Химико-термическая обработка 1 страница
Методы химико-термической обработки металлов являются одними из важнейших направлений изменения свойств поверхности, обеспечивая поверхностное упрочнение металлов и сплавов (повышение поверхностной твердости, износостойкости, усталостной прочности, теплостойкости и т.д.), а также повышение стойкости металлов и сплавов против воздействия внешних агрессивных сред при нормальных и повышенных температурах (коррозионной стойкости в атмосферных условиях, стойкости к кавитационной эрозии, кислотостойкости, жаростойкости, окалиностойкости и т.д.).
Методы химико-термической обработки включают две крупные группы диффузионных покрытий. Первая группа включает насыщение поверхности металлических изделий неметаллами, а также удаление неметаллов из поверхности. Такими неметаллами являются: углерод, азот, бор, водород, сера. В этой связи способы химико-термической обработки металлов и сплавов получили названия: науглероживание (цементация), азотирование, борирование, сульфидирование. Удаление неметаллов происходит при обезуглероживании, обезводороживании, деазотировании.
Насыщение может проводиться одним неметаллом, комплексно двумя или тремя неметаллами. Такими процессами являются: углеродоазотирование (низкотемпературное цианирование, низкотемпературная нитроцементация); азотонауглероживание (цианирование, нитроцементация); сульфоцианирование.
Вторая группа процессов включает насыщение металлами и удаление металлов из поверхности.
Такими процессами являются: алитирование (насыщение алюминием), хромирование (диффузионное насыщение хромом), силицирование (насыщение поверхности кремнием). Насыщение возможно любых металлических материалов любыми другими металлическими веществами, в том числе, например, его можно проводить титаном, ванадием, цинком, молибденом и другими элементами. Применяют покрытия двумя или тремя металлами, а также комплексно металлами и неметаллами одновременно или последовательно. В качестве примеров можно привести хромосилицирование, хромованадирование, карбохромирование и т.д. Примером удаления металлов можно назвать обесцинкование.
Насыщение проводят путем нагрева обрабатываемых изделий в химически активной среде, содержащей насыщающий компонент. При этом нагрев ведут до температур, обеспечивающих развитие:
образование во внешней среде насыщающего вещества в виде легкоразлагающегося соединения или его атомарной формы;
адсорбирование поверхностью активного насыщающего вещества;
образование устойчивых межатомных связей между атомами насыщающего вещества и материала изделия с образованием твердых растворов, химических соединений, диффузии атомов в слое и развитие в нем фазовых и структурных преобразований, обеспечивающих достижение требуемого эффекта от насыщаемого изделия.
Технологические параметры конкретных процессов определяются на основе анализа соответствующих диаграмм фазового равновесия между взаимодействующими компонентами.
Цементация стали
Цементации обычно подвергают углеродистые и легированные стали с малым содержанием углерода (как правило, не более 0,20 - 0,25%). Примерами цементуемых сталей являются: 10, 15, 20, Ст.3, 20Х, 20ХН, 12ХН3А, 20Х2Н4А и др. Отдельную группу мелкозернистых легированных сталей для цементации составляют стали типа 18ХГТ, 25ХНТЦ и др. После цементации и окончательной термической обработки, заключающейся в закалке и низком отпуске, обеспечивается получение поверхностной твердости 56 – 64 НRС при сохранении вязкой сердцевины, что определяет высокую конструктивную прочность изделий, благоприятное сочетание износостойкости поверхности с высокой сопротивляемостью динамическим разрушениям.
Температурой цементации является 900 – 950 °С, хотя интенсивность насыщения непрерывно растет и при более высоких температурах до1147 °С. Однако такие температуры не применяются в связи с опасностью сильного роста зерна стали и нетехнологичностью процесса (низкая стойкость печного оборудования, нагревателей и технологической оснастки).
