17. Тугоплавкие металлы и их сплавы Вопросы для самопроверки

1. Как ведет себя коэффициент линейного расширения в интервале температур от – 100 до 100⁰С с увеличение содержания никеля?

2. Где применяют сплавы инвар и ковар?

3. Какой механизм определяет свойства "памяти формы"?

4. Какие Вы знаете сплавы с эффектом "памяти формы"?

5. Где используют тугоплавкие металлы?

6. Каковы достоинства и недостатки тугоплавких металлов?

7. Назовите методы защиты молибдена от окисления.

18. Титан и сплавы на его основе 18.1. Титан

        Титан - металл серого цвета. Температура плавления титана (1668±5)⁰С.Титан имеет две аллотропические модификации: до 882⁰С существует -титан ( плотность 4,505 г/см³), который кристаллизуется в ГЦК- решетку с периодами  = 0,2951 нм и с = 0,4684 нм. (с/а = 1,587), а при более высоких температурах  - титан ( при 900⁰С плотность 4,32 г/см³ ), имеющий ОЦК решетку, период которой  = 0,3282 нм. Технический титан изготавливают двух марок: ВТ1-00 ( 99,53 % Ti) и ВТ1-0 (99,46 % Ti).         Азот, углерод, кислород и водород увеличивают твердость и прочность титана, но понижают пластичность, ухудшают свариваемость и снижают сопротивление коррозии (рис. 69). Таблица 47

Механические свойства технического титана ВТ1-00 и ВТ1-0

 , МПа	,%	,%	КСU МДж/м2	-1 , МПа	Е, МПа
300-550	20-25	60-80	 1,0-1,2	160-225	14 *104

        На поверхности титана легко образуется стойкая оксидная пленка, повышающая сопротивление коррозии в морской воде, в некоторых кислотах и других агрессивных средах. Титан устойчив к кавитационной коррозии по напряжением         Технический титан обрабатывается давлением, сваривается дуговой сваркой в атмосфере защитных газов и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Титан поставляется в виде листов, труб, прутиков, проволоки и других полуфабрикатов.

18.2. Сплавы на основе титана

        Сплавы на основе титана получили значительно большее применение, чем технический титан. Легирование титана Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает его прочность _ _), и одновременно снижает пластичность ( ) и вязкость (KCU). Жаропрочность повышают Al, Zr, Mo, а коррозионную стойкость в растворах кислот - Mo, Zr, Nb, Ta и Pd . Титановые сплавы имеют высокую удельную прочность _. Как и в железных сплавах, легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана. Такие элементы, как Al, N,O, повышают температуру полиморфного превращения  и расширяют область  - фазы; их называются  -стабилизаторам. Такие элементы, как Mo, V, Mn, Fe, Cr понижают температуру полиморфного превращения  и расширяют область  - фазы; их называют  - стабилизаторами. (рис. 70).         Некоторые  - стабилизаторы (Cr, Mn, Fe и др.) образуют с титаном интерметаллические соединения Тi_XM_Y. Такие  - стабилизаторы называют эвтектоидообразующие.         В соответствии со структурой различают: - сплавы, имеющую структуру (рис.71а) - твердый раствор легирующих элементов в - титане; основной легирующий элемент в этих сплавах - алюминий, кроме того, они могут содержать нейтральные элементы (Sn, Zr) и небольшое количество  - стабилизаторов (Mo, Mn, Fe, Cr) ;  сплавы (рис. 71б), состоящие из - и - стабилизаторов (Mn, Fe, Cr).         Термическая обработка титановых сплавов. Титановые сплавы в зависимости от их состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению и химико-термической обработке. Чаще титановые сплавы подвергаются отжигу. Отжиг  - сплавов при 800-850⁰С и сплавов  - при 750-800⁰С. Применяется изотермический отжиг - нагрев до 870 - 980⁰С сплава и далее выдержка при 530 - 660⁰С. С повышение количества - стабилизаторов температура отжига снижается. Температура отжига  не должна превышать температуры превращения    ( температуры Ас₃) так как в - области происходит сильный рост зерна, что сильно снижает пластичность. Вязкость разрушения К_1с возрастает при повышении температуры в области  при сохранении высокой пластичности.         Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять отжиг при температуре на 20-30⁰С ниже температуры    превращения.         В последние годы все шире применяют вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению. Склонности к замедленному разрушению и коррозии растрескиванию.         Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке - и  применяют неполный отжиг при 550-650⁰С. С увеличение - стабилизаторов временное сопротивление и предел текучести отожженных сплавов возрастает. При содержании 50% - на 50%  - фаз они достигают наибольшего значения. Далее они могут быть упрочнены закалкой и с последующим старением (отпуском).         При охлаждении со скоростью выше критической (закалка) сплавов , нагретых до области  - фазы , протекает мартенситное превращение в интервале температур М_н-М_к ( рис. 72). Мартенситная  - фаза представляет собой перенасыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в  - титане с гексагональной решеткой.         При высокой концентрации легирующего элемента возникает мартенситная  - фаза с ромбической решеткой и  - фаза с гексагональной структурой, появление которых уменьшает твердость и прочность закаленных сплавов и увеличивает их пластичность. Появление - фазы вызывает уменьшение твердости и прочности закаленных сплавов и увеличение их пластичности ( рис. 73а). Мартенситная - фаза при легировании титана эвтектоидообразующими  - стабилизаторами ( Cr, Mn, Fe, Si и др.) не образуется (рис. 73б).         При высоком содержании  - стабилизаторов после закалки структура состоит из  или  фазы.  - фаза охрупчивает сплав. Во избежании сильного роста зерна закалку проводят от температур, соответствующих области , чаще от 850-950⁰С         При последующем старении закаленных сплавов происходит распад мартенситных   - фаз, а так же метастабильной  - фазы, что немного повышает прочность. Наибольшее упрочнение после закалки и старения получают сплавы с высоким содержанием - стабилизаторов. Упрочняющую термическую обработку для крупных деталей из титановых сплавов применяют редко. Это объясняется малой прокаливаемостью титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К_1с) и короблением деталей.         Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются ХТО (химико-термической обработке). Для повышения износостойкости титан азотируют при 850-950⁰С в течение 30 - 60 ч в атмосфере азота. толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950⁰С в течении 30 ч. 0,05-0,15 мм 750-900HV         Промышленные сплавы титана. Сплавы титана применяют там, где главную роль играет небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии. Таблица 48

