Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник

Подождите немного. Документ загружается.

woo

too

600

800

WOO

ucn

Рис.

49. Влияние температуры на пластичность и прочность ниобия электрон-

но-лучевой (о) и

дуговой

(б) плавки:

— нагартованный; 2 — рекристаллизованный

сти для металлов: при повышении температуры а

понижается, г|) уве-

личивается (табл. 33, рис. 49).

Влияние температуры на механические свойства ниобия дуговой

вакуумной плавки

следующее

[1]:

исп*

315

480

650

870

1095

1205

1315

1370

МПа

333

370

291

152

105

МПа

248

184

129

с,,.

в.

*. %

100

По

мере повышения чистоты пластичность улучшается и после до-

статочно высокой очистки г£> должно приближаться к 100 %, а зоны

хрупкости — полностью исчезнуть.

Пластичность более чистого ниобия очень высокая: при 20

С ф =

96%, а при

1100°С

1)з=100% [1]. Некоторое уменьшение пластично-

ТАБЛИЦА 33. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ИСПЫТАНИЯ НА

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИОБИЯ РАЗЛИЧНОЙ ЧИСТОТЫ [1]

'исп'

300

400

500

800

900

1000

1300

1500

Содержание

примесей,

МПа

397

439

449

457

330

242

175

114

—

0,03—0,05,

02 0,04

0,05—0,

0, %

30,6

27,4

22,3

17,3

27,9

31,8

32,1

51,9

57,6

55,9

49,8

.—

82,6

92,5

94,3

—

),03,

О 0,01,

0,02—0,03

МПа

325

285

—

222

164

122

6, %

40,6

23,3

—

32,4

25,8

.—

48,0

Ф.

76,6

73,2

—

80,4

88,6

95,0

99,4

МПа

222

197

213

196

228

193

137

0,02,

0,009,

0,006

в.

32,9

38,5

45,7

25,1

27,7

34,0

56,0

50,8

Ф. %

83,6

96,0

96,1

91,5

92,9

93,5

97,5

97,9

сти при 300 и 550 °С

обусловлено

недостаточно

полной

очисткой

от

примесей.

Ниобий

(содержащий

0,23 % Та,

0,088

% Fe,

0,088

% Si,

0,022

% О

0,021 % С, 0,014 % N и

0,0007

% Н),

плавленный

дуговой

вакуумной

печи

расходуемым

электродом

после

ковки и

отжига

1 ч при

1350Х,

показал

непрерывное

увеличение

относительного

сужения

от 74 % при

0°С до 100% при

2300

°С [1].

Двукратная

электронно-лучевая

плавка

позволяет

существенно

понизить

содержание

примесей:

N С Fe Ti Si

Содержание приме-

сей,

до плавки . , . .

0,080

0,026

0,015 0,05 0,10 0,05

после плавки . . . 0,001

0,004

0,015 0,01 0,01 0,01

Минимум пластичности технического ниобия (99,8 %) при 250—

350 °С обусловлен взаимодействием движущихся дислокаций с раство-

ренным

кислородом, а при

500—600°С

—с растворенным азотом [1].

102

Кислород упрочняет ниобий и понижает пластичность:

О,

0,03

0,161

0,208

0,279

0,315

0,371

0,410

0,565

МПа

194

420

477

534

672

730

742

Об!

, МПа

282

527

630

683

940

941

904

разец разоушилс

в.

29,3

16,9

17,7

20,7

20,5

10,4

9,8

Наличие 0,3 % углерода

ухудшает

механические свойства ниобия

до а„=471 МПа, 6=20 %, гр=33 %.

Примеси

внедрения повышают t

технического ниобия (табл. 34)

(рис.

50—52).

100

-100

-200

-273

0,1 0,2 0,3

Примеси внедрения,

Рис.

51.

Влияние примесей внед-

рения

на

переход ниобия

хрупкости

при

изгибе

[1]

Ан

-273-200

-100 0

+W0t

Рис.

50.

Влияние примесей внедре-

ния

(цифры

на

кривых)

на

пере-

ход ниобия

хрупкости

при рас-

тяжении

[1]:

—

водород;

б —

углерод;

в —

кис-

лород

ТАБЛИЦА

34.

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ

НА <

НИОБИЯ

[11

Ниобий

Дуговой плавки, рекристалли-

зован при 1200 °С

Электронно-лучевой плавки, ре-

кристаллизован при

1200°С

Проволока, отожженная в ва-

кууме МО

—7-Ю-

Па . . .

Содержание

примесей, тыс.

доли

0,1

0,8

,°c

—

185

—200

-272

103

-273 -200

-WO

+100

tx'C

Рис.

