книги / Физическое металловедение титана

ный сплав ВТ6, закаленные р-сплавы), вторая — терми­ чески упрочненным сплавам типа ВТ22 и ВТ15, а проме­ жуточные значения соответствуют отожженным (а+р)- титановым сплавам.

Параллельно с образованием плоской’ трещины про­ текает макроскопическая деформация, внешние призна­ ки которой заключаются в изгибе образца, пластическом течении по боковым поверхностям, а также в изменении формы сечения образца непосредственно под надрезом. Пластическая деформация сопровождает и дальнейшее разрушение, которое на следующем этапе заключается в массовом образовании множества дефектов типа микротюр, расслоений, дислокационных трещин и т. ц. на возможном пути распространения трещины.Эти процес­ сы сопровождаются поглощением большого количества энергии. В результате подрастания образовавшихся в процессе пластической деформации дефектов их взаимо­ действия между собой и основной трещиной возникают полости, при вскрытии которых образуются равновесные «чашки» или «вязкие» гребни (зона 2) и вытянутые «ям­ ки» (зона 3).

На определенной стадии накопления повреждений при продолжающемся увеличении действующих напря­ жений происходит страгивание ранее «замороженной» трещины и «медленное» ее распространение1. Движение этой «медленной» трещины сопровождается постепен­ ным поглощением дефектов и развитием сопутствующей микропластической деформации, которая возрастает по мере смещения из центральных слоев к боковым поверх­ ностям. Этот этап разрушения соответствует формирова­ нию зоны 2. Размеры и форма зоны 2 зависят от состоя­ ния материала в момент нагружения и его деформаци­ онной 'способности. В титановых сплавах с ударной вяз­ костью > 6 кгс-м/см2 эта область имеет «ногтеобраз­ ную» форму, природа образования которой описана еще Я. Б. Фридманом в работе [119]. Протяженность этой области — до 5 мм. Уровень ударной вязкости титановых сплавов в основном определяется именно строением и протяженностью зоны 2 и в меньшей степени зоны 3 (см. рис. 68).

1 В данном случае термин «медленное» носит условный харак­ тер, так как разрушение при ударных нагрузках длится , доли секун­ ды. '

172

Последний этап разрушения наступает в момент не­ стабильности (когда зона 2 достигает определенной длины) и заключается в ускоренном распространении растущей трещины по всем направлениям, а также раз­ делении образца на две части. На этой стадии образуют­ ся зоны 3 и 4\ первая по механизму слияния пустот пос­ редством среза, а вторая по механизму квазиотрыва (с.м рис. 65,6, а, д ) . Квазиотрыв в зоне 4 обусловлен прежде всего резким скачкообразным увеличением скорости дви­ жения трещины (при переходе через точку нестабильнос­ ти). В связи с этим вершина трещины становится острее, а напряжение у вершины увеличивается и концентриру­ ется в узкой зоне. Трещина на этом этапе не чувстви­ тельна к наличию в металле уже готовых дефектов и распространяется по кратчайшему пути без их погло­ щения.

в

ф

Аи=Аз+Ар.т.

Прогиб'

Рис. 69. Сглаженные типичные осциллограммы иагруэка — прогиб при испытании образцов Шарпи с V-образным надрезом из титановых сплавов:

а — х р у п к о е с о с т о я н и е ; 6 — п о л у х р у п к о е с о с то я н и е ; в и г — в язк о е .с о с то я н и е

Последовательность разрушения, составленная по ре­ зультатам микрофрактографического анализа, находится в соответствии с характером диаграмм нагрузка — про­ гиб при ударных испытаниях [120] (рис. 69). Хрупким и полухрупким состояниям соответствуют диаграммы а и 6, а вязким, пластичным — в и г (на рис. 69). Работа разрушения при анализе подобных диаграмм рассматри­ вается как сумма.

(75)

173

«пауза», во время которой формируются дефекты зоны,

где Лдеф — работа образования дефектов.

