.

Високотемпературна втомна міцність титанових сплавів у водних середовищах: Автореф. дис… канд. техн. наук / П.Я. Сидор, НАН України. Фіз.-мех. ін-т

Язык: украинский
Формат: реферат
Тип документа: Word Doc
0 2138
Скачать документ

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

СИДОР
Петро Якимович

УДК 626.194: 621.797: 621.793.7

ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНА втомна мІЦНІСТЬ
ТИТАНОВИХ СПЛАВІВ У ВОДНИХ
СЕРЕДОВИЩАХ

Спеціальність 05.02.01 – матеріалознавство

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Львів – 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Никифорчин Григорій Миколайович, Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів, м. Львів
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Федірко Віктор Миколайович, Фізико-механічний інститут ім.Г.В. Карпенка НАН України, завідувач відділу високотемпературної міцності конструкційних матеріалів, м. Львів, кандидат технічних наук, доцент Гурей Ігор Володимирович, Тернопільський державний технічний університет ім. І. Пулюя, доцент кафедри верстатоінструментальних систем автоматизованого виробництва механіко-технологічного факультету, м. Тернопіль.
Провідна установа: Технологічний університет Поділля, кафедра технології і устаткування відновлення та підвищення зносостійкості деталей машин та конструкцій механічного факультету, м. Хмельницький

Захист відбудеться ” 24 ” березня 1999 р. о 16-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 290601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 290601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