52. Влияние кислорода и водорода (%) на

переход

к хрупкости и чув-

ствительность к надрезу рекристаллизованного и деформированного ниобия

Ш:

а — рекристаллизованные образцы (гладкие — сплошные кривые, с надрезом—

пунктирные кривые);

б — гладкие образцы (рекристаллизованные — сплошные кривые, деформиро-

ванные — пунктирные кривые):

в — деформированные образцы (гладкие — сплошные кривые, с надрезом —

пунктирные кривые);

г — надрезанные образцы (рекристаллизованные — сплошные кривые, дефор-

мированные—пунктирные кривые);

/ - 0,015 % О;

2-0,0484

%О; 3 — 0,132 %О; 4 - 0,02 %Н;

5-0,039%Н

104

ТАБЛИЦА 35. ВЛИЯНИЕ СРЕДЫ НА СОДЕРЖАНИЕ ГАЗОВ

В ГОРЯЧЕКАТАНОМ

НИОБИИ

[1]

Среда

Воздух

Аргон

Вакуум 10-' Па

Вакуум 3-Ю

Па

/ °с

'пр'

До прокатки

1100

1200

1100

1200

1100

1200

1300

Содержание примесей, %

0,025

0,13

0,18

0,045

0,025

0,030

0,025

0,022

0,020

0,001

0,003

0,005

0,0012

0,0008

0,0006

0,0008

0,01

0,02

0,03

0,012

0,001

0,008

0,007

0,008

Легирование ниобия молибденом повышает его прочность; при тем-

пературе —196 °С понижает пластичность [1].

Внешняя

среда оказывает существенное влияние на содержание

примесей в ниобии и на его свойства (табл.

35—37

и рис. 53).

400

300

о*

30 .

0,007

Воздух

Аргон

13 0,13

Вакуум, Па

Рис.

53. Влияние среды на механические свойства ниобия II]

ТАБЛИЦА 36. ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ НА

ПЛАСТИЧНОСТЬ

НИОБИЯ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ [1]

<исп'

СС

1200

1500

в, %. при давлении, Па

10'

13 300

1330 | 133

Ю—з

Свойства ниобия при 20 °С после горячей прокатки с 50

жатием при 1200 °С в различных средах [1]:

Среда

Воздух

Гелий Вакуум

Па

, МПа 480 560 650

б, % 2 4 6

-ным

об-

Вакуум

3- 10-3

Па

625

105

ТАБЛИЦА

37.

СВОЙСТВА

НИОБИЯ

С 1 % Zr

ПОСЛЕ

10ч

ВЫДЕРЖКИ

В АТМОСФЕРЕ АРГОНА

ПРИ 1000 °С

Примеси

Ю-

10-1

Ю-

% (объемн.)

Ю-

ю—*

10-4

1С-

Ю-

МПа

510

530

294

343

470

б.

Примеси,

(объемн.)

Ю-

10-4

Ю-

10-1

Ю-

10-4

10—

10-"

1С-

4-Ю-

1С-

10-1

МПа

480

402

490

540

470

Влияние внешней среды при горячей прокатке на механические

свойства ниобия толщиной 1,5 мм [1]:

р,

Па 105

з-10-

/10

, МПа 495 436

6, % 17 21

t, % 34 50

0,1

426

•10-3

395

числителе

— при

нагреве,

знаменателе

— при

прокатке.

Испытания

чистового ниобия марки

НВЧ на

ползучесть

при 1000 °С

69 МПа

привели

разрушению образцов

вакууме через

270 мин при

6=28

%, в

спокойном воздухе—через

126 мин при 6=14 %, а в

скоро-

стном воздушном потоке

—

через

41 мин при 6=7

%• Скоростной

воз-

душный поток уменьшал сечение образца вследствие образования

ока-

лины

уноса

ее

потоком газа

[1].

Образцы спектрально-чистого ниобия

при

испытании

на

ползучесть

длительную прочность

при

1400—2000

°С в

вакууме

10~

Па

были

пластичными,

а в

вакууме

Ю-

Па

разрушались

по

границам зерен

[1].

Однако вакуум

10~

—10~

Па и

инертные газы промышленной

чистоты нельзя считать нейтральными средами,

не

воздействующими

на

ниобий

при

1000—1800

°С.

Наличие даже небольшого количества

при-

месей кислорода, углерода

азота приводит

образованию оксидов,

карбидов

нитридов

на

поверхности

и по

границам зерен

и к

ухудше-

нию

свойств (табл.

38).

ТАБЛИЦА

38.

