автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Трещиностойкость титановых сплавов в условиях водородной хрупкости

Р Г Б ОД

2 4 АИР 1ЯГ5

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

Московский государственный авиационный технологический университет им.К.Э.Циолковского

На правах рукописи экз.__

УДК 669.295.017:539.3/5

АЛЕКСЕЕВ ВЛАДИМИР КОНСТАНТИНОВИЧ

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ВОДОРОДНОЙ ХРУПКОСТИ

Специальность 05.16.01 Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995 г.

Работа выполнена на кафедре "Металловедение и горячая обработка металлов" Московского государственного авиационного технологического университета им.К.О.Циолковского.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Мальков Александр Васильевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Фишгойт Александр Викторович (ЦИАМ|

кандидат технических наук, Григорьев Валерий Михайлович (ВИАМ) Ведущее предприятие указано в решении Ученого Совета Защита состоится - /cf - UiQJL 1995 г> 11 часов н

заседании специализированного Сонета К 053.56.04 но присужден"! ученой степени кандидата технических наук в области металловедения обработки металлов давлением в Московском государственно! авиационном технологическом университете им.К.Э.Циолковского

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан Ч£ - 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доцент, к.т.н. __________/Соколов B.C./

Отзывы в одном экземпляре (заверенные печатью) проси направлять по указанному адресу: 103767 Москва, К-31, Петровка, 2 МГАТУ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Несмотря на то, что основные закономерности влияния водорода на механические свойства титановых сплавов установлены, до сих пор нет надежных критериев, позволяющих оценить условия, исключающие разрушение реальных деталей и изделий, обусловленное водородом, а проблема борьбы с этим явлением по-прежнему остается актуальной.

Применительно к конструкциям ответственного назначения, т.е. в условиях малого запаса прочности и достаточной гарантии надежности, решение проблемы предотвращения водородной хрупкости связано, по крайней мере, с тремя обстоятельствами:

1. Наличием трещиноподобных дефектов в сочетании с наложением потенциальных нолей, внутри которых возможны опасные водородные сегрегации.

2. Особой чувствительностью титановых сплавов к водороду и многообразием форм проявления водородной хрупкости.

3. Ограниченным количеством экспериментальных данных по влиянию водорода на вязкость разрушения и скорость роста трещин (СРТ) в титановых сплавах.

В соответствии с изложенным актуальными представляются исследования по установлению общих закономерностей влияния водорода на трещиностойкость титановых сплавов и обоснование физических критериев склонности их к водородной хрупкости, с помощью которых можно осуществлять выбор конкретных сплавов для изделий и прогнозировать их работоспособность в условиях эксплуатации, по-

тенциально но исключающих развитие водородной хрупкости.

Цель работы состояла в исследовании основных закономерноснос-тей влияния водорода на характеристики надежности и ресурса титановых сплавов (вязкость разрушения, циклическую трещиностой-кость, кинетику роста трещин и т.д.), уточнение микромеханизмов разрушения в условиях водородной хрупкости и выявлении критериев оценки склонности полуфабрикатов и элементов конструкций к водородной хрупкости.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие конкретные задачи:

1. Экспериментально установить основные закономерности влияния водорода на трещиностойкость конструкционных титановых сплавов в различных условиях нагружения.

2. Выявить основные микромеханизмы развития трещин в титановых сплавах в условиях водородной хрупкости.

■3. Уточнить критерии оценки склонности титановых сплавов к водо -родной хрупкости при испытаниях на трещиностойкость. 4. На основании выявленных закономерностей разработать методический подход к оценке риска водородных разрушений и надежности конструкций из титановых сплавов, содержащих дефекты и подвергнутых сложному механическому воздействию в условиях, не исключающих развитие водородной хрупкости.

Научная новизна.

1) Уточнены основные закономерности влияния водорода на вязкость разрушения разных полуфабрикатов из титановых сплавов в зависимости от типа механических испытаний ( кратковременные.

длительные, циклические ).