Автореферат розіслано “ 23 ” лютого 1999 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Никифорчин Г.М.
Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Титанові сплави широко використо-
вуються в авіакосмічній, суднобудівній, хімічній, енергетичній
та інших галузях промисловості, коли особливо важливими є
висока питома міцність та корозійна тривкість матеріалу.
Разом з тим необхідним є поєднання підвищених механічних властивостей матеріалів зі тривкістю їх проти корозійно-
механічного руйнування, в тому числі в умовах циклічного навантаження. Для високоміцних титанових сплавів особливо
актуальним є забезпечення високого опору поширенню
тріщини. Звідси при вирішенні проблеми оптимізації їх
структурного стану необхідно комплексно враховувати
характеристики і зародження, і поширення тріщин.
В загальному вважається, що титанові сплави слабо чутливі
до більшості корозійних середовищ в умовах циклічного
навантаження. Разом з тим закономірності опору цих
матеріалів корозійній втомі за підвищених температур вивчені недостатньо, незважаючи на особливі перспективи їх
використання в енергетичному машинобудуванні. Оскільки за
умов тривалої експлуатації в агресивних середовищах можливе наводнювання матеріалів, важливим є врахування і даного
чинника при оцінці їх корозійно-втомної міцності. З іншого
боку відомо, що проблеми корозійно-механічної міцності і
водневої крихкості є особливо гострими стосовно зварних
з’єднань та за наявності концентраторів напружень.
Мета роботи. Встановити основні закономірності втомної та корозійно-втомної міцності ряду титанових сплавів та їх
зварних швів стосовно високотемпературних умов експлуатації енергетичного обладнання в залежності від структурно-
металургійного чинника, типу агресивних середовищ та
наявності концентраторів напружень.
Поставлену мету досягали вирішенням наступних завдань:
1. Дослідити втомну міцність високоміцного сплаву ВТ-8 на
стадіях зародження та поширення тріщин в залежності від
виду горячої деформації заготівок та режимів термічної обробки.
2. Встановити основні закономірності високотемпературної витривалості a-сплавів титану та їх зварних швів в корозійних середовищах різного складу, а також із урахуванням впливу концентраторів напружень.
3. Вияснити особливості впливу попереднього наводнювання
на високотемпературну корозійно-втомну міцність титанових
сплавів і їхніх зварних швів.
Наукова новизна роботи. Виявлено, що рівновісна
дрібнозерниста структура титанового сплаву ВТ-8
характеризується високим опором багатоцикловій втомі, проте
й високою чутливістю до концентраторів напружень і низьким
опором циклічній тріщиностійкості. Встановлено
закономірність пониження висотемпературної корозійно-
втомної міцності a-сплавів титану в розчинах хлоридів із
збільшенням частоти циклічного навантаження за наявності механічного концентратора напружень чи зварних швів.
Показано, що максимальна втрата втомної міцності a-сплавів
титану в водних розчинах лугів діапазону концентрацій 1…10% досягається за 1% NaOH. Встановлено позитивний вплив попереднього наводнювання в малих концентраціях (~ 0,03 мас.
% Н) на корозійно-втомну міцність зварних швів титанових
сплавів.
Практична цінність роботи. Розроблено оригінальні
методики і обладнання для дослідження корозійно-механічної
міцності матеріалів в воді і парі за підвищених температур і
тисків. Побудовано кінетичні діаграми втомного руйнування і
криві витривалості ряду титанових a-сплавів та їх зварних
швів стосовно високотемпературних умов експлуатації
енергетичного обладнання. Видано рекомендації по оптимізації термомеханічної обробки сплаву ВТ-8, які використовуються
при виготовленні деталей авіаційних двигунів. Отримано характеристики витривалості сплавів ПТ-7М, 27, ПТ-3В і їх
зварних з’єднань в залежності від вмісту водню і складу
корозійного середовища, які лягли, як складова частина, в
основу розрахунку надійності та довговічності спеціального енергетичного обладнання.
Особистий внесок автора. Проведено експериментальні дослідження втомної та корозійно-втомної міцності
досліджуваних титанових сплавів та їх зварних швів в
корозійних середовищах різного складу, а також із
урахуванням їх попереднього наводнювання. Проаналізовано
вплив режимів термічної та термомеханічної обробки на
витривалість та циклічну тріщиностійкість високоміцного
сплаву ВТ-8. Виявлено інверсію впливу частоти циклічного навантаження на високотемпературну витривалість сплаву ПТ-
7М в розчинах хлоридів. Встановлено, що найбільш
небезпечними з точки зору втрати високотемпературної
корозійно-втомної витривалості титанових сплавів є розчини із вмістом лугу ~ 1%.
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на III Всес. сем. “Водород в металлах” (Донецьк,
1982), VI Міжн. конгресі “Втома-96” (Берлін, 1996) та на IV
Міжн. конференції-виставці “Проблеми корозії та протикоро-
зійного захисту конструкційних матеріалів” (Львів, 1998).
Публікації. Основний зміст роботи викладено в 6
публікаціях.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі
вступу, 5 розділів, загальних висновків, переліку літературних
джерел (247 найменувань) і додатку. Загальний обсяг становить
176 сторінок друкованого тексту, в тому числі 93 рисунки, 15
таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовані
мета роботи, наукова новизна та її практична цінність.
У першому розділі дано короткий аналіз літературних
джерел із проблеми витривалості титанових сплавів. Особлива
увага приділена їх корозійно-втомній витривалості, а також
впливу наводнювання на механічні та втомні характеристики
цих матеріалів. На базі проведеного аналізу у відповідності з
метою роботи сформульовано завдання дослідження.
У другому розділі дана стисла характеристика
досліджуваних сплавів, викладено експериментальні методики. Випробовували високоміцний сплав ВТ-8 в різних структурно-металургійних станах та ряд відпалених a-сплавів: ПТ-7М, ПТ-
3В та 27 (sВ = 550, 990 та 700 МПа відповідно). Сплав ВТ-8 досліджували після 5-ти різних режимів гарячої деформації і термообробки заготівок (Ж130х210мм): 1 – вільне кування зі
зміною напрямку деформації (Н210ЇН140®Н210) в b-області
при 1050 °С з витримкою при 970 °С протягом 1 год і 2 год при
550 °С, охолодження на повітрі; 2 – осадження (Н210Ї190) в b-
області при 1050 °С, витримка 1 год при 920 °С, охолодження
на повітрі, витримка 2 год при 550 °С, охолодження на повітрі;
3 – осадження (Н210ЇН90) в (a+b)-області від 980 °С, витримка
8 год при 970 °С і 2 год при 550 °С, охолодження на повітрі; 4 – штампування (Ж350х35 мм) в (a+b)-області від 980 °С,
витримка 8 год при 970 °С, охолодження на повітрі, витримка
2 год при 550 °С, охолодження на повітрі; 5 – штампування
(Ж350х35 мм) в (a+b)-області від 980 °С, витримка 8 год при
970 °С, охолодження в печі до 550 °С, витримка 2 год,
охолодження на повітрі.
У випадку випробувань зварних з’єднань метал шва
охоплював робочу частину зразків і був із того матеріалу, що й основний метал.
Опір малоцикловій втомі на повітрі визначали на плоских
зразках симетричним згином частотою 1 Гц. На багатоциклову
втому випробовували циліндричні зразки діаметром 5 мм, навантажуючи чистим круговим згином частотою 50 Гц.
Циклічну тріщиностійкість визначали на компактних зразках
на позацентровий розтяг частотою 15 Гц та асиметрією циклу
0,05. Експерименти на корозійну втому проводили в діапазоні температур 240…250 °С і тиску 4,0 МПа в умовах автоклавних випробувань низькочастотним (0,83 Гц) або високочастотним
(20 Гц) навантаженням циліндричних гладких зразків (Ж4 мм)
та з круговим концентратором напружень. Окремі дослідження
(у розчині NaOH) проведено за тієї ж температури на трубчатих зразках симетричним крученням.
Корозійними середовищами служили дистильована вода та
водні розчини: 3% NaCl, 10% NaCl + 5% MgCl2, 1% NaOH +
21% Na2SO4 + 0,24% NaCl, 3,5% NaOH + 21% Na2SO4 + 0,24%
NaCl і NaOH в діапазоні концентрацій 1…50%. Попередньо наводнювали зразки у герметичних камерах за температури
700 0С, джерелом водню служили гідриди металів.
Третій розділ присвячено витривалості високоміцного сплаву
ВТ-8 в залежності від виду гарячої деформації заготівок і
режимів термічної обробки. Структура заготовки після обробки
1 – дисперсна суміш a- і aў-фаз з майже рівновісним зерном a-
фази. Співвідношення a- і aў-фаз рівне 2, розмір зерна aў-фази
6…16 мкм. Після обробки 2 формується розорієнтована блочна дрібнодисперсна пластинчаста (a+aў)-структура з a-зерном (20–30)ґ(2–4) мкм. Обробка 3 приводить до появи аналогічної, як і
за режимом 1, структури, але із співвідношенням a- і aў- фаз
0,5. Після обробки 4 виникає змішана грубопластинчаста
структура з однонаправленою орієнтацією a-фази всередині
вихідного b-зерна та співвідношенням a/aў=1,3, розміром a-
зерен (9–50)ґ(4–10) мкм. Обробці 5 властива збірна
рекристалізація і зерно помітно росте.
Режим обробки практично не впливає на границю міцності
sв та відносну видовгу d. Проте після обробки 4 дещо
зменшується відносна звуга y, що пов’язано з формуванням грубопластинчастої структури. Ріст зерна під час обробки 5
зумовлює незначне зменшення y і суттєве пониження KCU.
Малоциклова втома гладких зразків не залежить від виду
ґарячої деформації та режимів термооброки. Структурна
чутливість опору сплаву втомному руйнуванню проявляється
при наявності концентратора напружень, а також в
багатоцикловій області. Найслабше опираються малоцикловій
втомі надрізані зразки з рівновісною дрібнозернистою
структурою, причому в усьому діапазоні амплітуд відносної деформації eа. Для решти режимів обробки криві
перетинаються за eа = 0,18%. Максимальний опір втомі при
вищих амплітудах деформації мають зразки, оброблені за
режимом 5, а при нижчих – за режимом 4.
В області обмеженої довговічності вищий опір багатоцикловій
втомі чинять дрібнодисперсні структури, отримані після
деформації в b-області (режими 1, 2), а також крупнозерниста,
яка утворюється в результаті збірної рекристалізації після