ВЛИЯНИЕ УХУДШЕНИЯ ВАКУУМА

НА

ПОЛЗУЧЕСТЬ

НИОБИЯ

С 1 % Zr, ПРИ 1000 °С И

НАПРЯЖЕНИИ

50 МПа ЗА 1000 ч НА

СОДЕРЖАНИЕ

ГАЗОВ

ОБРАЗЦАХ

[1]

Вакуум,

Па

4-10-»

10-4

1 •

Ю-»

7-Ю-з

Деформация

пол-

зучести,

Содержание

азов,

0,015

0,03

0,04

0,06

0,01

0,1

0,3

0,5

0,0001

0,0005

0,002

0,005

0,008

0,01

0,02

0,03

106

Ниже

приведены значения длительной прочности Стд

ниобия с

1% Zr при 1100 °С в

вакууме

с различным парциальным давлением

углерода

р [1]:

Вакуум,

Па р, Па о

дл>

МПа

МО-

4,5-10-5

Ы0-*

4,2-10-5

127

4-Ю-

МО-

147

При

высоких температурах

даже

гелий высокой чистоты оказывает

влияние

на механические свойства ниобия вследствие наличия в нем

небольших примесей. 4-часовой нагрев при 1100 °С пластин толщиной

мм из рекристаллнзованного ниобия и его сплава с 1 % Zr в гелии

высокой

чистоты (ТУ

51-689—75)

приводит к охрупчиваншо вследствие

наличия

в нем примесей [32].

Прокатка

клиновидных образцов технического ниобия показала, что

при

20 °С допустимая степень обжатия равна 60 %, а при 400 °С и вы-

ше

70—80

% [1].

Слитки

ниобия технической чистоты (0,02 % О, 0,03 % N, 0,02 % С)

с НВ

100—120

хрупко разрушаются по границам зерен при ковке

ниже 1000 °С. При уменьшении содержания кислорода до

0,001—0,002

азота до

0,004—0,005

% после электронно-лучевой плавки слитки нио-

бия

диаметром

100—200

мм можно ковать при 20 "С или прокатывать

из

них фольгу толщиной 10—15 мкм без промежуточных отжигов.

Чистый

ниобий пластичен, хорошо поддается обработке давлением,

выдерживает 90 %-ные обжатия в холодном состоянии. Его можно

подвергать любым видам обработки: прокатке, ковке, прессованию,

волочению.

ТАНТАЛ

Атомный номер тантала 73, атомная масса

180,948,

атомный радиус

0,146 нм. Известно 15 изотопов, из них один стабильный. Электронное

строение [Хе]

5rf

Электроотрицательность 1,1. Потенциал

иони-

зации

7,7 эВ. Кристаллическая решетка — о. ц. к. с параметром а=

=0,3307 нм. Плотность 16,50 т/м

. /

ПЛ

2997°С,

КИП

5287°С

Упругие

свойства:

£=186

ГПа, С=70 ГПа.

Тантал в атмосфере

воздуха

и кислорода при температуре до 100 °С

устойчив, выше 260

С окисляется и приобретает хрупкость. В азоте

тантал устойчив до

150°С,

выше 200

С абсорбирует его и охрупчива-

ется, выше 800 °С образует нитриды. С углеродом при температуре

выше 1200 °С тантал образует карбиды. С водородом тантал при 100—

7"00 °С образует гидриды и охрупчивается.

Тантал, выплавленный в дуговой вакуумной печи и содержащий

0,003

% О,

0,002

% N и

0,0008

% Н, обладает следующими механиче-

скими

свойствами [1]:

ПАЛ ПО

После отжига

440—540

23-30

75—80

140

Влияние температуры на механические свойства спеченного тан-

тала (0,02 % С, 0,013 % N,

0,0056

% О, 0,01 % Nb, 0,01 % W,

107

НВ

МПя

. .

% ...

После

деформации

930—960

2 5

5—7

230

0,015 % Fe) после холодной прокатки и отжига (испытания в вакууме,

скорость растяжения 2,3 мм/мин) [1]:

<исп' °в' °о,2' 6 '/ исп' "в"

ст

о,2' ft v исп' "в

°0.2' 6 о/

"С МПа МПа '

/о

"С МПа МГТа ' '" °С МПа МПа ' '*

-195

—73

205

1020

505

463

409

386

1020

500

396

293

244

316

427

538

649

760

510

450

413

308

209

260

230

180

130

117

871

982

1093

1204

153

149

116

102

Влияние

температуры на свойства спеченного тантала приведено

табл. 39.