2) Для отечественных сплавов псевдо - а - класса установлены ос -новные особенности влияния водорода на СРТ, порог страгивания трещин в титановых сплавах; определено влияние водорода на константы в уравнении Пэриса.

3) На основе специальных исследований предложена физическая модель докритического роста водородных трещин в титановых сплавах при циклическом нагружении с учетом влияния водорода на локализацию пластического течения в вершине острой трещины.

4) С учетом опубликованных данных и собственных исследований соискателя уточнены критерии, позволяющие оценить работоспособность элементов титановых конструкций с трещиноподобными дефектами в условиях частичного или полного развития водородной хрупкости и приведены практические примеры расчетов надежности с помощью этих критериев.

Практическая значимость работы.

Полученные результаты расширяют металлофизичсские представления о природе водородной хрупкости титановых сплавов и вносят определенный вклад в создание общей теории водородной хрупкости металлов. Уточненные автором критерии трещиностойкости в условиях водородной хрупкости и методики оценки надежности материалов против водородных разрушений могут быть использованы при выборе сплавов для изделий ответственного назначения, а также в инженерных расчетах в рамках линейной механики разрушения.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на:

1. 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности" (г.Уфа, 1987); 2. Научно-технической конференции "Проблемы синергетики" (г.Уфа,1989); 3. Всесоюзном симпозиуме "Синергетика-новые технологии получения и свойства металлических материалов" (г.Москва, 1991); 4. Всесоюзная конференция "Взаимодействие дефектов кристаллической решетки и свойства металлов и сплавов" (г.Тула,1989): 5. Всесоюзная конференция "Текстура и рекристаллизация металлов" (г.Уфа,1987); 6. Научно -технических конференциях МАТК (1985-1994); 7. Международной конференции по разрушению материалов (1993); 8. 1 и П Российской научно-технических конференций "Новые материалы и технологии машиностроения" (1993-1994).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов, списка литературы. Работа изложена на 215 стр. машинописного текста, содержит 95 рисунков, 17 таблиц. Список использованной литературы, включает 133 источника.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель исследований, положения, выносимые на защиту, на-

учная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена обзору литературы по проблемам тре-щиностойкости и водородной хрупкости титановых сплавов. Обсуждены современные представления о природе и форме проявления водородной хрупкости титановых сплавов, а также разные подходы к классификации этого явления. Особое внимание уделено новым формам проявления хрупкости в виде снижения вязкости разрушения, ускорения роста усталостных трещин, снижения циклической выносливости.

Критически обсуждены известные данные по влиянию водорода па вязкость разрушения в условиях разного напряженного состояния. Отмечается практическая важность и информативность длительных статических и циклических испытаний для объективной оценки чувствительности критериев развития водородной хрупкости, обраще но внимание на тот факт, что некоторые экспериментальные данные не могут быть объяснены в рамках известных теорий водородной хрупкости металлов.

Приведен обзор литературных данных по влиянию водорода на субкритический рост трещин в титановых сплавах, а также теорий субкритического роста водородных трещин в металлах. Отмечены некоторые общие закономерности, а также недостаток экспериментальных данных для построения обобщенной теории.

Главное внимание в анализе опубликованных данных обращено на выявление достоинств и недостатков многочисленных моделей и механизмов развития водородных трещин, в том числе адсорбционных, декогезивных и гидридных механизмов.

В заключение приведен обзор современной литературы, посвя-

ценной применению критериев механики разрушения при оценке водородных разрушений и разработке методов их предотвращения.

Глава заканчивается постановкой задач исследования, прове -денного в диссертационной работе.

Во второй главе описаны материалы для исследований, условия и технология наводороживания, изложены методики механических испытаний и исследований.

Исследования проводились на кованых и катаных полуфабрикатах из сплавов 0Т4, АТЗ, ВТ20 и ВТ6, полученных по промышленной технологии на СМК и ВСМОЗ. Химический состав и свойства сплавов отвечали ОСТ 1.90013-71.