Рис. 1. Криві втоми гладких (а) і надрізаних (б) зразків сплаву ВТ-8: позначення кривих відповідають номерам режимів обробки.

деформування в (a+b)-області. Максимальне значення s-1 має матеріал рівновісної дрібнозернистої структури (рис. 1а).
Перехід до пластинчастих структур неухильно зменшує
границю витривалості. Щодо розміру зерна, то і для
рівновісних, і пластинчастих структур з його збільшенням понижується s-1. Крім того, для грубозернистої структури
(режим 5) відсутня горизонтальна ділянка на кривій втоми,
тобто на базі 2Ч107 циклів немає фізичної границі витривалості.
Виявлено різну чутливість різних структур до концентрації напружень (рис. 1б). Відповідне співвідношення s-1 надрізаних і гладких зразків після обробок 1–4 таке: 0,3; 0,45; 0,26; 0,33.
Значення s-1 надрізаних зразків дрібнозернистих пластин-
частих структур зі співмірними за розмірами рівновісними
зернами вищі порівняно з грубозернистими. Зменшення
розміру зерна позитивно впливає на опір багатоцикловій втомі
й надрізаних зразків незалежно від режимів гарячої деформації
і термообробки.
Для кінетичних діаграм втомного руйнування сплаву ВТ-8 характерна наявність двох прямолінійних ділянок.
Максимальну циклічну в’язкість руйнування DKfc має сплав пластинчастої структури, деформований в b-області. Пороговий розмах коефіцієнта інтенсивності напружень DKth
практично однаковий для пластинчастих структур, отриманих
після деформування в b- (режим 2) і (a+b)-областях (режим 4). Рівновісні структури сплавів, деформованих в b-області, мають суттєво менші значення DKth, ніж деформованих в (a+b)-області
(криві 1, 3, 5). До того ж DKth зростає зі збільшенням зерна.
Рівновісна структура з переважанням (a+aў)-фази має вище
значення DKth проти структури, де переважає a-фаза. Зі зміною розмірів зерна в рівновісних структурах характеристики DKth і
s-1с змінюються у протилежних напрямах. Різний характер
структурної чутливості параметрів DKfc i DKth вказує на
необхідність диференційованого підходу до структурної
оптимізації титанового сплаву в залежності від режиму (мало-
чи багатоциклового) навантаження.
У четвертому розділі викладено результати досліджень високотемпературної корозійно-втомної міцності сплавів ПТ-
7М, ПТ-3В і 27 та їх зварних швів в середовищах різного складу.
В загальному розчини хлоридів (3% NaCl, 10% NaCl + 5%
MgCl2) менш агресивні за дистильовану воду та лужні розчини сульфатів (1% NaOH + 21% Na2SO4 + 0,24% NaCl; 3,5% NaOH
+ 21% Na2SO4 + 0,24% NaCl). Корозійно-втомна міцність у
розчинах хлоридів лише незначно поступається витривалості на повітрі при тій же температурі. Суттєве підвищення їх
концентрації лиш незначно знижує опір сплавів корозійній
втомі у всьому досліджуваному діапазоні. Стосовно опору
корозійній втомі сплаву ПТ-7М виявлено загальну
закономірність: для середовищ, більш агресивних в області
менших довговічностей, характерні більш високі значення
умовної границі витривалості s-1с. Аналіз корозійно-втомної
міцності титанових сплавів в залежності від їх міцності (від
340 до 760 MПa для температури випробувань) свідчить, що
границя витривалості прямопропорційна границі міцності. Така залежність властива випробуванням як в розчинах хлоридів,
так і в високоагресивних лужних розчинах. Це вказує, що високотемпературна корозійно-втомна міцність досліджуваних титанових сплавів визначається як фізико-хімічними
властивостями поверхневих плівок, так і механічними

