Механические и технологические свойства титана и его сплавов

Механические свойства титана сильно зависят от примесей атмосферных газов - кислорода и азота, с которыми он образует сплавы типа твердых растворов внедрения. Наиболее важное практическое значение имеет примесь кислорода, по содержанию которого определяется сорт технического титана; поведение кислорода в титановых сплавах можно сравнить с поведением углерода в сталях.

Наиболее сильное упрочняющее действие на титан оказывают азот, затем кислород и углерод. В пределах, допускаемых техническими условиями на содержание этих примесей (<0,05% N₂, <0,25% О₂ и <0,05% С), их действие можно считать аддитивным. Влияние 0,01% N₂ эквивалентно 0,02% 0₂ или 0,03% С.

Механические свойства титана

Предел прочности, МПа.........................................................................................  256

Относительное удлинение, %...................................................... ..........................  72

Модуль нормальной упругости, ГПа....................................................................       106

 С увеличением крупности зерна предел текучести (σ_0,2) и временное сопротивление разрыву (σ_в) снижаются, причем это проявляется тем заметнее, чем выше содержание примесей кислорода и азота или их суммы. Характеристики пластичности мало зависят от величины зерна.

Высокочистый титан не имеет четко выраженного физического предела текучести, технический титан, содержащий 0,1-0,3% 0₂; 0,1-0,3% Fe, с мелкозернистой структурой (<20 мкм) напротив имеет четко выраженный физический предел текучести. При содержании в электролитическом металле, %: 0₂ - 0,021; N₂ - 0,004%; С - 0,015; Fe<0,005; Al<0,04 предел текучести — 105 МПа, временное сопротивление разрыву — 234 МПа, относительное удлинение δ — 55%.

Упрочняющее действие примеси кислорода проявляется примерно до температуры 350-400°С, а затем свойства нивелируются. Поэтому кислород не может считаться полезной добавкой для повышения жаропрочности.

Титан — нехладноломкий металл и это определяет перспективность его применения при низких температурах. В табл. 1 приведены механические свойства отожженного кованого титана с различной величиной кислородного эквивалента (К) при комнатной и низких температурах, а также склонность к хладноломкости Кχ = σ_в (°С) /σ_в (20°С) и чувствительность к надрезу К_н = σ_в (с надрезом)/σ_в (без надреза).

При понижении температуры увеличиваются временное сопротивление разрыву и относительное удлинение, причем тем больше, чем меньше содержание примесей элементов внедрения, учитываемых кислородным эквивалентом. У наиболее чистого от примесей титана при температуре -196°С временное сопротивление разрыву вдвое выше, чем при 20°С, а относительное удлинение - в полтора раза. При величине кислородного эквивалента порядка 0,2 - 0,3% (технический титан) пластичность при температуре 20 и -196°С примерно одинакова. До температуры -196°С титан не чувствителен к надрезу. При температуре -268°С пластичность снижается, но остается достаточно высокой для использования титана в качестве конструкционного материала.

Неприятная особенность титана — ползучесть при комнатной температуре при длительном воздействии напряжений около 50% от предела текучести, а для титана повышенной чистоты — даже и при более низких напряжениях.

В зависимости от температуры сопротивление ползучести изменяется по-разному. В интервале температур 20-150°С наблюдается сильная зависимость предела текучести от продолжительности действия напряжения. При температуре 200-300°С эта зависимость почти исчезает, при дальнейшем повышении температуры появляется снова. При температуре 200-300°С отмечается пониженная скорость ползучести, особенно технического титана. В этом случае уже небольшое понижение напряжения очень сильно сокращает срок службы его. Например, технический титан σ_в= 600 МПа разрушается через 10 ч при напряжении 225 МПа. При снижении напряжения до 210 МПа образцы после начальной вытяжки 10% не изменяют длины в течение 500 часов.

Сопротивление усталости может колебаться в довольно широких пределах (0,45-0,85 σ_в) в зависимости от содержания примесей элементов внедрения, состояния поверхности образцов, режима термической обработки и др. Технический титан имеет более высокое сопротивление усталости, чем титан высокой степени чистоты. Оказывает влияние и метод испытания, например, при испытании методом растяжения-сжатия долговечность меньше, чем при методе изгиба-вращения. При высоких частотах может влиять нагрев образца, обусловленный низкой теплопроводностью титана.