Заготовки перед изготовлением образцов дозированно наводо-роживали до концентраций 0,003; 0,008; 0.012; 0,02; 0,03 и О,ОЬ % (мае.) термодиффузионным методом при температуре 800°С. Содержание водорода в образцах контролировали в каждой садке спектральным методом с помощью спектрографа ИСПМ с фотоэлектрическим окончанием с величиной случайной ошибки до 20%.

Микроскопический анализ осуществляли на образцах-свидетелях на микроскопах "Неофот-2" и ЭМ9 с увеличением 300 и 3000 крат. Электронную микрофрактографию проводили методами РЭМ и ЭМР. В первом случае применяли микроскоп РЭМ-200, а во-втором - исследования проводили методом двухступенчатых пластико-угольных реплик, оттененных хромом, на микроскопе "Tesla" с разрешающей способностью не менее 250 А.

Рентгенографический анализ осуществляли на аппарате УРС-55 и установке ДР0Н4 с целью качественной и количественной оценок фазового состава, а также полноты прохождения процессов рекрис-

таллизации в титановых сплавах.

Испытания на вязкость разрушения при монотонном кратковременном нагружении на образцах типа BP проводили в соответствии с ГОСТ 25.506-82, а при циклических нагрузках на образцах типа ВНР в соответствии с РД 50-345-82. Испытания на замедленное разрушение образцов типа БНИ проводили по схеме консольного изгиба на специальном стенде с регистрацией длины трещины г.о методу электросопротивления .

Определение СРТ при циклическом нагружении по схеме растяже-ни-есжатие проводили на образцах типа БКР толщиной 3 мм.

Для статистической обработки результатов и построения функциональных зависимостей использовали ПЗВМ типа 286IBM PC AT с набором стандартных и специальных пакетов на языке Ш'.'В BASIC.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния водорода на вязкость разрушения титановых сплавов 0Т4, АТЗ. ВТ20 и ВТ6. Чувствительность титановых сплавов к водородной хрупкости, при кратковременных статических испытаниях на вязкость разрутее -ния повышается с увеличением жесткости напряженного состояния за счет изменения толщины образцов, что выражается уменьшением значений критических концентраций водорода, соответствующих достижению параметром К1с (Кс) нижнего порогового значения. Степень водородного охрупчивания катаных полуфабрикатов является анизотропной характеристикой и зависит от типа кристаллографической и геометрической текстуры. Анизотропия чувствительности к водороду исчезает в условиях полного развития в металле явления водородной хрупкости ( большие концентрации водорода ) и существенно снижается при дегазации водорода до 0,001-0,002% (мае.) за счет

длительного вакуумного отжига.

На примере сплавов 0Т4, АТЗ и ВТ20 установлено, что "критерий толщины" 2,5(К1с/б0. г)2, соответствующий появлению условий плоской деформации и характерный для многих металлических материалов, изменяется для титановых сплавов в условиях водородного охрупчивания в сторону уменьшения.

При длительном действии статической нагрузки вязкость разрушения уменьшается по сравнению со значениями свойств, определенных при кратковременных испытаниях, и стремится к нижнему пороговому значению. Так, чем выше содержание водорода в сплаве АТЗ,тем меньше пороговое значение трещиностойкости и тем меньше временная база испытаний, необходимая для выявления этого порога.

Циклическая вязкость разрушения (КГс) сплавов АТЗ и БТ20 с увеличением содержания водорода уменьшается, асимптотически приближаясь к нижнему пороговому значению.Абсолютные значения вязкости разрушения исследованных сплавов, определенные в условиях циклического и статического кагружения, существенно отличаются.

Для двухфазных (а»(5) - титановых сплавов в области малых концентраций водорода предложены модели водородного охрупчивания, действующие при кратковременных испытаниях на вязкость разрушения в условиях плоской деформации и плосконапряженного состояния. В условиях плоской деформации водородная хрупкость обусловлена неоднородным распределением водорода между а и р- фазами и действием р-фазы как "резервуара - накопителя водорода", представляющего собой "коротрсозамкнутую цепь доставки" последнего к вершине трещины в поле упругих напряжений непосредственно в процес-

со испытаний.

