РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ .

УСЛОВИЯ САМОВОЗГОРАНИЯ ТИТАНА И ДРУГИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В КИСЛОРОДЕ И ЕГО СМЕСЯХ

При проведении испытаний по растяжению образцов до разрыва было установлено, что такие материалы, как технические железо («Армко»), никель (НП-2) и медь (М-1), углеродистая сталь Ст-3, Cr-Ni стали 12Х18Н10Т, 07Х16Н6, Х15Н5МВФБ, никелевые сплавы ХН67МВТЮ, ХН73МВТЮ, ХН78Т, латуни Л-90, Л-63, бронзы БрХ08, БрБ2, БрА5, не подвержены возгоранию при разрушении как в жидком, так и газообразном кислороде во всем диапазоне исследованных температур (77-873 К) и давлений (0,2-20 МПа).

В то же время при указанном способе разрушения все испытанные промышленные и опытные титановые сплавы вне зависимости от вида образцов показывают способность к возгоранию как в жидком, так и в газообразном кислороде.

Как показал осмотр образцов после испытаний, при давлениях кислорода ниже некоторого, характерного для каждого титанового сплава, критического значения Р" появление ювенильной поверхности в контакте с кислородом приводит только к потемнению отдельных мест излома, что может свидетельствовать о протекающем там интенсивном окислении металла. При достижении критического давления Р* на отдельных участках (одном или нескольких) излома обнаруживаются потухшие очаги возгорания в виде полусфер цветов побежалости (рис. 3.1), что свидетельствует о разогреве локальных точек ювенильной поверхности выше температуры плавления металла.

Рис. 3.1

Микрофрактограмма поверхности половинок образца сплава ОТ4-1 после его разрыва в кислороде при различном давлении:

(• — потухшие очаги возгорания): а — Р = 1,4 МПа, х24; б — Р = 1,6 МПа, х24; в — Р = 2,1 МПа, х72.

По мере дальнейшего увеличения давления размер очагов возгорания увеличивается и при некоторой величине Р горение распространяется на всю половинку разорванного образца, в результате чего она сгорает практически без остатка.

Следует отметить, что давление кислорода, при котором появляются начальные очаги возгорания, фиксируемое в настоящем исследовании как Р* того или другого сплава, существенно меньше давления, при котором горение распространяется на весь образец этого материала. Так, для технического титана, характеризующегося значением Р* = 2,3 МПа, сгорание всего образца происходит только при давлении кислорода 4,2 МПа, т. е. при давлении примерно в два раза большем Р‘.

Экспериментально установленные значения критического давления возгорания исследованных титановых сплавов при температурах окружающей среды Т₀ = 293 и 473 К представлены в таблице 3.1.

Как можно заключить из данных таблицы 3.1, наибольшую склонность к возгоранию из испытанных сплавов при анализируемых температурах показывает сплав ОТ4-1, у которого значение Р* минимально (0,7 МПа при 473 К), наименьшую — технический титан ВТ1-0 (Р" = = 2,3 МПа при 293 К и 2,9 МПа при 473 К). Причем значение критического давления возгорания технического титана при переходе от цилиндрических образцов (d = 3 мм) к плоским (8 = 1-1,5 мм) с двухсторонним пропилом практически не изменяется. Повышение температуры от 293 до 473 К для одних сплавов (Ti-15Zr, ОТ4-1) способствует

Таблица 3.1

Значения Р' титановых сплавов, установленные при растяжении цилиндрических образцов (d = 3 мм) до разрыва в газообразном кислороде

Примечания. * — плоские образцы с двухсторонним пропилом; ** — цилиндрические образцы с V-образным кольцевым надрезом глубиной 0,5 мм; *** — цилиндрические образцы после 2-часового отжига при 1273 К в вакууме.

снижению значений P’, для других (BT1-0, ПТ-ЗВ) — повышению.

Осмотр половинок разорванных цилиндрических образцов позволил сделать вывод, что разрушению всех испытанных титановых сплавов предшествует значительная сосредоточенная пластическая деформация в шейке образца, сопровождаемая образованием на поверхности многочисленных линий сдвигов металла, а разрушение протекает с образованием излома типа «конус — чашечка» матового цвета (рис. 3.2а, б). При этом начальными очагами возгорания практически всегда служат вершины микро- пиков на периферийной части «чашечной» половинки излома (рис. 3.26). В случае если следы горения обнаруживаются и на другой половинке образца (с изломом в форме конуса), то они, как правило, расположены в местах, симметричных очагам на первой половинке (рис. 3.1а, б).

В случае разрушения плоских образцов с пропилом образуется пепельный волокнистый излом, расположенный под углом ~ 45° к направлению действия нагрузки (рис. 3.3а), на острой грани которого и начинается горение (рис. 3.36).