Цементацию проводят в твердом карбюризаторе, в газовых средах и иногда в расплавах солей (жидкостная цементация). Твердый карбюризатор для цементации - это гранулированный древесный уголь или полукокс, пропитанные углекислыми солями бария или натрия. Детали упаковывают в стальные ящики с карбюризатором, закрывают крышкой и для герметизации обмазывают огнеупорной глиной. Цементация в твердом карбюризаторе идет за счет неполного горения угля в герметически закрытом ящике, в котором, кроме угля и насыщаемых деталей, имеется некоторое количество кислорода из атмосферного воздуха. Неполное горение угля проходит по реакции:
2С + О = 2СО
Образовавшиеся молекулы окиси углерода являются неустойчивыми химическими соединениями, которые на металлической поверхности (железа) разлагаются, как на катализаторе, с выделением атомарного углерода:
2СО ® С + СО2
Углекислые соли бария и натрия являются своеобразными катализаторами процесса цементации в твердом карбюризаторе, поскольку они обеспечивают образование дополнительного количества окислителя при своем разложении при нагреве.
При газовой цементации в качестве карбюризаторов используют углеводородные газы, которые разлагаются в печи с образованием атомарного углерода и водорода:
СН4 ® С + 2Н2
Атомарный углерод адсорбируется поверхностью сначала по механизму физической адсорбции, а затем - химической, в результате чего атомы углерода входят в кристаллическую решетку железа с образованием твердого раствора (аустенита). Слой нарастает во времени: при цементации в твердом карбюризаторе по 0,1 мм/час, при газовой 0,12- 0,15 мм/час.
Концентрация углерода в поверхностном слое возрастает до предельно возможной при температуре насыщения, что определяется диаграммой фазового равновесия (см. диаграммы железо-углерод, рис.4.2, 4.3). При медленном охлаждении с температуры цементации в поверхностном слое образуется структура, соответствующая высокоуглеродистой (заэвтектоидной, эвтектоидной и доэвтектоидной) стали с плавным переходом к сердцевине. Слой с такой структурой еще не обладает высокой твердостью и износостойкостью. Для создания этих качеств требуется окончательная термическая обработка, заключающаяся в закалке с низкотемпературным отпуском.
Существует несколько вариантов технологии окончательной термической обработки после цементации. Стали, склонные к росту зерна после цементации подвергают промежуточной закалке или нормализации с нагревом до температур 850 - 880 ˚С для измельчения зерна сердцевины деталей, с последующим нагревом под окончательную закалку до температуры 760 - 780 ˚С. Среда охлаждения при закалке определяется маркой стали. Углеродистые стали охлаждают в воде, легированные - в масле. Стали, не склонные к росту зерна при цементации (18ХГТ, 25ХГТ и др.) подвергают непосредственной ступенчатой закалке с подстуживанием. После окончательной закалки отпуск проводят при температуре 160 - 200 ˚С.
Азотирование стали
Азотирование - поверхностное насыщение стали азотом, применяется, как и цементация, преимущественно для повышения поверхностной твердости, износостойкости деталей машин и механизмов.
Кроме того, азотирование обеспечивает повышение коррозионной стойкости материала, а также обеспечивает теплостойкость упрочненного поверхностного слоя, не разупрочняющегося при нагревах до температур 500 – 600 °С. Характер упрочнения в результате азотирования принципиально иной по сравнению с цементацией. Высокая твердость и износостойкость слоя достигается в результате образования сплошной нитридной зоны слоя на внешней поверхности изделия, а частичное упрочнение в переходной зоне за счет образования большого количества высокодисперсных очень твердых нитридов легирующих элементов, содержащихся в составе стали.
Для повышения коррозионной стойкости азотированию подвергают углеродистые стали. Для повышения поверхностной твердости и износостойкости используют комплексно легированные стали, содержащие хром, молибден, алюминий и другие компоненты. Примерами таких сталей являются: 38ХМЮА, 38ХЮА, 34ХН1М и др. Азотированию подвергают наиболее ответственные детали: гильзы цилиндров двигателей внутреннего сгорания, шестерни, детали топливной аппаратуры. Азотированию также подвергают нержавеющие стали ферритного или аустенитного класса: 30Х13, 40Х13, 40Х14Н14В2М и др.