В условиях плоско-напряженного состояния водород выступает как регулятор напряженного состояния в объеме предразрушения, контролирующий величину и полноту протекания процессов микроплас тической деформации. Водород приводит к уменьшению размера зоны пластической деформации в вершине движущейся трещины, доводя этот размер до значений, соизмеримых с размером зерна или другого структурного элемента. Наступление такого момента сопровождается ослаблением влияния водорода, а значения механических свойств становятся квазипостоянными.

Обобщая опубликованные данные и результаты собственных исследований, рассмотрены критерии склонности титановых сплавов к водородной хрупкости:

1. Критерий К)„с (Кс) -критический коэффициент интенсивности напряжений при полном развитии водородной хрупкости;

2. Коэффициент влияния водорода на трещиностопкоеть при кратковременном нагружении Р„= (К1нс/К1с) или (Кнс/Кс);

3. Абсолютные значения критических концентраций водорода ( Скр), соответствующие запланированному уровню снижения трещиностой-кости.

Значения критериев К1нс, рн, Скр в условиях плоской деформации для сплавов 0Т4, АТЗ, ВТ20 и ВТ6 соответственно составили: 18 МПа м,/г; 0,3; 0,008%(мас.); 28 НПа м1/г; 0,4; 0,012%; 51 МПа м1/г; 0.7; 0,01% ; 57 МПам172; 0,7; 0,012%.

В главе четыре рассмотрено влияние водорода на склонность титановых сплавов к разрушению под действием длительных статических нагрузок (замедленному разрушению). При построении кривых

замедленного разрушения в координатах "начальный коэффициент интенсивности напряжений, К! - время до разрушения, т" для сплава АТЗ обнаружено, что холодная ползучесть, характерная для титановых сплавов невысокой прочности при комнатной температуре, сама по себе без воздействия водорода, вызывает субкритический рост трещин. Водород существенно уменьшает время до полного разрушения, причем при определенных значениях К! это влияние проявляется особенно ярко, а затем заметно ослабевает. Выявлено существование порогового коэффициента интенсивности напряжений (КзЛс), ниже которого не происходиг рост трещин в течение времени, принятого за базу испытаний на замедленное разрушение. Величина К8(1С, определенная для сплава АТЗ на базе 1000 ч.,зависит от исходного содержания водорода и позволяет оценивать абсолютные значения содержания водорода б категории - степень "агрессивности среды". Предельная агрессивность водородного охрупчивания по отношению к сплаву АТЗ проявляется в том, что параметр Кй„с составляет всего 20-25% значения Кс, определенного при кратковременных испытаниях.

Специальные исследования показали, что характер разрушения при длительном действии статических нагрузок определяется ке только исходной концентрацией водорода в металле, но и процессами его перераспределения в области, примыкающие к вершине трещины. В зависимости от режимов нагружения "водородные пики" в устье трещины могут превышать начальную концентрацию водорода в 3-5 раз. Микрофрактографический анализ показал, что для сплава АТЗ с 0,003-0,012% водорода ведущим микромеханизмом при замедленном разрушении является ямочный разрыв, причем величина начального коэффициента интенсивности напряжений ( К^) не оказыва-

ет принципиального влияния на механизм разрушения. Это влияние обнаруживается в тех случаях, когда содержание водорода в сплаве АТЗ более 0,012%. Тогда при высоких уровнях ^ преобладающим механизмом является ямочный разрыв с элементами скола, при промежуточных значениях К^- квазискол и при низких уровнях К! - межзе-ренное и межфазное разъединение.

При циклических испытаниях развитие водородных трещин происходит при достижении порога страгивания трещины К1П, величина которого контролируется содержанием водорода в металле. Анализ Анализ зависимости "К^-С,," Для сплава АТЗ показывает наличие трех концентрационных областей: 1. Область, в которой водородная хрупкость не развивается; 2. Область, в которой наблюдается резкое снижение значений К1П: 3. Область полного развития водородной хрупкости, в которой водород не влияет на величину К"^.

Для сплава АТЗ циклическая вязкость разрушения КГс с увеличением содержания водорода снижается, асимптотически приближаясь к нижнему пороговому значению КГсн. КГс11 для сплава АТЗ составляет около 24 МПа м17 г.