Как следует из данных таблицы 3.1, нанесение на цилиндрические образцы V-образного кругового надреза или высокотемпературный отжиг образцов в вакууме приводит к существенному увеличению значения Р* материалов: для ВТ1-0 с 2,3 до 4,5 и > 5,0 МПа соответственно. При этом меняется вид рабочей части разорванного образца и места излома: исчезает шейка, а излом приобретает блестящий цвет (рис. 3.4). Как показывает металлографический анализ, высокотемпературная выдержка образцов приводит к существенному росту зерна металла (с ~ 20 до ~ 400 мкм).

В опытах по разрыву надрезанных образцов из титановой фольги было обнаружено [27], что значение критического давления возгорания материала весьма существенно зависит от вида надреза и толщины фольги. В таблице 3.2 представлены значения критического давления возгорания образцов из фольги различной толщины при двух видах надреза, расположенные в порядке возрастания Р*.

Рис. 3.2

Образцы титана BT1-0 после разрыва в кислороде:

а — приР = 2,0 МПа(< Р‘); б — приР = 2,5 МПа (> Р‘) (* — места возгорания).

Рис. 3.3

Половинки образцов титанового сплава ПТ-7М, разорванных в кислороде при давлениях Р = 1,3 МПа (Р < Р*) (а) и Р — 1,5 МПа (Р > Р*) (б)

Рис. 3.4

Вид образцов титана ВТ 1-0 после разрыва в кислороде при Р = 2,0 МПа (< Р'): а — исходных; б — после 2-часового термостатирования при 1273 К в вакууме.

Таблица 3.2

Зависимость критического давления возгорания фольги из титана ВТ1-0 в кислороде (Т= 293 К) от толщины фольги и вида надреза

Там же приведены соответствующие им скорости распространения трещины разрушения на заключительной стадии разрыва образца, установленные в результате фотометрических наблюдений. Типичная фотограмма развития трещины, использованная для определения F_max, представлена на рисунке 3.5. (Для данного образца на заключительном этапе разрушения за время 0,001 с трещина распространилась на 2,6 мм, что обеспечивает величину ^Vmax = 2600 ММ/С.)

В соответствии с результатами наблюдений (рис. 3.5) было установлено, что разрушение образцов фольги во всех случаях начинается с образования трещины в вершине одного из надрезов, которая начинает распространяться к вершине другого надреза или (при его отсутствии) к противоположной стороне образца. При этом, за исключением заключительного этапа разрушения, трещина распространяется по всем образцам примерно с одинаковой, сравнительно невысокой скоростью V ~ 0,2-2,0 мм/с. И лишь за несколько микросекунд до окончательного разделения образца на части скорость распространения трещины начинает зависеть от толщины фольги и вида надреза, возрастая для отдельных комбинаций более чем в тысячу раз (до 2600 мм/с). Сопоставление результатов фотометрических измерений скорости распространения трещины на заключительном этапе F_max с величиной критического давления возгорания образцов позволило выявить зависимость между этими параметрами (табл. 3.2): с увеличением F_max значение Р* монотонно убывает. При этом образцы фольги

Рис. 3.5

Фотограмма развития трещины в образце титановой фольги толщиной 0,05 мм с двухсторонним надрезом (хб), t = 0 с — момент образования трещины:

а — ( = 3,000 с; б — 3,210 с; в — 3,318 с; г — 3,319 с.

с высоким значением скорости распространения трещины F_max характеризуются критическим давлением возгорания (3,5 МПа), приближающимся к величине Р* цилиндрических образов титана той же марки без надреза (2,3 МПа из табл. 3.1). Соответственно образцы, разрушающиеся на заключительном этапе с низкой скоростью, не подвергаются возгоранию в кислороде даже при его давлении 10 МПа (максимальном значении, достигаемом в экспериментах).

Испытания по ударному воздействию на металл проводили на пластинах титановых сплавов толщиной 2 мм при комнатной температуре (293 К). При этом виде испытаний значения Р’ оказались несколько превышающими величины Р* соответствующих материалов, установленные при растяжении образцов (табл. 3.1): -2,7 МПа для технического титана ВТ1-0, -1,7 МПадля сплава ПТ7М и 1,0 МПа для сплава ВТ6С. При давлениях кислорода, близких к Р", возгорание ограничивается только местом удара (рис. 3.6), при Р» Р* горение распространяется на весь образец. Результаты экспериментов по пробою мембран из титановых сплавов с истечением потока кислорода через образовавшееся отверстие представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3

Критическое давление возгорания при пробое мембран из титановых сплавов

Рис. 3.6

Потухший очаг возгорания в месте удара по образцу сплава ПТ7М в кислороде, Р = 2,0 МНа (Р>Р')

Как видно из сопоставления данных таблиц 3.3 и 3.1, значения Р* материалов, установленные при истечении потока кислорода через образовавшееся в результате удара отверстие (2,8-нЗ,2 МПа) и при растяжении образцов до разрыва в условиях естественной конвекции (2,3 МПа из табл. 3.1), близки между собой; при увеличении толщины разрушаемой мембраны значение Р' титана существенно не изменяется.