У термически упрочненных титановых сплавов с удар­ ной вязкостью 2—3 кгс-м/см2 граница между областями 1 и 2 (см. рис. 68) пропадает, а протяженность зоны 2 минимальна (до 1 мм). Как правило, у таких образцов зоны 3 вырождаются, а микроизломы сохраняют прямо­

раз подчеркивает сходство испытаний ударных, образцов с испытаниями образцов для определения вязкости раз­

Взаимосвязь между ат,у и Кс можно выразить формулой

Кс = 1 0 0 а т . у - |- 23,6 кгс/мм’/з.

Особенно эффективно применение фрактографии при анализе разрушения титана под действием охрупчивающих факторов: понижении температуры, наличии ус­ талостных трещин, увеличении габаритов изделий, ско­ рости нагружения и т. д.

Еще большее значение фрактографические исследо­ вания приобретают при проведении современных специ­ альных исследований (например, испытания падающим грузом ИПГ, взрывные нагружения). В частности, ши­ роко распространен метод определения критической тем-

174

Пературы хрупкости по виду излома (КТВИ), а для ма­ лолегированных титановых сплавов — критической кон­ центрации водорода по виду излома (ККВИ).

На рис. 70 приведена такая диаграмма для техни­ ческого титана. Из диаграммы можно легко определить

ний.

При анализе методом фрактографии процессов за­ медленного разрушения образцов с усталостной трещи­ ной из малолегированных титановых сплавов можно вы­ делить четыре этапа разрушения [4].

Первый этап разрушения заключается в реализации микроллаетичеекой деформации во внутренних слоях образца и макропластической деформации непосредст­ венно под надрезом. Элементарные акты пластической деформации во внутренних объемах металла ' приводят к образованию микротрещин по дислокационным меха­ низмам. При этом суммарная повреждаемость рабочего

развитии л слиянии микротрещин до размера 10-3 мм и далее частичной их эволюции в поры. Создание ансамбля дефектов такого размера непосредственно под усталост­ ной трещиной приводит в конце концов к подрастанию ее по механизму «обратного» слияния. До этого момента (порядка 50% времени до окончания разрушения) уста­ лостная трещина не «активна», так как на первых ста­ диях нагружения она «затупилась» за счет релаксации

175

трещины. Зона III -иногда выявляется на изломе ви­ зуально по цвету, что обусловлено ее относительно глад­ кой поверхностью. Третий этап заканчивается в тот мо­

острым надрезом, разрушенных при действии статичес­ ких нагрузок, нормальны «к направлению действия растя­ гивающей нагрузки и, как правило, сравнительно глад­

кие. По результатам фрактографического анализа эти изломы м-ожно разделить на «кратковременные» (раз­ рушение за 100 ч и менее) и «длительные» (время до разрушения порядка 103 ч). Излом при «кратковремеи-. ном» разрушении состоит из трех зон (рис. 72): фокуса излома, зоны «вязкой» медленной трещины и зоны «хрупкой» трещины (зоны долома).

Фокус излома .представляет собой узкую каемку или прилегающий непосредственно к поверхности образца сегмент, образованный по механизму скола или межзеренного разъединения (см. I на рис. 72). Зона «вязкой»

трещины, примыкающая к фокусу на' цилиндрических образцах, имеет вид сплошного или местами разомкнуто­ го кольца с неровными кромками или форму ногтя, вы­ тянутого к центру сечения образца. Чаще всего эта зона

(см. II на рис. 72) имеет ярко выраженное смешанное строение, состоящее из площадок хрупкого разрушения, проходящего по границам зерен, а также из участков с «ямочным» строением, причем поры в этом случае за­ рождаются, развиваются и сливаются на межзеренных поверхностях. Зона долома занимает большую часть из­ лома и состоит из элементов квазиотрыва и участков

межзеренного разрушения (см. III на рис. 72). На изло­ мах «длительного» разрушения удается выделить всего две зоны: зону «вязкой» трещины и зону долома.

173

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

5.Физическое металловедение. Вып. 1, 3. Под ред. Р. Капа, М., «Мир», 1968. 333; 484 с.

180

т.20, № 3, с. 368—372 с ил.

30.«Titanium Science and Technology», New York, «Plenum Press», 1973, v. 1—4.

181