Исследования микромеханизмов разрушения для случая циклических нагрузок показали, что при содержании 0,003- 0,012% водорода в сплаве АТЗ разрушение происходит по способу циклического скола. Увеличение содержания водорода сверх 0,012% приводит к реализации процессов гидридного скола и межфазному разъединению, интенсивность которых с ростом содержания водорода нарастает и при достижении 0,03-0,05% этот микромеханизм разрушения становится преобладающим.

На основании экспериментальных данных предлагаются следующие критерии склонности титановых сплавов к водородной хрупкости

при длительном действии нагрузок:

1. Пороговый коэффициент интенсивности напряжений К1з11С (КвПс) на базе 1000 ч. при испытаниях на замедленное разрушение; 2. Циклическая вязкость разрушения в условиях полного водородного ох-рупчивания КГсн; 3. Пороговый коэффициент интенсивности напряжений в условиях полного водородного охрупчивания Кни1 при действии циклических нагрузок; 4.. Критические концентрации водорода Скр, отвечающие тем значениям, при которых наблюдается статистически значимое снижение параметров К1з[1С, КГс, К1П; 5. Относительные критерии в виде безразмерных коэффициентов, представляющие собой отношение КГсн/КГс, К"ьп/К1ц, К1зЬс/К1с .

В пятой главе описаны экспериментальные и теоретические результаты по исследованию скорости роста трещин в титановых сплавах ВТ20 и АТЗ.

При замедленном разрушении субкритическому росту трещин предшествует инкубационный период и его продолжительность может достигать 40% от времени до полного разрушения. Продолжительность инкубационного периода существенно зависит от величины К1 и содержания водорода в сплаве:

*и..к = *<> * ехр (К /К!), где т0 - предэкспоненциальный множитель, имеющий размерность времени; К - эмпирический коэффициент, имеющий размерность интенсивности напряжений; К^ - начальное значение коэффициента интенсивности напряжений.

Величины коэффициентов т0 и К зависят от содержания водорода в металле.

При построении кинетических диаграмм разрушения обнаружена

их неоднозначность в довольно широком диапазоне коэффициентов интенсивности напряжений. Для сплава АТЗ с небольшими концентрациями водорода было установлено следующее правило: с повышением уровня начального Kj выход кривой на пологий или стабилизированный участок достигается при более высоких значениях СРТ; для случая больших концентраций водорода имеет место постепенное исчезновение участка с постоянной скоростью роста трещины. Кроме того, при малых содержаниях водорода (до 0,008%) СРТ слабо зависит от величины F4, но диффузионно-подвижный водород (до 0,02%) на два порядка увеличивает СРТ, демонстрируя явную зависимость от величины К,. Появление гидридов в структуре сплава ЛТЗ О 0,02%) сопровождается синергетически ускоренным ростом трещин о увеличением значения К^. СРТ при замедленном разрушении сплава ЛТЗ удовлетворительно описывается линейной зависимостью da/dt V0-f BKj, так что полное время до разрушения равно:

тр = т0схр (K/Kj ) + акр/ (V0 + BKj), где акр-критическая длина трещины; Б - характеристический коэффициент.

Анализ экспериментально построенных кинетических диаграмм усталостного разрушения (КДУР) з координатах !'da/dli - Kmax" для сплавов ВТ20 и АТЗ показал, что водород приводит не только к уменьшению величины порога страгивакия трещины Kth (для сплава АТЗ приблизительно в 2,5 раза), но и к существенному ускорению их роста на стадии субкритического развития на 2-3 порядка. На стадии промежуточных скоростей роста усталостных трещин их поведение может быть описано известным уравнением Пэриса.

