба [ 1 1 1 ].

Однако не каждое пересечение двойников в- титане приводит к образованию трещин, так как вызванные блокированием двойника напряжения могут быть сняты благодаря раздвойникованию, если этому благоприятст­ вует определенное расположение кристаллографических плоскостей.

Описанные выше схемы не ограничивают вариантов зарождения разрушения в титановых сплавах' по меха­ низму заторможенного сдвига. В псевдо- а- и псевдо- р-сплавах (ОТ4, ОТ4-1, ОТ4-ОУ, ВТ20, ВТ15, ВТЗО) замечено образование трещин на границах вторых фаз при встрече с ними двойников (рис. 59,б), а в техничес­ ком титане и в а-титановых сплавах (ВТ5, ВТ5-1, груп­ па АТ) наблюдали трещины на поверхности раздела двойник — матрица. Последний вид разрушения харак­ терен только для клиновидных двойников, зарождение и рост которых в г. л. у. металлах подробно описаны в ра­ боте [114].

Возникшие в титане микротрещины могут вызывать образование новых трещин из-за взаимного наложения пика существующих напряжений и концентрации напря­ жений у вершины трещины. Такие «вторичные» трещи­ ны обнаружены в зоне надреза в титане, а-сплавах, в за­ каленных р-сплавах при испытаниях на замедленное хрупкое разрушение по схеме Трояно [115] при сравни­ тельно невысоких* средних напряжениях. Этот механизм особенно четко проявляется в р-сплавах, в которых нес­

может задерживаться' в месте стыка трех эле­ ментов, где вследствие этого возникают высокие растя­ гивающие напряжения и происходит разрушение с обра­ зованием клиновидной полости. В .результате комбина­ ции’проскальзывания вдоль различных границ в системе поверхностей раздела возможно множество модифика­ ций этой простой клиновидной трещины [109].

Для расчета минимального касательного напряже­ ния, необходимого для образования трещины у 'верши­ ны проскальзывания, можно воспользоваться формулой

^~~ л (1 —v)L

Сувеличением размера зерна L вероятность межзеренного разрушения в титане резко возрастает, и даже на сплавах с низким пределом текучести возникают ха­ рактерные микрополости вблизи тройных стыков зерен, имеющие тенденцию к слиянию.

Особое значение для анализа процессов разрушения

двухфазных сплавов титана имеет описанная выше серия работ Перцовского Н. З.с.сотр. [94—96], в которых изу­ чены особенности разрушения титановых сплавов (ВТЗ-1, ВТ9, ВТ22) с различными типами исходной структуры. Экспериментальные данные позволяют считать, что «хрупкий» характер разрушения титановых сплавов с крупнопластинчатой структурой определяется развитием «грубого» скольжения, ответственного за зарождение разрушения.

МИКРОМЕХАНИЗМЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТРЕЩИН В ТИТАНОВЫХ СПЛАВАХ

В настоящее время микропроцессы зарождения и раз­ вития микротрещин в титане и его сплавах, их рост, вза­ имодействие между собой и макротрещиной, а также ме­ ханизм поэтапного продвижения макротрещины успешно изучаются и выявляются с помощью разнообразных фрактографических и металлографических исследований. Исследование поверхности изломов с помощью электрон­ ного микроскопа позволяет изучить взаимосвязи между топографией поверхности и микроструктурой, а также кинетику разрушения (хронологический порядок микро­ явлений в процессе разрушения).

158

Т а б л и ц а 12

В табл. 12 и на рис. 62 указано большинство извест­ ных в настоящее время микромеханизмов разрушения титана и его сплавов, исследованных методами электрон­ ной фрактографии, и определена их общая связь с соот­ ветствующими макромеханизмами. Таблица построена в соответствии с тремя основными способами распростра­ нения трещин в титане и его сплавах. В графе А дана

характеристика трещин, образовавшихся при малых де­ формациях, когда каждая трещина обособлена, имеет один фронт распространения и при росте каждой возник­ шей трещины ее фронт сохраняется. Обычно такие тре­ щины появляются на свободной наружной поверхности или около нее и распространяются внутрь. В графе С описаны процессы, которые сопровождаются чрезвычай­ но большими пластическими деформациями. Фронт раз­ рушения (несмотря на пластическое течение) по-прежне­ му сохраняется, и поверхности разрушения обычно на­ правлены внутрь от свободной поверхности. Разрушения двух указанных типов для титана находятся в прямой зависимости от внешних условий и реализуются не часто.

В графе В представлены наиболее часто встречающи­ еся в титане и его сплавах механизмы роста трещин. Приведенные в табл. 12 механизмы микроразрушеиия бо­ лее детально описаны ниже.

Отрыв или скол — разделение кристалла или отдель­ ных кристаллитов вдоль определенных кристаллографи­ ческих плоскостей — сопровождается образованием плос-

160

.них или чуть искривленных площадок — фасеток скола. К типичным особенностям скола, по которым он может быть идентифицирован, следует отнести наличие на по­ верхности разрушения ступенек и язычков скола. Сту­ пеньки возникают при реиницировании трещины во вре­ мя перехода микропластической деформации из зер­ на одной ориентации в зерно, имеющее другую ориента­ цию, а «Язычки» образуются в результате локального разрушения вдоль поверхности раздела матрица—двой­ ник. Ступеньки скола по мере развития разрушения сли­ ваются, образуя систему, которую часто называют «ручьистым узором»; сближение ступенек в нем всегда происходит по «течению».

В титане и его сплавах разрушение отрывом — явле­ ние крайне редкое, и возникает лишь локально, да и то при специальных испытаниях, в частности при замедлен­ ном разрушении и коррозионном растрескивании [107].

Наиболее вероятной плоскостью скола в титане сле­ дует считать плоскость базиса, а в р-титановых спла­ вах— грани куба {001}. Типичные картины отрыва [вдоль .плоскостей {001}] возникают при низкотемпера­ турном испытании титановых сплавов с p-структурой в районе температур ниже или близких к порогу хладно­ ломкости (рис. 63,а). В этом случае скол занимает боль­ шую часть поверхности разрушения и может быть де­ тально изучен. Однако при разрушении титановых спла­ вов с иной структурой скол должен рассматриваться как эпизод, очаг разрушения, а не как поверхность, подлежа­ щая количественной оценке и статистической обработке.

В титановых сплавах, содержащих разнообразные структурные элементы, различающиеся по составу, фор­ ме, размеру, характеру выделений и т. д., порой невоз­ можно даже приблизительно оценить кристаллографию поверхности, по которой произошло разрушение, или сравнить ее площадь с размером структурных составля­ ющих. Кроме этого, в титане и его сплавах в процессе хрупкого разрушения растущая трещина не сохраняет единого фронта (а это важное свойство скола), и обыч­ но процесс разрушения сопровождается образованием множества мелких трещинок, пронизывающих материал впереди макротрещииы, и последующим ростом этих трещинок до их слияния между собой или с магистраль­ ной трещиной. Для такого типа разрушения Сроулн предложил использовать термин «квазиотрыв». Этот тер-

161