Рис. 2. Криві корозійно-втомної витривалості зразків з
концентраторами сплаву ПТ-7М для високочастотного (а) та
низькочастотного (б) навантаження у 3%-ному розчині NaCl (1) та 3,5%
NaCl + 5% MgCl2 (2) та 3,5% NaOH + 21% Na2SO4 + 0,24% NaCl (3) та дистильованій воді (4).

характеристиками сплавів. Корозійна втома зразків з
концентраторами напружень має свої особливості. По-перше,
вплив складу корозійних середовищ нівелюється, особливо в
області великих довговічностей як за високо-, так і
низькочастотного навантаження. По-друге, виявлено інверсію
впливу частоти навантаження (рис. 2). Збільшення частоти навантаження гладких зразків зсуває їх криву корозійної
втоми в область більших довговічностей, що відповідає
усталеним поняттям про вплив частоти циклічного
навантаження на опір корозійно-втомному руйнуванню конструкційних матеріалів. Збільшення частоти навантаження
зразків з концентраторами знижує опір корозійній втомі
сплаву.
Незалежно від марки сплаву і складу корозійного
середовища матеріал зварних швів суттєво уступає основному
металу по опору корозійній втомі і за низько-, і особливо за високочастотного навантаження (рис. 3). При дослідженні
гладких зразків із зварним швом спотерігається фактично та ж закономірність ефекту частоти, яка раніше була зазначена для
зразків із концентраторами напружень: для основного металу
більшій частоті навантаження відповідає вищий опір втомі
(рис. 3а, криві 1, 7), тоді як для матеріалу зварного шва –
навпаки, опір високочастотному навантаженню нижчий (крива
6), ніж високочастотному (крива 8).
Таким чином, в умовах корозійної втоми титанового сплаву
ПТ-7М матеріал зварного шва поводить себе подібно основному металу за наявності механічного концентратора напружень. З
цієї точки зору логічно, що при випробуваннях зварного шва
даного сплаву не було виявлено ефекту концентратора
напружень: криві корозійної втоми гладкого і надрізаного
зразків практично наклалися.

Рис.3. Криві корозійно-втомної витривалості осно-вного металу (1, 3, 5, 7, 9, 11) та металу зварного шва (2, 4, 6, 8, 10, 12) сплавів ПТ-7М (а), ПТ-3В (б, криві 9, 10) та 27 (б, криві 11, 12) для високо- (1-6) та низькочастотного (7, 8) навантаження у 3%-ному розчині NaCl (1, 2, 7, 8), 10% NaCl + 5% MgCl2 (3 4); 1% NaOH+ 21% Na2SO4 + 0,24% NaCl (5, 6), 3,5% NaOH+21%Na2SO4 + 0,24% NaCl (9-12).