Статистическая обработка экспериментальных данных показала, что водород оказывает заметное влияние на величину коэффициентов "с" и "п", входящих в уравнение Пэриса. Так, показатель "п" с

увеличением содержания водорода увеличивается с 2, 2 до значений 4,7 для сплава АТЗ и с 2,9 до 4,7 для ВТ20. что свидетельствует о переходе этих материалов под воздействием водорода в более хрупкое состояние. Учитывая сложное влияние водорода на поведение титановых сплавов при циклических нагрузках, для описания процессов РУТ рекомендуется использовать обобщенный закон Пэри-са, так как водород влияет не только на величину параметров п и с. но и существенно уменьшает порог страгивания трещин: йа/сШ - С[(Ктах)п - (К1(1)п] Специальными экспериментами установлено, что микромеханизм разрушения на стадии субкритического развития трещины контролируется степенью локализации пластической деформации непосредственно перед вершиной движущейся трещины, которая зависит от содержания водорода в металле. Если разрушение не сопровождается сильно локализованной пластической деформацией, то продвижению трещины предшествует порообразование и энергоемкость процессов сохраняется высокой. Водород приводит к локализации пластического течения, предотвращению порообразования и снижению энергоемкости процесса разрушения.

В главе шесть специфика воздействия водорода на поведение титановых сплавов рассмотрена с позиций синергетики. Обсуждены вопросы самоорганизации систем"металл-водород", на основании чего показано, что целый спектр водородных явлений и эффектов,имеющих различные формы макро- и микропроявления, имеет общую фундаментальную первопричину - возникновение, развитие и квазиустойчивость диссипативных водородных структур. В этом плане водородная хрупкость металлов является частным случаем водородного

воздействия.

Синергетический подход позволил обосновать наличие гаммы критических концентраций водорода, взаимосвязанных между собой и определяющих поведение материала в точках бифуркации, ответственных за смену микромеханизма разрушения. Точки бифуркации -это особые критические точки, отвечающие неравновесным фазовым переходам, при попадании в которые свойства меняются скачкообразно за счет самоорганизации диссипативкых структур под воздействием водорода и напряжений. Определение координат точек бифуркации дает правильную оценку значениям критических концентраций водорода, на основе которых устанавливают нормы на содержание этой примеси в металлопродукции и готовых конструкциях. В работе предложены механизмы нахождения точек бифуркации на зависи-мости "свойство-содержание водорода" с помощью микрофрактографи-ческого анализа. Микрофрактографический анализ показал, что в одном и том же материале может быть несколько уровней водородных повреждений и что стадийность процесса охрупчивания определяется иерархической последовательностью диссипативных структур.

Понимание этих процессов в перспективе позволит прогнозировать и получать материалы с такими типами структур, которые обладают повышенным иммунитетом к водородным воздействиям.

В исследованных сплавах возможно образование диссипативных структур 4-х уровней непосредственно при водородном воздейс-ствии:

1. Блокировка атомами водорода подвижных дислокаций.

2. Формирование пересыщенных относительно водорода твердых растворов.

3. Внутризеренное выделение гидридной фазы.

4. Формирование межзеренной гидридной сетки.

В случае кратковременных испытаний на вязкость разрушения переход от одного типа структуры к другому сопровождается скачкообразным изменением свойств в точках бифуркации и характеризуется качественными изменениями на поверхности разрушения. Границы перехода от одного рода рельефа к другому соответствует пороговым величинам энергии разрушения, являющимися точками бифуркации, отвечающими смене соответствующих диссипативных структур и микромеханизма разрушения.

В случае циклических испытаний показатель п, входящий в уравнение Пэриса, является водородочувствительной характеристикой, значения которой с увеличением содержания водорода повышаются. В зависимости от природы микромеханизма разрушения, контролирующего СРТ, для сплава ВТ20 можно выделить интервалы изменения параметра п, характеризуемые соответствующим типом дисси-пативной структуры: микроотрыв ( 3 < п < 3,5), реализуемый при 0,003 - 0,012% водорода; микроскол ( 3,5 v< п <: 3,7 ), реализуемый при 0,012 - 0,02% водорода: межфазное разъединение ( 3,7 -< п <: 4,7), реализуемое при 0,02 - 0,05% водорода.