ТАБЛИЦА

39. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СВОЙСТВА СПЕЧЕННОГО

ТАНТАЛА

ТЕХНИЧЕСКОЙ ЧИСТОТЫ ПОСЛЕ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ

ОТЖИГА

ПРИ ИСПЫТАНИИ В АРГОНЕ

исп'

"С

Ура

1649

1927

2204

ст

, МПа

=0,076

28/28

6,3/12,4

— /2,8

0 2

, МПа

мм/мин

26/27

4,2/5,5

— /2,8

6, %

'исп' °

1649

2204

2760

а,,, МПа

69/74

25/27

16/14

°о.2'

МПа

мм/мин

52/48

12/11

9/8

б.

44/46

48/51

Примечание.

числителе

приведены свойства

при

выдержке

10 с, в

знаменателе—

при 90 с.

Примеси

внедрения повышают твердость по Бринеллю, временное

сопротивление и предел текучести, понижают относительное удлинение

относительное сужение, сообщают танталу хладноломкость (рнс.

54, 55).

Ниже

показано влияние примесей на механические свойства танта-

ла при 20 °С [1]:

Содержание

МПа

—

0,0560

0,0225

0,0955

О2

'б,

200

179

412

344

503

469

496

337

Влияние

примесей на твердость тантала [1]:

Содержание

примесей,

0,0033

0,001

0,006

0,001

0,077

0,044

0,006 0,006

0,027

0,010

0,007

0,009

90—105

73—75

60—64

56—60

108

о,

55-

002

004

005

-57

,002

,006

,001

53-

100

Z.3

-zoo

-wo

-two

'с

-273-200

-WO 0 +100

+200

t "r

ucn,

Рис.

5Ь. Влияние водорода на переход

хрупкости и чувствительность к на-

дрезу деформированного и рекристал-

лиэованного

тантала. Обозначения см.

на

рис. 52:

-0,0002% Н; 2-0,0135% Н; 3-

0,0271 % Н

Рис.

54. Влияние кислорода на переход

хрупкости и чувствительность к над-

резу деформированного и рекристалли-

зованного

тантала. Обозначения си.

на

рис. 52:

0,003

%О; 3 -

0,0489

%О;

0,0758

%О

Электронно-лучевая

плавка

позволяет

существенно

очистить

тантал

от

примесей

[1]:

О N С Fe Si

Содержание примесей, %

до плавки 0,100

0,040

0,085

0,026

0,015

после плавки ....

0,0005

0,001 0,001

0,002

0,005

Температура

перехода

хрупкости

тантала

электронно-лучевой

плавки

также

ниже [1]:

СпеченныЯ

антал

Содержание

примесей, %:

0,006

0,008

С 0,0014

°С . . .

—200

Тантал

электронно.

лучевой

плавки

0,0008

0,003

—250

109

Очень чистый тантал остается высокопластичным даже при темпе-

ратурах,

близких к абсолютному нулю [1].

При

насыщении тантала азотом повышается твердость и изменяют-

ся

механические свойства (табл. 40).

ТАБЛИЦА

40.

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИИ АЗОТИРОВАНИЯ

ПРИ 0,1 МПа НА

СВОЙСТВА ХОЛОДНОКАТАНОГО

(0,5 мм)

ТАНТАЛА ЭЛЕКТРОННО-

ЛУЧЕВОЙ ПЛАВКИ

[1]

(, "С

1100*

1200*

1400*

1000

1100

1200

1300

1400

т,

0,25

0,5

Увеличение

мас-

сы,

г/см*

•

—

103

127

205

267

296

361

328

406

442

540

МПа

291

278

267

456

556

745

413

551

589

659

632

388

655

451

290

485

368

348

247

341

380

311

307

в,

()

на

поверх-

ности

102

252

346

406

177

246

463

762

784

806

730

806

864

913

969

1065

1106

1050

1244

1368

1544

на

глубине

0,1

мм

—

122

161

261

120

124

202

420

596

653

405

632

730

860

895

926

909

952

913

930

1006

Отжиг

вакууме.

Тантал очень хорошо поддается обработке давлением при 20 °С;

он

выдерживает 95 %-ное обжатие

между

отжигами. Его пластичность

сохраняется и при высоких, и при низких температурах.

Горячая прокатка при 1300 °С тантала, содержащего 0,01 %О и

0,005

% Н, приводит к уменьшению содержания кислорода до

0,006

при

прокатке в атмосфере гелия и до 0,001 % при прокатке в вакууме

7-Ю-

Па. Обжатие при прокатке в вакууме при 1350 °С клиновидных

образцов тантала превышает 90 °/о, тогда как при прокатке в воздуш-

ной

среде оно равно 40, а в гелии 45% [1]: трещины при прокатке

на

воздухе

распространяются преимущественно по границам зерен.

Тантал, прокатанный в вакууме (особенно при

7•

10~

Па), имеет

МП