Проведено дослідження впливу концентрації NaOH в дистильованій воді в діапазоні 1…50% на опір малоцикловій
втомі сплавів ПТ-7М та ПТ-3В в двох станах: вихідному та
після термічної обробки, яка полягала у 2-х годинній витримці
зразків за температури 675 0С з метою створення на поверхні
захисної антикорозійної плівки. Для всіх середовищ рівень прикладених напружень був одинаковим і відповідав
малоцикловій області навантаження.
Виявлено також суттєво нижчу довговічність термічно
оброблених зразків порівняно із зразками у вихідному стані,
що зумовлено розміцненням матеріалу в процесі термічної
обробки. Kонцентраційні залежності довговічності зразків
обидвох сплавів вказують на загальну закономірність: добавка в дистильовану воду 1% NaOH спричиняє найнижчу
довговічність, в першу чергу для термічно необроблених
зразків. Збільшення концентрації лугу до 3,5% у всіх випадках
привело до деякого підвищення довговічності, однак подальше збільшення концентрації NaOH до 10% знову міняє характер концентраційної залежності в бік зниження опору руйнуванню. Приведені данні дають підставу твердити, що принаймі в
діапазоні 1…10% NaOH концентрація лугу біля 1% є найбільш небезпечною з точки зору впливу корозійного середовища на малоциклову втому в умовах високотемпературного
навантаження.
У п’ятому розділі роботи подано результати досліджень
впливу попереднього наводнювання a-сплавів титану на їх високотемпературну корозійну втому в умовах автоклавних випробовувань.
Попереднє наводнювання зразків по різному міняє
агресивність корозійних середовищ в залежності від їх складу,
а також від виду сплаву і концентрації водню (рис. 4, 5). За
низької його концентрації (С ~ 0,035 мас% Н) або посилює агресивність у всьому діапазоні довговічностей (хлориди – ПТ-
7М, сульфати з вмістом 1% NaOH – ПТ-7М, сульфати з вмістом
3,5% NaOH – ПТ-3В), або послаблює (хлориди – сплав 27,
сульфати з вмістом 3,5% NaOH – ПТ-7М). Можливе також
посилення агресивності в області малих довговічностей та
підвищення s-1с (дистильована вода – ПТ-7М). За більш високої концентрації водню (С ~ 0,05…0,06 мас% Н) спостерігається і зворотній ефект (сульфати з вмістом 3,5% NaOH – ПТ-3В).
Стосовно сплаву ПТ-7М в розчинах хлоридів, то
наводнювання до приведених коцентрацій в основному
загострює проблему його високотемпературної корозійно-
Рис. 4. Корозійно-втомна витривалість сплаву ПТ-7М у 3%- му розчині NaCl (1, 1ў), 10% NaCl + 5% MgCl2 (2, 2ў), 1% NaOH + 21% Na2SO4 + 0,24 %NaCl (3, 3ў), 3,5% NaOH + 21% Na2SO4 + 0,24% NaCl (4, 4ў), дистильованій воді (5, 5ў) та на повітрі (6) для нена-воднених (1-6) та наводнених до кон-центрацій 0,03% (3ў), 0,035% (1ў, 2ў, 4ў) та 0,05% (5ў).

втомної міцності. Якщо ненаводнений сплав можна вважати
імунним до розчинів хлоридів, то враховуючи попереднє наводнювання, цього вже не можна стверджувати (наприклад,
s-1с для 3%-ного розчину NaCl становить 215 МПа (крива 1)
проти 290 МПа (крива 6) за випробувань на повітрі). На
відміну від негативного впливу наводнювання сплаву ПТ-7М корозійно-втомна міцность сплаву 27 підвищується.
Позитивний вплив зростає із збільшенням інтенсивності наводнювання і якщо різниця в s-1с для обидвох сплавів у
вихідному стані складала всього 20 МПа, то після
наводнювання до 0,03…0,35%- вже 105 МПа. Це вказує на
переваги сплаву 27 стосовно багатоциклової корозійної втоми у високотемпературному середовищі хлоридів за умови
можливого наводнювання металу.
Порівняльна оцінка досліджуваних сплавів стосовно одного
із лужних розчинів сульфатів (рис. 5) показала, що відзначений
раніше для сплаву ПТ-7М сильний позитивний вплив
попереднього наводнювання до С = 0,03% (криві 1, 2) дещо зменшується при збільшенні концентрації до 0,05% (крива 3).
Дальша інтенсифікація наводнювання до С = 0,07%

Рис. 5. Корозій- но-втомна витрива- лість сплавів ПТ-7М (1-4), ПТ-3В (5-8) та 27 (9-11) в розчині 3,5% NaOH + 21% Na2SO4 + 0,24% NaCl для ненаводнених (1, 5, 9) та попередньо наводнених до кон-центрації 0,03% (2, 6, 10), 0,05% (3, 7), 0,06% (8) та 0,07% (4, 11).