В седьмой главе с учетом практической важности вопроса развивается концепция надежности титановых конструкций против водородных разрушений. Анализ водородных разрушений, проведенный с позиций риска позволил выявить практические ситуации, наиболее опасные с точки зрения серьезности последствий и возможности их предотвращения. Эффективность таких исследований резко возрастает при комбинированном анализе, в рамках которого использован банк данных по влиянию водорода на расчетные параметры, вытекаю-

щие из аналитического аппарата механики разрушения. Для иллюстрации применения комбинированного анализа проведена оценка риска выхода из строя силовых элементов ответственных конструкций в результате водородной хрупкости и расчет надежности гидролизап-парата из сплава АТЗ в процессе работы, не исключающей эксплуатационное наводороживание.

Показано, что вероятность риска водородных разрушений одного из силовых элементов конструкции из сплава АТЗ резко увеличивается с 0,175% при 0,003 до 16% при 0,05% водорода. Анализ характеристик, входящих в расчетные формулы, показал, что факторами, "регулирующими" степень риска, могут быть критерии,отражающие чувствительность материалов к водородной хрупкости.

Анализ надежности работы гидролизаппарата из сплава АТЗ в предположении наличия начального дефекта и возможности локального эксплуатационного наводороживания показал, что водород способен существенно уменьшить критический размер трещин и сократить число рабочих циклов до полного разрушения. Если предположить, что в корпусе аппарата имеется трещиноподобный дефект металлур -гического или технологического происхождения, то при содержании в металле 0,003% водорода аппарат способен выдержать 500000 рабочих циклов нагружения, но если локальная концентрация водорода в районе дефекта достигнет за счет технологического наводорожи -вания 0,05%, то всего лишь 1278 циклов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Уточнены основные закономерности влияния водорода на

вязкость разрушения титановых сплавов в условиях плоскодеформи-рованного и плосконапряженного состояния. Обнаружено, что увеличение жесткости напряженного состояния за счет увеличения толщины образцов сопровождается повышением чувствительности к водородной хрупкости, что выражается в уменьшении значений критических концентраций водорода.

2. Экспериментально показано, что водородная трещиностой-кость катаных полуфабрикатов является анизотропной характеристикой и зависит от кристаллографической и геометрической текстуры. Выявлено, что анизотропия трещиностойкости исчезает при введении в металл больших концентраций водорода и существенно снижается при дегазации водорода до значений менее 0,003% (мае.).

3. В связи с тем, что абсолютные значения параметров К,с и Кп, определяемые при испытаниях на замедленное разрушение в условиях водородной хрупкости, являются параметрами чувствительными ко времени испытаний, предлагается самостоятельный критерий Ктсн. где х - временная база испытаний или ресурс изделия.

4. Проведены систематические исследования по влиянию водорода на циклическую вязкость разрушения КГс отечественных титановых сплавов псевдо - а - класса, на основании которых установлено, что КГс является характеристикой весьма чувствительной к водороду и по абсолютным значениям существенно отличается от К1С и Кс. определенных при кратковременных статических испытаниях.

5.На отечественных титановых сплавах АТЗ и ВТ20 проведены целенаправленные исследования по изучению влияния водорода на скорость роста усталостных трещин. Установлено, что при малых скоростях роста трещин<10"9 м/с водород снижает величину порога страгивания К1П: для сплава АТЗ с 12.65 МПа м1/г при 0,003% водо-

рода до 4,75 МПа м1/2 при 0,05%, а для сплава ВТ20 с 27 ¡/¡Па м1/г до 23 МПа м1/г соответственно. В диапазоне промежуточных СР'Г, описываемых уравнением Пэриса, водород увеличивает скорость рос -та для исследованных сплавов почти на три порядка. В этом случае значения показателя п в уравнении Пэриса увеличиваются для сплава АТЗ с 2, 2 до 4, 7 и с 2, 9 до 4,7 для сплава ВТ20.

6. Сделана попытка рассмотрения явлений роста водородных трешин с позиций синергетики. Показана принципиальная возможность синергетически ускоренного роста таких дефектов при определенном сочетании силовой нагрузки и содержания водорода. Пред -полагается, что это практически самая опасная форма проявления водородной хрупкости в реальных условиях эксплуатации титановых конструкций, проявляемая при замедленном разрушении.

