Твердость титана и стали

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 ( N 2, 2 и N 2 эквивалентно 0,02% 0 2 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 ( 2 – 0,021; N 2 – 0,004%; С – 0,015; Fe Al 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 К χ = σ в (°С) / σ в (20°С) и чувствительность к надрезу Кн = σ в (с надрезом)/ σ в (без надреза).

Табл. 1 . Механические свойства отожженного кованого титана при низких температурах (отжиг при температуре 650°С, охлаждение на воздухе)

Предел текучести σ0,2, Мпа

Временное сопротивление σb, МПа

Относительное удлинение δ, %

Относительное сужение ψ, %

480(474)

600(592)

600(628)

720(766)

820(956)

970(1070)

Значение в скобках – по данным Христиана, остальные – по данным Круппа.

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.

Читайте также:  Как работает нивелир оптический

Очень популярный вопрос, который мучает многих: «Какие клапана купить: стальные или титановые». В этой статье мы постараемся помочь вам определиться с выбором.

В чем же отличия титановых и стальных клапанов, и почему нет победителя в общем зачете?

Масса клапана.

Первое отличие, которое бросается в глаза – это масса клапана. Титановый клапан при одинаковых размерах значительно легче свое стального брата. Пружина быстрее закроет клапан, масса которого меньше, по этому, чем меньше вес клапана, тем выше можно поднять планку максимальных оборотов с меньшим риском догнать клапан поршнем. При этом снижается нагрузка на ГРМ в целом, это дает некоторую прибавку к мощности за счет небольшого увеличения КПД. Например: практически на всех современных кроссовых мотоциклах и мотоциклах для кольцевых гонок используется титановые клапана.

Стальные клапана при том же размере имеют больший вес, поэтому с ними используются более жесткие пружины. При недостаточной жесткости пружин растет вероятность удара клапанов поршнем при работе двигателя на высоких оборотах. Жесткость пружин и больший вес клапанов создают повышенную нагрузку на ГРМ. Даже на маленьких двигателях кроссовых мотоциклов с объемом 125куб.см. со стальными клапанами используются достаточно жесткие, и даже двойные пружины.

Износостойкость.

Титановые сплавы сильно уступают стали, когда речь идет об износостойкости. Плохие антифрикционные свойства титана обусловлены налипанием титана на многие материалы и его взаимодействием с азотом и водородом при высоких температурах, из-за которых верхний слой становится хрупким и выкрашивается в процессе эксплуатации.

Для улучшения антифрикционных свойств, повышения износостойкости и защиты от внешней среды титановые клапана покрывают защитными покрытиями различных типов. Толщина таких покрытий, в зависимости от типа, варьируется от нескольких тысячных до сотых миллиметра. Это делает невозможным притирку клапана к седлу с целью герметизации камеры сгорания, т.к. во время притирки неизбежно будет повреждено защитное покрытие, и клапан быстро «провалится» в седло. Поэтому при установке титановых клапанов предъявляются повышенные требования к форме, чистоте фасок на седлах и их соосности относительно направляющей втулки.

Износостойкость и антифрикционные свойства стали на порядок выше, чем у титана, но значительно ниже, чем у защитных покрытий, которыми покрыт титановый клапан. При этом износостойкость фаски стального клапана сохраняется по всей толщине тарелки, а фаска титанового клапана сохраняет свои свойства и параметры ровно до тех пор, пока держится защитное покрытие.

Теплопроводность, коэффициент расширения и тепловой зазор

Теплопроводность и стойкость к высоким температурам у титановых сплавов ниже, чем у жаропрочных сталей. Охлаждение тарелки клапана играет еще более важную роль при использовании титановых клапанов. Именно по этому с титановыми клапанами рекомендуется использовать бронзовые седла клапанов, которые лучше отводят тепло от горячей тарелки клапана.

Коэффициент расширения титана намного меньше чем у стали. При использовании титановых клапанов допускается меньший тепловой зазор между направляющей втулкой и клапаном, чем при использовании стальных клапанов. Это положительно сказывается на точности посадки клапана в седло, что увеличивает ресурс пары седло-клапан.