Рис. 3.7

Остатки устройства после сгорания в нем мембраны из титанового сплава ПТ7М

Необходимо отметить, что горение титановых сплавов в потоке кислорода протекает с существенно большей интенсивностью, чем в статических условиях: возгорание и горение сплава ПТ7М при истечении кислорода (Р₀ ⁼ = 5 МПа) через разорванную мембрану привело к возгоранию испытательного устройства и выходу его из строя (рис. 3.7).

Результаты экспериментального исследования 55

и и in и hi и in hi и in и hi и in и hi hi и hi и in n in n hi hi и in n in in n in и hi n in hi и in и hi и in hi и hi и in n in hi и in n in n in и hi hi n in и hi n in и hi hi и hi и in и hi и in hi и hi и in n in hi и in n in n in in и hi

Таблица 3.4

Критическое давление возгорания Р', МПа, титановых сплавов в жидком кислороде

Исследования условий самовозгорания в жидком кислороде проводили на пластинах титана и сплава ВТ6С при двух способах разрушения материала. Результаты экспериментов иллюстрирует таблица 3.4.

Как следует из сопоставления данных таблицы 3.1 и ранее представленных результатов испытаний материалов при ударе с данными таблицы 3.4, при переходе от газообразного кислорода (при 293 К) к жидкому (при 77 К) значение Р’ для титана ВТ 1-0 несколько увеличивается (с 2,3 до 2,7 МПа при испытании на разрыв), для сплава ВТ6С остается неизменным (0,8 при разрыве и 1,0 МПа при ударе).

В серии опытов по растяжению образцов до разрыва в газовых смесях было подтверждено [19]-[ 21], что разбавление кислорода менее реакционноспособными реагентами (азотом и парами воды) приводит к существенному увеличению критического давления возгорания титановых сплавов (рис. 3.8, табл. 3.5). Можно отметить, что

Рис. 3.8

Зависимость критического давления возгорания Р'_тх титановых сплавов ВТ1-0 (1), IIT17 (2), ОТ4-1 (3) в кислородсодержащих смесях от парциального давления разбавителя

Таблица 3.5

Минимальное парциальное давление кислорода в смеси с азотом и парами воды, необходимое для возгорания титановых сплавов (То = 293 К)

Примечания. * — при Го = 413 К; *' — при Го = 443 К; — при Го = 473 К.

очаги возгорания (полусферы), фиксируемые на поверхности разрушения образцов после их разрыва в парокислородных смесях, имеют цвет ржавчины.

Исследования условий возгорания металлов при более высоких температурах (> 873 К) и давлениях (> 20 МПа) проводили на образцах нержавеющей стали 12Х18Н10Т как материала, широко использующегося в химическом машиностроении, и технического железа «Армко», для выяснения возможного влияния легирования. Отдельные опыты были проведены на никелевых сплавов ХН67МВТЮ, ХН73МВТЮ.

При разрыве образцов в высокотемпературном потоке газовой кислородсодержащей смеси (0,310₂-0,66N₂- 0,03NO) общего давления Pv = 3,5-н4,9 МПа оказалось, что в исследованных интервалах температур Т₀ = 1273-н 1573 К и парциальных давлений кислорода в смеси P_mix = = 1,05-н1,47 МПа появление ювенильной поверхности стали 12Х18Н10Т не приводит к ее возгоранию. В то же время при разрыве образцов железа появляющаяся ювенильная поверхность возгорается во всем интервале парциальных давлений кислорода. При этом каждому его значению P,„_ix соответствует своя температура Т₀ образца (табл. 3.6).

Как показали эксперименты по разрыву образцов в чистом кислороде высокого давления (60-н70 МПа) с использованием устройств, представленных на рисунках

Таблица 3.6

Зависимость критического давления возгорания железа «Армко» от температуры образца перед разрушением

Рис. 3.9

Микрофотография поверхности разрушения никелевого сплава ХН67МВТЮ после разрыва образца в кислороде Т₀= 1373 К, Р = 60МПа, х10:

* — потухший очаг возгорания.

Рис. 3.10

Критическое давление возгорания Р‘ при разрушении образцов материалов в кислородсодержащей среде как функция от температуры испытаний Т₀:

+ — техническое железо (разрыв в потоке 0₂-N₂-N0 смеси); О — техническое железо (разрыв трубок давлением0₂); • — сталь 12Х18Н10Т(раз- рыв трубок давлением 0₂); ?, * — сплавы ХН67МВТЮ (?), ХН73МВТЮ (») (разрыв цилиндрических образцов в 0₂ в условиях естественной конвекции).

2.1, 2.2, образцы сплавов ХН67МВТЮ, ХН73МВТЮ подвергаются возгоранию в этой среде лишь при значениях Т₀ и Р, близких к предельным из достижимых в экспериментах (рис. 3.9). В то же время как железо, так и нержавеющая сталь возгораются, начиная с температур испытаний Т₀ ~ 1073-^1173 К.

С ростом величины Т₀ давление кислорода Р% необходимое для возгорания материалов, убывает. Вид зависимостей Р* = f(Tо) для высокотемпературного разрушения металлических материалов при различных методиках испытаний иллюстрирует рисунок 3.10.