(крива 4) міняє його вплив з позитивного на негативний
практично для всього діапазону довговічностей. Сплаву ПТ-3В властиві свої особливості (криві 5-8). Наводнювання до
найменшої концентрації 0,03% (криві 5, 6) дещо знижує
його витривалість у всьому діапазоні довговічностей. Проте збільшення С до 0,05…0,06% виявляє інверсію його впливу
(криві 7, 8): за високих навантажень криві зсуваються вправо, вказуючи на підвищення опору руйнуванню, тоді як за низьких
– вліво, що свідчить про зниження умовної границі
витривалості. Це спричинило високу крутизну кривих
витривалості максимально наводнених зразків, що є
принципово відмінним порівняно із відповідними кривими для
сплаву ПТ-7М. Наводнювання сплаву 27 однозначно підвищує
його витривалість (криві 9-11), за вищого його ступеня
більшим є позитивний ефект. Так, границя s-1с збільшується з
125 МПа для вихідного стану до 230 МПа для сплаву із
концентрацією водню 0,07%. Таким чином, для даної системи
метал-середовище водень, принаймі до концентрації 0,07%,
слід розглядати як високоефективний легуючий елемент, який зумовлює суттєве підвищення високотемпературної корозійно-
втомної міцності.
Стосовно надрізаних зразків наводнювання негативно
впливає і на обмежену довговічність, і на s-1с (виняток складає
сплав ПТ-7М з С = 0,03%, для якого обробка підвищує s-1с
всього на 10 МПа). Різний характер впливу наводнювання на корозійно-втомну міцність гладких та надрізаних зразків
зумовив разючо велику різницю в їх витривалості. Наприклад,
s-1с ненаводнених гладкого і надрізаного зразків складає
відповідно 125 і 85 МПа, а наводнених до С = 0,03% – 220 і 45
МПа. Це вказує на особливу небезпеку втрати конструкційної
міцності наводнених титанових сплавів в умовах корозійно-
циклічного навантаження за наявності концентраторів
напружень.
Наводнювання підвищує опір руйнуванню зварних швів
сплаву ПТ-7М в розчинах хлоридів, найбільше за найменшої концентрації С = 0,02%. Тоді витривалість зварних швів
наближається до рівня, властивого ненаводненому основному
металу (див. рис. 4). Оскільки для основного металу
наводнювання знижує показники втомної міцності,
спостерігається різний характер його впливу на основний метал
і зварний шов.
Аналогічно впливає наводнювання на витривалість зварних
швів сплаву ПТ-7М і у випадку більш агресивних лужних
середовищ. Відзначимо проте негативний вплив обробки до С =
0,05% на обмежену довговічність зварних швів у розчині із
3,5% NaOH. Це відповідає загальній тенденції зниження
позитивного впливу водню із ростом його концентрації аж до
зміни характеру впливу на негативний. Для зварних швів
сплавів ПТ-3В та 27 зберігаються властиві для сплаву ПТ-7М
основні закономірності ефекту наводнювання. Зате
спостерігаються і деякі відмінності порівняно із характером та інтенсивністю впливу наводнювання на поведінку основного
металу цих сплавів. Так, якщо наводнювання основного металу
сплаву 27 до С = 0,03% підвищує s-1с з 125 до 220 МПа (див.
рис. 2), то у випадку зварного шва тільки з 65 до 85 МПа. Наводнювання зварних швів сплаву ПТ-3В до С = 0,03%
підвищує, а до С = 0,05% – знижує опір втомі у всьому
діапазоні довговічностей. Основному металу цього сплаву
властивий різний характер впливу наводнювання на обмежену довговічність і умовну границю витривалості (див. рис. 2).
Звідси порівняння основного металу і металу зварного шва, наприклад, за показником s-1с, дають відповідно такі
результати: для вихідного стану – 170 і 165 МПа, для
наводненого до С = 0,03% – 145 і 195 МПа і для наводненого до
С = 0,05%- 120 і 105 МПа. Таким чином, для цієї системи
сплав-середовище на відміну від інших розглянутих систем не
існує особливої проблеми зниження s-1с зварного шва. Навпаки,
за порівняно незначного наводнювання (С = 0,03%) умовна
границя витривалості зварного шва суттєво вища, ніж
основного металу.
Звідси, наявність в конструкціях із титанових сплавів
зварних швів в умовах можливого наводнювання, на відміну
від концентраторів напружень, не слід розглядати як фактор додаткового ризику корозійно-механічного руйнування.