После азотирования не требуется проведения какой-либо термической и механической обработки. Изделия после азотирования сразу подаются на сборку. Размеры изделий при азотировании не изменяются, поэтому азотированию подвергаются готовые детали без припусков на окончательную механическую обработку. В этой же связи, свойства, которыми должна обладать сердцевина изделия, должны быть сформированы до азотирования. Поэтому заготовки для изготовления азотируемых деталей подвергают предварительной термической обработке (улучшению), включающей закалку и высокотемпературный отпуск.
Газовой средой для азотирования является аммиак, который при нагреве диссоциирует на составные части по реакции: 2 NH3 ® 2 N + 3 H2
Образующийся атомарный азот адсорбируется поверхностью, диффундирует вглубь изделия, и взаимодействует с компонентами стали (железом, хромом, молибденом, алюминием и др.) с образованием нитридов.
Азотирование для повышения износостойкости легированных сталей проводят при температуре 500 – 560 °С с выдержками от 25 до 60 часов из расчета, что 0,01 мм слоя прирастает за 1 ч выдержки. Для сталей аустенитного класса длительность выдержки удваивается.
Структура слоя содержит 2 структурные зоны: внешняя нитридная (e и g¢) и подслой (переходная зона), представляющая собой зону азотистого феррита с выделением по границам зерен прожилок третичных нитридов. Упрочнение поверхности обеспечивает только нитридная зона слоя.
Методы совместного насыщения азотом и углеродом
Совместное насыщение поверхности деталей азотом и углеродом предусматривает возможность реализации двух принципиально различающихся способов в зависимости от того, какой из этих элементов является основным, а какой дополнительным.
Высокотемпературные процессы совместного насыщения напоминают по развивающимся процессам цементацию. В них насыщение идет преимущественно углеродом и в меньшей степени – азотом. Такие процессы по действующей классификации называют азотонауглероживанием.
Однако этот термин на практике не прижился. Технологии этого типа называют чаще высокотемпературным цианированием (если процесс ведется в расплавах солей, содержащих до 20 – 25 % цианистого натрия), или нитроцементацией (если проводится насыщение в газовых средах аналогично газовой цементации с дополнительной подачей в печь некоторого количества аммиака). Цианирование и нитроцементация обеспечивают получение слоя, аналогичного получаемому при цементации. Азот увеличивает прочностные свойства слоя, его износостойкость. Режимы обработки после насыщения практически совпадают с аналогичными режимами обработки после цементации.
Температура нитроцементации или цианирования составляет 870 – 900 °С, т.е. на 30 °С ниже, чем цементации. Совместное насыщение углеродом и азотом происходит несколько быстрее, чем только углеродом, в связи с чем, длительность нитроцементации оказывается меньше, чем газовой цементации. Скорость роста слоя составляет 0,20 - 0,25 мм/ч.
Низкотемпературные процессы совместного насыщения азотом и углеродом имеют механизм, соответствующий насыщению азотом. Температура углеродоазотирования (низкотемпературного цианирования) такая же, как и при азотировании. В этом случае и природа формирующегося слоя также аналогична азотированному слою, однако дополнительная диффузия углерода в слой приводит к образованию карбонитридов вместо нитридов, что повышает прочность слоя и несколько уменьшает его хрупкость.
Основное применение низкотемпературного цианирования – дополнительное упрочнение режущего и штампового инструмента, изготовленного из быстрорежущих и других теплостойких сталей. Инструменты после окончательной термической обработки на максимальную твердость и после шлифовки и заточки насыщают при температуре 540 – 560 °С в течение 2 – 4 ч. При этом формируется тонкий (0,04 - 0,09 мм) карбонитридный слой высокой твердости и износостойкости, увеличивающий режущую стойкость инструмента в 1,5 - 2,0 раза. Термообработки после насыщения, как и после азотирования, не требуется.