Химический состав (по легирующим элементам) и типичные механические свойства некоторых титановых сплавов титана* в отожженном состоянии

Сплав	Содержание элементов (остальное титан), %				Механические свойства				Вид полуфабриката
	Al	V	Mo	Другие элементы	, МПа	, не менее	KCU, МДж/м2 не менее не менее	, МПа, не менее
 - сплавы
ВТ5	5	-	-	-	750-950	10	0,5	-	Отливки, профили, поковки
ВТ5-1	5	-	-	2,5 Sn	800- 1000	10	0,4	400	Листы, профили, трубы
ОТ4*	4	-	-	1,5Mn		11	0,4	420	Листы, полосы, ленты
 - фаза
ВТ6	6	4,5	-		950-1170	8,0	0,4	530	Поковки, листы. трубы
ВТ14	5,5	1,3	3,0		900-1050	10	0,5	400	Поковки, штамповые заготовки
ВТ8	6,5	-	3,5	0,3 Si	1050-1250	11	0,3	530	Тоже
* Псевдосплав ; в его структуре  - фаза  (1- 5) %  фазы

        Титановые сплавы применяются в авиации, ракетной технике, в химическом машиностроении во многих других отраслях народного хозяйства.         Деформируемый сплав ВТ5 хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой сопротивляемостью коррозии, не склонна к водородной хрупкости, Дополнительное легирование сплава оловом улучшает технологические и механические свойства сплава .         Сплавы типа ОТ4 хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, свариваются всеми видами сварки, но склонны к водородной хрупкости.         Наилучшие сочетания достигаются в () сплавах. Сплав ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической обработкой (закалкой от 900-950⁰С и старением при 450-500⁰С) после закалки _ = 1000-1050 МПа, а после старения в течении 2-8 часов _ = 1200-1300 МПа. Отжиг проводится при 750- 800⁰С. Для сварных конструкций применяется сплав ВТ14С, содержащий меньше алюминия (5,5 %)         Сплав ВТ14 рекомендуется применять для изготовления тяжело нагруженных деталей, а так же деталей, длительное время работающих при 400⁰С или кратко временно при 500⁰С. Сплав упрочняется закалкой от 850-880⁰С в воде с последующим старением при 480-500⁰С 12-16 ч . Полный отжиг проводят при 750-800⁰С, а не полный - при 600-650⁰С.         Сплав ВТ8 применяют после изотермического отжига, в результате которого он приобретает высокое сопротивление ползучести и длительную прочность, поэтому он применяется как жаропрочный (до 450-500⁰С). Сплав хорошо сваривается и используется главным образом в виде поковок и штамповых заготовок. Для фасонного литья применяются сплавы ВТ5Л. ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.