ВИСНОВКИ

1. Зміною виду гарячої деформації та режимів термообробки сплаву ВТ-8 можна суттєво впливати на його втомну міцність. Максимальний опір багатоцикловій втомі властивий сплаву із рівновісною дрібнозернистою структурою, (кування в b-області
за 1050 °С), перехід до пластинчастих структур (осадження в b-
області за 1050 °С) зменшує границю витривалості. Разом з тим сплави із рівновісною структурою є найбільш чутливі до концентраторів напружень і відзначаються найнижчим опором циклічній тріщиностійкості.
2. Високотемпературна витривалість a-сплавів титану не
виявляє в умовах високочастотного навантаження значної
чутливості до дії розчинів хлоридів, зате суттєво знижується в
лужних розчинах сульфатів. За наявності концентраторів
напружень витривалість зразків (сплав ПТ-7М) не залежить від
складу корозійного середовища.
3. Виявлено інверсію впливу частоти циклічного
навантаження на високотемпературну витривалість сплаву ПТ-
7М в розчинах хлоридів: збільшеня частоти підвищує
довговічність гладких зразків і понижує довговічність зразків
із концентраторами. Зазначена закономірність ефекту частоти стосовно зразків із концентраторами властива також гладким
зразкам матеріалу зварних швів.
4. Термічна обробка за температури 675 0С з метою
створення на поверхні антикорозійної плівки не виявляє
позитивного впливу на високотемпературну витривалість
сплавів ПТ-7М і ПТ-3В в розчинах лугів концентрації 1…10%. Найбільш небезпечними з точки зору втрати втомної міцності
цих сплавів є розчини із вмістом NaOH ~ 1%.
5. Попереднє наводнювання неоднозначно впливає на
корозійно-втомну міцність титанових сплавів: стосовно сплаву
ПТ-7М понижує його витривалість, сплаву 27 – підвищує, а
сплаву ПТ-3В – понижує опір руйнуванню за низьких і
підвищує за високих навантажень.
6. Наявність механічних концентраторів є важливим
чинником негативного впливу наводнювання на корозійно-
втомну міцність титанових сплавів.
7. Помірковане наводнювання (до 0,03 мас % Н) підвищує корозійно-втомну міцність зварних швів титанових a-сплавів у
всіх досліджуваних середовищах.

Список опублікованих праць

1. Исследование сопротивления коррозионно-усталостному разрушению сварных наводороженных a-сплавов титана / Ю.И.
Бабей, В.И. Сыщиков, Г.И. Иванюхина, П.Я. Сыдор // Тез.
докл. III Всес. сем. “Водород в металлах”. -Донецк. – 1982. – С.
114.
2. Сопротивление коррозионно-усталостному разрушению наводороженных a-сплавов титана / В.И. Сыщиков, П.Я.
Сыдор, Ю.И. Бабей, Г.И. Иванюхина, М.Д. Клапкив, // Физ.-
хим. механика материалов. – 1984. – №5. – С. 117 – 118.
3. Nykyforchyn H.M., Klapkiv M.D., Sydor P.Ya. Influence of
titanium alloy treatment regime on its fatigue characteristics /
Proc. of the Sixth Intern. Fatigue Congress “Fatigue-96”. –
Berlin, Pergamon. – 1996. – v.II. – P. 929 – 934.
4. Сидор П.Я. Вплив гарячого деформування та
термообробки сплаву ВТ-8 на його витривалість / Фіз.-хім.
механіка матеріалів. – 1996. – №5. – С. 71 – 76.
5. Сидор П.Я., Цирульник О.Т., Посувайло В.М. Високотемпературна корозійна втома псевдо a-титанових
сплавів / Зб. “Проблеми корозії і протикорозійного захисту конструкційних матеріалів”. – Львів, Фізико-механічний
інститут НАН України. – 1998. – С. 137 – 140.
6. Вплив наводнювання на високотемпературну корозійну
втому сплавів a-титану / Г.М. Никифорчин, П.Я. Сидор, О.Т. Цирульник, М.Д. Клапків // Фіз.-хім. механіка матеріалів. –
1998. – №3. – С. 84 – 90.

АНОТАЦІЯ

Сидор П.Я. Високотемпературна втомна міцність титанових
сплавів у водних середовищах. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата
технічних наук за спеціальністю 05.02.01 – матеріалознавство.-
Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України,
Львів, 1999.
Досліджено втомну міцність високоміцного сплаву ВТ-8 на
стадіях зародження та поширення тріщин в залежності від
виду гарячої деформації заготівок та режимів термічної
обробки. Встановлено основні закономірності високотемпера-
турної витривалості сплавів ПТ-7М, ПТ-3В, 27 та їх зварних
швів у воді, водних розчинах хлоридів, сульфатів та NaOH.
Виявлено інверсію впливу частоти циклічного навантаження на витривалість гладких зразків та зразків із механічними концентраторами. Показано різний характер впливу
попереднього наводнювання на корозійно-втомну міцність
титанових сплавів в залежності від їх хімічного складу, складу середовища, наявності концентраторів і зварних швів.
Ключові слова: титанові сплави, структурна чутливість,
корозійно-втомна міцність, концентратори напружень,
автоклавні випробування.
АННОТАЦИЯ