7. На основании микрофрактографических исследований уста нсплино. что отрицательное влияние водорода на трещиностойкость при любых условиях испытаний является следствием смены микромеханизма разрушения, которая происходит в точках бифуркации на зависимостях "свойство-содержание водорода". Координаты точек бифуркации по оси абсцисс могут быть расценены как критические концентрации водорода для данного материала.

8. Для роста водородных трещин в условиях циклических нагрузок предложен механизм разрушения, основанный на представлениях о локальном пластическом течении, контролируемом водородом в вершине движущейся трещины. Изучено влияние водорода на протяженность и строение пластических объемов в зоне разрушения. Локализация пластического течения, вызванная водородом, приводит к снижению энергоемкости процессов разрушения и смене микромеханизма от порообразования к декогезии в полосах скольжения.

9. Для решения практических инженерных задач,а также ранжировки титановых сплавов по их склонности к водородной хрупкости предложено использовать физические и сравнительные критерии. Важнейшими являются:!) вязкость разрушения в условиях полного развития водородной хрупкости: при статических кратковременных испытаниях- К1сн (Ксн); при испытаниях на замедленное разрушение- К сн; при испытаниях на усталость- КГсн; 2) порог страхования вершины трещины при испытаниях на замедленное разрушение -К3„с; при испытаниях на усталость - К"^; 3) критические концентрации водорода - Скр, как координаты точки бифуркации на зависимости "свойство - концентрация", в которой происходит смена микромеханизма разрушения.

10. На основании экспериментального материала по влиянию водорода на трещиностойкость титановых сплавов и известных инженерных расчетов в рамках механики разрушения предложена методология оценки риска водородных разрушений, на основе которой про -ведены практические расчеты водородостойкости некоторых конструкций ответственного назначения из титановых сплавов.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Мальков А.В.,Алексеев В.К.,Мишанова М. Г."Расчет надежности гидролизаппарата из титанового сплава АТЗ с учетом возможного водородного охрупчивания"- В сб."Надежность оборудования, производств и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности". УНИ, Уфа, 1987,с.168-169

2. Мальков А.В., Мишанова И.Г.,Алексеев В.К."Срактографический анализ точек бифуркации при водородной хрупкости титановых сплавов"- В кн. "Проблемы синегретики". УНИ,Уфа,1989, с. 38-40

3. Мальков А.В.,Мишанова И.Г.,Алексеев В.К. "Влияние условий и рпжимов ft -отжига на структуру и свойства титанового сплава ВТ6" - В сб."Термическая и химико-термическая обработка сталей и сплавов". ППИ, Пермь,1989, с.63-68.

4. Мальков А. В., Мишанова М. Г., Алексеев В. К. "С'инергетический анализ кинетики усталостных трещин в титановых сплавах" - В кн."Новые технологии получения материалов и свойства металлических материалов". И, ИМЕТ, 1991, с.45-48

5. Malkov А. V., Alekseev V.К., Mlschanova М.G."The Influence of hydrogen on fracture tougness and crack growth in titanium alloys" Fract.Mech:Successes and Probl. : Collect. Abc.tr. Ft.1,Kiev 8 14 June.1993, pp.665-671

0. Мальков А.В.,Алексеев В.К.. Мишанова М.Г. "Влияние водорода на вязкость разрушения и трещиностойкость титановых сплавов"-Тезисы 1 - ой Российской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения".И, МАТИ, 1992, с.51-52

7. Мальков А.В.,Мишанова М.Г.,Алексеев В.К. "Трещиностойкость титанового сплава в условиях водородной хрупкости". В сб. "Лазерная обработка сталей и титановых сплавов".ППИ, Пермь.1992, с.21-28

8.Мальков А.В..Алексеев В.К."Надежность титановых сплавов против водородных разрушений с позиций СРТ" - Тезисы П-ой Росийской научно-технической конференции "Новые материалы и технологии машиностроения". М, МАТИ, 1993, с.37-38