Стоимость клапана и ремонта

В среднем титановые клапана дороже стальных. Во первых, потому что титан гораздо дороже в производстве чем сталь. Во вторых при производстве титановых клапанов необходимы дополнительные этапы производства (нанесение покрытий). И наконец- маркетинг.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения на весь дом

Хотя порой можно встретить стальные клапана стоимость которых соизмерима с титановыми. Чаще такая картина наблюдается с оригинальными запчастями, где основной процент от стоимости занимает маркетинг.

В случае повреждения фаски, восстановление стального клапана обойдется в 3-4 раза дешевле, чем титанового.

Ресурс

Очень много слухов про капризность и не большой ресурс титановых клапанов. Также часто можно услышать про то, что титановые клапана часто "обрывает". На самом деле обрывает и стальные и титановые клапана одинаково часто, но одинаково предсказуемо на кривых седлах. Об этом явлении более подробно мы рассказывали в статье "Срок службы клапанов".

"Обрыв" титанового клапана Yamaha Phazer 500 и "обрыв" стального клапана KTM EXC 450

Из-за тонкого защитного покрытия титановые клапана действительно более капризны, чем стальные, особенно при небрежном отношении и неквалифицированном обслуживании. Но, по опыту, и стальные и титановые клапана при должном внимании и обслуживании служат одинаково долго.

За время работы нам приходилось видеть «убитые» клапана при небольших пробегах, как на стальных, так и на титановых комплектах.

Итоги и рекомендации.

В большинстве случаев мы рекомендуем своим клиентам использовать оригинальные клапана и пружины, особенно если техника используется по прямому назначению.

Стальные клапана имеет смысл менять на титановые в случаях если:

– двигатель регулярно эксплуатируется на повышенных оборотах

-планируется модернизация двигателя с целью увеличения мощности

-производится регулярное качественное обслуживание техники

-происходит смена назначения техники (из эндуро в кросс, например)

Титановые клапана имеет смысл менять на стальные если:

-двигатель не эксплуатируется на повышенных оборотах

-сложности с обслуживанием (проведение самостоятельного обслуживания и ремонта)

-нет возможности обрабатывать седла (есть возможность притереть клапана)

-титановый аналог слишком дорогой

Всегда используйте только те пружины, которые предназначены для данного типа клапанов!

При использовании новых клапанов настоятельно рекомендуем обрабатывать седла (формировать фаски) на хорошем оборудовании. Это особенно важно при использовании титановых клапанов. Притирка титановых клапанов не допускается.

Надеемся, что данные рекомендации помогут вам определится с выбором клапанов. Вы всегда можете оставить заявку на обратный звонок или позвонить мастеру и проконсультироваться.

Характеристики физико-механических свойств титана (ВТ1-00)

Плотность r , кг/м 3

4,5 × 10 –3 1668± 4

Коэффициент линейного расширения a × 10 –6 , град –1

Теплопроводность l , Вт/(м × град)

Предел прочности при растяжении s в, МПа

300–450

Условный предел текучести s 0,2, МПа

250–380

Удельная прочность (s в/r × g)× 10 –3 , км

Относительное удлинение d , %

Относительное сужение Y , %

Модуль нормальной упругости Е´ 10 –3 , МПа

110,25

Модуль сдвига 10 –3 , МПа

Коэффициент Пуассона m ,

Ударная вязкость KCU, Дж/см 2

Титан имеет две полиморфные модификации: a -титана с гексагональной плотноупакованной решеткой с периодами а = 0,296 нм, с = 0,472 нм и высокотемпературную модификацию b -титана с кубической объемно-центрированной решеткой с периодом а = 0,332 нм при 900 ° С. Температура полиморфного a « b -превращения составляет 882 ° С.

Механические свойства титана существенно зависят от содержания примесей в металле. Различают примеси внедрения — кислород, азот, углерод, водород и примеси замещения, к которым относятся железо и кремний. Хотя примеси повышают прочность, но одновременно резко снижают пластичность, причем наиболее сильное отрицательное действие оказывают примеси внедрения, особенно газы. При введении всего лишь 0,003 % Н, 0,02 % N или 0,7 % О титан полностью теряет способность к пластическому деформированию и хрупко разрушается.