Сыдор П.Я. Высокотемпературная усталостная прочность титановых сплавов в водных середах. – Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата
технических наук по специальности 05.02.01 – материало-
ведение.- Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко
НАН Украины, Львов, 1999.
Цель диссертационной работы – установить основные законо-мерности усталостной и коррозионно-усталостной прочности
ряда титановых сплавов (ВТ-8, ПТ-7М, 27, ПТ-3В) и их
сварных швов применительно к высокотемпературным
условиям эксплуатации энергетического оборудования в
зависимости от структурно-металлургического состояния, типа агресивных сред и наличия концентраторов напряжений.
Сплав ВТ-8 исследован после пяти различных режимов
гарячей деформации и термообработки заготовок.
Установленно, что режимы обработки несущественно влияют на свойства прочности и пластичности при растяжении, а также на сопротивление малоцикловой усталости гладких образцов. Структурная чувствительность сплава к усталостному
разрушению проявляется при наличии концентраторов
напряжений, а также в многоцикловой области нагружения. В последнем случае максимальное сопротивление разрушению свойственно сплаву с равноосной мелкозернистой структурой
(ковка в b-области при 1050 оС), переход к пластинчастым
структурам (осаждение в b-области при 1050 оС) уменьшает
границу выносливости. Вместе с тем сплавы с равноосной
структурой являются наиболее чувствительными к
концентраторам напряжений и отличаются минимальным сопротивлением циклической трещиностойкости.
Эксперименты на коррозинную усталость проведены на
сплавах ПТ-7М, 27 и ПТ-3В в диапазоне температур 240…250
оС и давлений 4,0 МПа в условиях автоклавных испытаний низкочастотным (0,83 Гц) и высокочастотным нагружением (20
Гц) цилиндрических гладких образцов и образцов с круговым концентратором напряжений. Коррозионными средами
служили дистилированная вода и водные растворы хлоридов и сульфатов, а также NaOH в диапазоне концентраций 1…50%. Предварительное наводораживание образцов осуществляли при
700 оС, источником водорода служили гидриды металлов.
Высокотемпературная выносливость титановых сплавов не обнаруживает в условиях высокочастотного нагружения
существенной чувствительности к воздействию растворов
хлоридов, однако заметно снижается в щелочных растворах сульфатов. При наличии концентраторов напряжений
выносливость сплава ПТ-7М не зависит от состава
коррозионных сред. Установлено инверсию влияния частоты циклического нагружения на высокотемпературную
выносливость сплава ПТ-7М в растворах хлоридов: увеличение частоты увеличивает долговечность гладких образцов и снижает долговечность образцов с концентраторами. Указанная закономерность эфекта частоты применительно к образцам с концентраторами свойственна также гладким образцам
материала сварных швов, т.е. в условиях коррозионной
усталости данного сплава материал сварного шва ведет себя
подобно основному металлу при наличии механического концентратора напряжений.
Исследования влияния концентрации NaOH на сопротивление высокотемпературной малоцикловой усталости сплавов ПТ-7М
и ПТ-3В показали, что в диапазоне 1…10% конецентрация
щелочи около 1% в наибольшей степени снижает усталостную прочность сплавов.
Предварительное наводораживание неоднозначно влияет на коррозионную выносливость титановых сплавов: примени-
тельно к сплаву ПТ-7М понижает его выностливость, сплаву 27
– повышает, а сплаву ПТ-3В – понижает сопротивление
разрушению при низких и повышает его при высоких
нагрузках. Наличие механических концентраторов является
важным фактором отрицательного влияния наводораживания
на коррозионно-усталостную прочность титановых сплавов.
Вместе с тем умеренное (до 0,03 мас.% Н) наводораживание
повышает сопротивление разрушению сварных швов во всех исследованных средах.
Ключевые слова: титановые сплавы, структурная чувствительность, коррозионно-усталостная прочность, концентраторы напряжений, автоклавные испытания.

ABSTRACT

Sydor P. Ya. The fatigue strength of titanium alloys in aqueous environments under high temperature. – Manuscript.
Thesis for degree of Kandidat of Sciences (Engineering) in speciality 05.02.01 – material sciences. Karpenko Physico-Mechanical Institute of National Academy of Sciences of Ukraine, Lviv, 1999.
The fatigue strength of high strength BT-8 alloy is studied for the stages of crack nucleation and crack propagation depending on the hot forming and heat treatment regimes. The main dependencies for high temperature durability of ПТ-7М, ПТ-3В, 27 alloys and their weld joints, operated in water, aqueous solutions of chlorides, sulfates and NaOH, are clarified. The inversion of the effect of frequency of cyclic loading on durability of smooth specimens and mechanically notched ones is found. Different character of the preceding hydrogenation on the corrosion-fatigue strength of titanium alloys, depending
on their chemical compound, environment compound and presence of notches or welded joints in structural elements, is shown.
Key words: titanium alloys, structural sensitivity, corrosion-fatigue strength, stress concentrators, autoclave testing.

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Похожие документы
Обсуждение

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Заказать реферат!
UkrReferat.com. Всі права захищені. 2000-2020