Комплексное насыщение тремя неметаллами одновременно: азотом, углеродом и серой получило название сульфоцианирование. Этот процесс используется для обеспечения особого комплекса свойств поверхностей, работающих в условиях сухого трения (без смазки) при высоких удельных давлениях. В этих условиях кроме высокой износостойкости, поверхности должны обладать хорошей прирабатываемостью друг к другу при трении, и не образовывать «задиры» на поверхности. Примерами деталей, подлежащих сульфоцианированию, являются диски тормозов, тяжело нагруженные подшипники скольжения и др. Процесс ведется в жидких (солевых) или твердых средах (карбюризаторах), в которые, кроме углеродсодержащих, азотсодержащих веществ вводят сульфид железа или небольшие добавки элементарной серы. Температура процесса от 500 до 680 °С, время выдержки 5–6ч.
Формируется слой, аналогичный нитроцементованному, общей глубиной 0,05 - 0,07 мм. Внешняя зона - сульфидная, хрупкая, глубиной 0,01 - 0,02 мм с содержанием серы до 2%.
Насыщение металлами
Металлами можно насыщать стали и чугуны, алюминиевые и медные сплавы, сплавы на основе титана и никеля, молибден и вольфрам, а также многие другие металлические или керамические материалы.
К настоящему времени созданы следующие технологически различающиеся группы процессов, способных обеспечить создание диффузионных покрытий металлами:
покрытия в порошковых твердых смесях;
диффузионное насыщение из газовой фазы циркуляционным методом;
покрытия погружением в металлические расплавы;
покрытия методом диффузионного отжига изделий с ранее нанесенной различными методами тонкой пленкой насыщающего вещества;
диффузионное удаление из поверхности одного из компонентов сплава путем нагрева его в вакууме либо иной контролируемой среде.
Наибольшее распространение имеют методы насыщения в порошковых твердых смесях. Для их проведения насыщаемые изделия упаковывают в порошковые смеси в герметичных стальных ящиках аналогично цементации.
В состав порошковых смесей должны входить три составные части:
активное металлическое вещество покрытия в виде порошка, например, при хромировании стали может использоваться порошок металлического хрома или феррохром;
нейтральный порошок, предотвращающий спекание смеси, например, обожженная глина (окись алюминия);
галогенид аммония (чаще всего хлористый аммоний), разлразлагающийся при температуре насыщения с выделением большого количества образующихся газов, в том числе газообразного хлора, который взаимодействуюет с насыщающим порошковым металлом, образуя химически активное легко разлагающееся вещество.
Образующиеся таким образом хлориды насыщающего металла переносятся в газовой среде к поверхности насыщаемых изделий, где они разлагаются как на катализаторе, в результате чего высвобождающийся атом металла адсорбируется поверхностью детали, а оставшийся хлор продолжает двигаться в газообразной среде ящика, участвуя в новых актах взаимодействия с новыми атомами насыщающего металла порошковой среды. В качестве примеров насыщения металлами рассмотрим процессы алитирования, силицирования и диффузионного хромирования.
Алитирование применяется с целью повышения стойкости к атмосферной коррозии, особенно при повышенных температурах, и, следовательно, для повышения жаростойкости и окалиностойкости стали, меди и медных сплавов. Для алитирования стали используют порошкообразный ферроалюминий - 49%, окись алюминия - 49% и хлористый аммоний - 2%. Процесс ведут при температуре 900 – 1000 °С в течение 4 – 16 ч с медленным охлаждением (с печью). Образующийся слой глубиной от 0,15 до 0,50 мм -это твердый раствор алюминия в железе, содержание которого может достигать 50%.
Силицирование - процесс насыщения поверхности стали кремнием. Силицирование применяется с целью повышения кислотостойкости поверхности, например, стальных емкостей для перевозки концентрированных кислот, за исключением плавиковой. В состав порошковой твердой среды вводят 60% ферросилиция, 39% глинозема (окиси алюминия) и 1% хлористого аммония.
Температура 950 -1000 °С, выдержка от 2 до 10 ч. Глубина формирующегося слоя от 0,3 до 1 мм. Слой содержит не травящийся кремниевый феррит (твердый раствор кремния в железе с содержанием кремния до 14%). В таком состоянии силицированный слой очень хрупкий, хотя и обладает высокой устойчивостью к коррозии в морской воде, а также стоек в азотной, серной и соляной кислотах. При невысокой твердости, этот слой неплохо сопротивляется истиранию, особенно после проварки деталей в масле при температуре 170 - 200 °С.
Диффузионное хромирование ведут для повышения поверхностной твердости, износостойкости деталей из стали и чугуна при одновременном увеличении коррозионной стойкости и кислотостойкости поверхности. Для хромирования используют металлический порошок хрома или феррохрома в количестве 50% от состава смеси, 47% окиси алюминия и 3% хлористого аммония. Температура 1050 – 1150 °С с выдержкой 12 – 15 ч. Глубина слоя от 0,02 до 0,12 мм представляет собой сложные карбиды хрома, на образование которых расходуется углерод, входящий в состав насыщаемой стали или чугуна.
Твердость карбидного слоя выше 13000 МПа, что обеспечивает высокую износостойкость поверхности детали.
Глава 8
СПЛАВЫ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
Титан и его сплавы
Титан - металл серебристо-белого цвета. Он относится к легким металлам. Его плотность 4,5 г/см3, что почти в 2 раза меньше, чем у железа и сталей. Титан в чистом виде пластичен и мягок как медь (sв = 220 МПа, d = 55%, j = 80%). Технически чистый титан трудно деформируется в связи с понижением пластичности под действием самых малых количеств примесных атомов. Титан, как и железо, является полиморфным металлом. Он имеет две аллотропические формы кристаллического строения: a-Ti – низкотемпературный – до 882,5 ºС и b-Ti выше 882,5 ºС – до tº плавления 1668 ºС. a-Ti – имеет гексагональную плотноупакованную решетку, b-Ti – объемно-центрированную.
Чистый титан имеет высокую химическую активность и сравнительно низкую прочность, поэтому на практике наиболее часто применяют не чистый титан, а сплавы на его основе, обладающие высокими прочностными свойствами.
Легирующие элементы и примеси в титановых сплавах по характеру влияния на полиморфные превращения, можно разбить на 2 группы (рисунок 8.1).
|
| 
|
| Рисунок 8.1. Диаграммы фазового равновесия в системах с титаном: а - Ti-Mo; б - Ti-Al; в - Ti-Cr |
К первой группе относятся элементы, понижающие температуру аллотропического превращения, расширяя область b-фазы, иногда даже до комнатной температуры и ниже. Такие элементы называются b-стабилизаторами (Mo, Fe, Cr, Mn, V, H и др.). Типичной системой является Ti-Mo (рисунок 8.1, а).
Ко второй группе отнесены компоненты, которые повышают температуру аллотропического превращения, сужают область b-состояния и расширяют область a-фазы. Эти элементы называются a-стабилизаторами (Al, B, O, N, C). Кислород, азот, углерод в небольших количествах можно рассматривать как легирующие элементы, упрочняющие титан. Большие количества этих элементов, а водород в любом количестве, сильно охрупчивают титановые сплавы, и должны рассматриваться как вредные примеси.
Многие легирующие элементы, ограниченно растворимые в титане, приводят к появлению эвтектоидных превращений, и поэтому диаграммы состояний со стороны титана похожи на диаграмму Fe-C (рисунок 8.1, в, Ti-Cr, Ti-Mn). Закалка титановых сплавов сообщает им метастабильные структуры мартенситного типа, высокую твердость, прочность. Применение отпуска после закалки позволяет регулировать и достигать благоприятного сочетания прочности и пластичности сплавов.
Таким образом, на титановых сплавах удается получать характеристики прочности, аналогичные сталям при гораздо меньшем по сравнению со сталью удельном весе. Высокая температура плавления позволяет получать высокие значения прочности при температуре до 500 ºС.
В связи с отмеченными достоинствами титановые сплавы находят все большее применение в авиации, ракетостроении и т.д.
Титан и титановые сплавы производятся в соответствии с ГОСТ 19807-91. - Титан и титановые сплавы. Марки, а также по ГОСТ 1900-В-78. - Сплавы титановые. Марки и ГОСТ 2278-76. - Листы из титана и титановых сплавов. Технические условия.
В зависимости от типа структуры, образующейся при охлаждении на воздухе, титановые сплавы подразделяют на 4 основные группы: a-сплавы, псевдо-a-сплавы, (a+b)-сплавы и b-сплавы (таблица 8.1). Одним из основных легирующих элементов титановых сплавов является алюминий. Сплавы, легированные алюминием, имеют в отожженном состоянии структуру однофазного a-твердого раствора (рисунок 8.1,б).
Таблица 8.1 - Химический состав, тип структуры и свойства основных титановых сплавов
| Марка сплава | Содержание элементов, % | Тип структуры | σв, МПа | δ, % | |||
| Al | V | Mo | прочие | ||||
| ВТ5 | 4,3-6,2 | - | - | - | a-сплавы | 700-950 | 10-15 |
| ВТ5-1 | 4-6 | - | - | 2-3 Sn | 750-950 | 10-15 | |
| ОТ4-1 | 1-2,5 | - | - | 0,7-2 Mn | псевдо-a-сплавы | 600-750 | 20-40 |
| ОТ4 | 3,5-5 | - | - | 0,8-2 Mn | 700-900 | 12-20 | |
| ВТ20 | 5,5-7 | 0,8-2,3 | 0,5-1,8 | 1,4-2,5 Zr | 950-1150 | ||
| ВТ3-1* | 5,5-7 | - | 2-3 | 0,8-2,3% Cr 0,2-0,7% Fe | (a+b)-сплавы | 1200-1400 | 8-10 |
| ВТ6* | 5,3-6,8 | 3,5-5,3 | - | - | 1100-1150 | 14-16 | |
| ВТ14* | 3,5-6,3 | 0,8-1,9 | 2,5-3,8 | - | 1150-1400 | 6-10 | |
| ВТ16* | 1,6-3,8 | 4-5 | 4,5-5,5 | - | 1250-1450 | 4-6 | |
| ВТ22 | 4,8-5,2 | 4,5-5,5 | 4,5-5,5 | 0,8-1,2 Cr 0,8-1,2 Fe | 1100-1250 | ||
| ВТ32 | 1 Cr, 1 Fe | b-сплавы | 800-950 | 6-15 |
Примечание: Свойства отмеченных сплавов приведены после закалки и старения; остальные сплавы - после отжига.
Одним из представителей a-сплавов является ВТ-5, содержащий 4,3-6,2 % алюминия. В сплавах этого типа протекает полная фазовая перекристаллизация при нагреве и охлаждении при переходе через критическую точку. Поэтому быстрое охлаждение из b-состояния до комнатной температуры приводит к подавлению диффузионной перестройки решетки ОЦК в ГПУ. Этот процесс при быстром охлаждении осуществляется бездиффузионно, по мартенситному механизму с образованием мартенситной a’-фазы, имеющей также решетку ГПУ, однако несколько искаженную в связи с возникновением при перестройке решетки значительного уровня внутренних напряжений. a’-фаза в чистых по примесям сплавах титана с алюминием, оловом, азотом, кислородом по своему внешнему виду не похожа на мартенсит, а имеет вид «зубчатых» зерен.
При добавлении в сплавы титана b-стабилизирующих элементов a’-фаза приобретает в структуре игольчатое мартенситное строение. Обычно сплавы, легированные только алюминием, закалке на мартенсит не подвергают, поскольку они приобретают очень высокую хрупкость, а само легирование алюминием без применения закалки достаточно упрочняет эти сплавы, даже в отожженном состоянии.
Широко распространенным является сплав ВТ3-1 (5,5-7% Al, 2-3% Мо, 0,8-2,3% Cr). Дополнительное (по сравнению со сплавом ВТ5) легирование сплава хромом (рисунок 8.1, в) приводит к появлению на диаграмме состояния эвтектоидного превращения аналогично системе Fe-C, что становится основой создания (a + b) сплавов. Медленное охлаждение со скоростью 15 ºС в час (отжиг) приводит к двухфазному состоянию a + TiCr2. Быстрое охлаждение приводит к получению мартенситной структуры.
В сплавах, легированных небольшими количествами b-стабилизаторов после закалки могут наблюдаться три вида метастабильных фазовых составляющих: a’-фаза, w-фаза и метастабильная b-фаза. w-фаза – это промежуточная мартенситная фаза, ее кристаллическая решетка гексагонального типа с отношением осей с/а = 0,61.
w-фаза является переходной фазой при превращении метастабильного твердого раствора в a-фазу. w-фаза может образовываться как при закалке, так и в результате отпуска переохлажденной b-фазы. В первом случае образование w-фазы протекает чисто бездиффузионным путем, во втором случае бездиффузионному превращению b в w-фазу предшествует диффузионное перераспределение легирующих элементов в фазе b. Бездиффузионное превращение b в w-фазу протекает путем коллективного перемещения атомов, на расстояния, не превышающие межатомные с сохранением ближайших соседей в исходной и образующейся кристаллических решетка. Особенностью мартенситного превращения b→w является отсутствие макросдвигов, которые могли бы привести к образованию микрорельефа на поверхности образца.
w-фаза имеет высокую твердость и очень низкую пластичность. Особенностью механических свойств сплавов с выделившейся w-фазой является также очень высокая хрупкость, поэтому на практике всеми возможными средствами стремятся избегать образования структуры, содержащей метастабильную w-фазу.
Метастабильная bмет.-фаза является переохлажденной до комнатной температуры b-фазой, имеющей кристаллическую решетку объемно-центрированного куба, не отличающуюся от решетки стабильной b-фазы. По сравнению с другими метастабильными фазами она отличается наименьшей твердостью и высокой пластичностью. В связи с термодинамической и механической неустойчивостью фазы bмет., она может претерпевать диффузионное или бездиффузионное превращение при последующем нагреве или деформировании, с образованием фаз a и w-фаз, причем распад идет таким образом, что на первых стадиях отпуска при низких температурах реализуется превращение bмет ® (w + b), а при дальнейшем развитии процессов распада происходит образование смесей (w + a + b) и затем (a + b). Температура отпуска, до которой наблюдается охрупчивание, связанное с выделением w-фазы, равна 450-480 ºС. Поэтому видами термообработки, приводящими к получению благоприятного сочетания прочности и пластичности сплавов с небольшим количеством легирующих элементов b-стабилизаторов, например, сплава ВТ 3-1 являются:
1) отжиг при 750 ºС с охлаждением на воздухе; при этом получаются следующие механические свойства:
sв = 950-1150 МПа, d = 10-16%, j = 25-40%, КСU = 30-60 Дж/см2;
2) закалка с 800 ºС в воде с отпуском при 500 ºС, т.е. выше интервала температур, приводящих к образованию w-фазы; при этом получают sв до 1200-1400 МПа.
При большом содержании (более 5%) b стабилизаторов Mo, Nb, W, V, Ta в структуре закаленных сплавов, кроме метастабильных фаз a’, w и bмет., появляется еще одна - a’’- фаза, представляющая собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в a-Ti, аналогично a’-фазе, и являющейся типичной мартенситной фазой. a”-фаза имеет ромбическую кристаллическую решетку. Аналогично a’-фазе, a”-фаза, имеет игольчатое строение.
Небольшое легирование сплавов, как было показано, приводит к получению после закалки мартенситной структуры a’-фазы с гексагональной искаженной решеткой. Увеличение легирования титановых сплавов приводит к более сильному пересыщению твердого раствора, в результате чего напряжения, вызванные пересыщением приводят к искажению гексагональной кристаллической решетки до ромбической. Твердость a”-фазы значительно меньше твердости a’-фазы.
Более легированные титановые сплавы, содержащие 15-25% b стабилизаторов (например, ВТ15, ВТ32) легированные Cr, V, Мо, Al, после закалки имеют структуру только метастабильной b-фазы, которая претерпевает описанные превращения как при пластическом деформировании, так и при отпуске, однако интенсивность развития очень низка и требует большой длительности отпуска.