Читайте также:  Топ лучших автосигнализаций с автозапуском

Особенно вреден водород, вызывающий водородную хрупкость титановых сплавов. Водород попадает в металл при плавке и последующей обработке, в частности при травлении полуфабрикатов. Водород малорастворим в a -титане и образует пластинчатые частицы гидрида, снижающего ударную вязкость и особенно отрицательно проявляющегося в испытаниях на замедленное разрушение.

Поэтому содержание примесей, особенно газов, в титане и титановых сплавах (табл. 17.1, 17.2) строго ограничено.

Промышленный способ производства титана состоит в обогащении и хлорировании титановой руды с последующим его восстановлением из четыреххлористого титана металлическим магнием (магнийтермический метод). Полученный этим методом титан губчатый (ГОСТ 17746–79) в зависимости от химического состава и механических свойств выпускают следующих марок:
ТГ-90, ТГ-100, ТГ-110, ТГ-120, ТГ-130, ТГ-150, ТГ-ТВ (см. табл. 17.1). Цифры означают твердость по Бринеллю НВ, ТВ — твердый.

Для получения монолитного титана губка размалывается в порошок, прессуется и спекается или переплавляется в дуговых печах в вакууме или атмосфере инертных газов.

Механические свойства титана характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Например, технически чистый титан марки ВТ1-0 имеет: s в = 375–540 МПа, s 0,2 = 295–410 МПа, d ³ 20 %, и по этим характеристикам не уступает ряду углеродистых и Cr—Ni коррозионностойких сталей.

Высокая пластичность титана по сравнению с другими металлами, имеющими ГПУ- решетку (Zn, Mg, Cd), объясняется большим количеством систем скольжения и двойникования благодаря малому сотношению с/а = 1,587. По-видимому, с этим связана высокая хладостойкость титана и его сплавов (подробнее см. гл. 13).

При повышении температуры до 250 ° С прочность титана снижается почти в 2 раза. Однако жаропрочные Ti-сплавы по удельной прочности в интервале температур 300–600 ° С не имеют себе равных; при температурах выше 600 ° С сплавы титана уступают сплавам на основе железа и никеля.

Титан имеет низкий модуль нормальной упругости (Е = 110,25 ГПа) — почти в 2 раза меньше, чем у железа и никеля, что затрудняет изготовление жестких конструкций.

Титан относится к числу химически активных металлов, однако он обладает высокой коррозионной стойкостью, так как на его поверхности образуется стойкая пассивная пленка TiO2, прочно связанная с основным металлом и исключающая его непосредственный контакт с коррозионной средой. Толщина этой пленки обычно достигает 5–6 нм.

Благодаря оксидной пленке, титан и его сплавы не корродируют в атмосфере, в пресной и морской воде, устойчивы против кавитационной коррозии и коррозии под напряжением, а также в кислотах органического происхождения.

Производство изделий из титана и его сплавов имеет ряд технологических особенностей. Из-за высокой химической активности расплавленного титана его плавку, разливку и дуговую сварку производят в вакууме или в атмосфере инертных газов.

При технологических и эксплуатационных нагревах, особенно выше 550–600 ° С, необходимо принимать меры для защиты титана от окисления и газонасыщения (альфированный слой) (см. гл. 3).

Титан хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и удовлетворительно в холодном. Он легко прокатывается, куется, штампуется. Титан и его сплавы хорошо свариваются контактной и аргонодуговой сваркой, обеспечивая высокую прочность и пластичность сварного соединения. Недостатком титана является плохая обрабатываемость резанием из-за склонности к налипанию, низкой теплопроводности и плохих антифрикционных свойств.

Основной целью легирования титановых сплавов является повышение прочности, жаропрочности и коррозионной стойкости. Широкое применение нашли сплавы титана с алюминием, хромом, молибденом, ванадием, марганцем, оловом и др. элементами. Легирующие элементы оказывают большое влияние на полиморфные превращения титана.

Марки, химический состав (%) и твердость титана губчатого (ГОСТ 17746–79)

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector