Utjecaj procesa toplinske obrade na strukturu i mehanička svojstva šipki od legure titana visoke čvrstoće

1. Uvod

Titan i legure titana imaju mnoga izvrsna svojstva kao što su visoka specifična čvrstoća, otpornost na koroziju i otpornost na visoke temperature. Uz sve veću potražnju za učinkom materijala u zrakoplovstvu, pomorskom inženjerstvu, oružju i opremi, biomedicini, petrokemiji i drugim poljima, legure titana visoke čvrstoće brzo su se razvile. Legura titana gotovog tipa može postići izvrsna svojstva visoke čvrstoće i žilavosti putem optimizirane obrade i postupci toplinske obrade Legure titana s vlačnom čvrstoćom od 1300 MPa, istezanjem od 6 % i žilavošću loma od 50 MPa/m2 obično se nazivaju legurama titana ultravisoke čvrstoće Istraživanja pokazuju da veličina zrna, duljina i debljina lamela i faza na granici zrna glavni su čimbenici koji utječu na čvrstoću i žilavost titanovih legura. Lamele unutar zrna mogu ojačati matricu i produžiti put širenja pukotine, što je korisno za optimizaciju legure. Jaka žilavost. Kontinuirane granice zrna utjecat će na plastičnost legure, ali kada je veličina zrna veća od plastične zone vrha pukotine, to neće utjecati na žilavost legure Niinomi et al. otkrili da se veličina zrna legure Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo povećava, otpornost na nukleaciju pukotina se povećava, a žilavost legure na lom poboljšava. Kako bi se dobile legure titana visoke čvrstoće i žilavosti, legure titana obično se toplinski obrađuju u faznoj zoni kako bi se dobila veća zrna s jednakom osovinom, a puna lamelarna struktura dobiva se daljnjim ojačavanjem starenjem kako bi se poboljšala čvrstoća legure

 

obrada fazne zone oblikuje jednakoosna zrna. veličina zrna i čvrstoća granica zrna glavni su čimbenici koji utječu na čvrstoću i žilavost legura titana ultravisoke čvrstoće. To je ekonomičan način kontrole mikrostrukture titanovih legura podešavanjem parametara procesa toplinske obrade. I učinkovita sredstva za jačanje . U ovom se radu dobivaju strukture s različitim veličinama zrna i različitim morfologijama granica zrna regulacijom sustava toplinske obrade legura titana visoke čvrstoće. Proučava se utjecaj vremena stajanja čvrste otopine u faznom području na veličinu zrna i mehanička svojstva legura titana visoke čvrstoće. Dvostupanjski Utjecaj grubljeg ponašanja granica zrna na mehanička svojstva legura tijekom procesa čvrste otopine daje teoretsku referencu za industrijsku proizvodnju legura titana visoke čvrstoće.

2. Eksperimentirajte

Legura titana korištena u eksperimentu je nova vrsta legure Ti-Al-Mo-V-Cr-X koju je neovisno razvila autorova istraživačka grupa. Točka fazne transformacije legure je oko 800 stupnjeva. Nakon tri puta taljenja potrošnog materijala u vakuumu dobiva se ingot. Nakon otvaranja fazne zone, (+) fazna zona i fazna zona se kuje kako bi se dobila šipka od legure titana velike veličine promjera 400 mm.

Kako bi se izbjegla nedovoljna ujednačenost strukture velike šipke i utjecalo na eksperimentalne rezultate, uzorkovan je samo materijal jezgre kovane šipke. Različiti dizajni procesa toplinske obrade prikazani su na slici 1. Uzorak legure podvrgnut je obradi čvrstom otopinom u faznoj zoni, održavan 5 do 240 minuta, hlađen zrakom, a zatim ujedinjen na 530 stupnjeva tijekom 4 sata starenja, kao što je prikazano na slici 1a. Legura se podvrgava dvostupanjskoj čvrstoj otopini, dvostupanjskoj čvrstoj otopini metodi A: prvo kruta otopina na temperaturi višoj od točke fazne transformacije (820 stupnjeva) tijekom 1 sata, zatim se hladi zrakom na sobnu temperaturu, a zatim prolazi kroz (+) faznu zonu na različitim temperaturama (740, 760 i 780 stupnjeva), respektivno, a zatim se hladi zrakom na sobnu temperaturu (izračunato kao 820 + 740, 820 + 760 i 820 +780 respektivno) 1 sat, i konačno podvrgnut tretmanu starenja na 530 stupnjeva/4 sata, kao što je prikazano na slici 1b. Dvostupanjska metoda čvrste otopine B: Kruta otopina na 820 stupnjeva tijekom 1 sata, zatim se polako hladi u peći na različite temperature u zoni (+) faze (740, 760 i 780 stupnjeva), drži se 1 sat i zatim se hladi zrakom do sobne temperature. temperaturi (odnosno izračunato kao 820 ~ 740, 820 ~ 760 i 820 ~ 780), i na kraju podvrgnut tretmanu starenja na 530 stupnjeva / 4 sata, kao što je prikazano na slici 1c.

Nakon što su gornja čvrsta otopina i uzorci tretirani starenjem mehanički brušeni, polirani i kemijski jetkani, struktura legure promatrana je pomoću metalografskog mikroskopa i TESCAN MIRA3 skenirajućeg elektronskog mikroskopa s emisijom polja. Vlačni stroj INSTRON5982 korišten je za provođenje ujednačenih vlačnih eksperimenata na svakoj skupini uzoraka, a brzina rastezanja bila je 0. 5 mm/min. SANS-ZBC2452-C metalni stroj za ispitivanje udara s klatnom upotrijebljen je za provođenje metalnog Charpyjevog ispitivanja udarca pri otvaranju u obliku slova U na svakoj skupini uzoraka.

3. Rezultati i rasprava

Kontrolom krute otopine i režima toplinske obrade starenjem dobivena je legura titana s jednakoosnim zrnima i lamelama te su istraženi učinci veličine zrna i morfologije granica zrna na mehanička svojstva legura titana ultravisoke čvrstoće.

3.1 Utjecaj veličine zrna na mehanička svojstva legura

Legura titana držana je na 820 stupnjeva 5 do 240 minuta, zatim je ohlađena na zraku do sobne temperature, a zatim je ostavljena na 530 stupnjeva 4 sata. Mikrostruktura je prikazana na slici 2. Kada je vrijeme krute otopine 5 i 10 min, zbog kratkog vremena zadržavanja, rekristalizirana zrna nisu uočena, a zakrivljene izvorne granice zrna još uvijek se mogu uočiti, a promjeri zrna su 154 odnosno 143 μm. Kada je vrijeme krute otopine 20 minuta, mogu se uočiti neka rekristalizirana zrna s ravnim granicama zrna. Veličina rekristaliziranih zrna je mala, promjera 55 μm. Kada je vrijeme krute otopine 30 minuta, sve granice zrna legure su ravne i jasne, što znači da je legura potpuno rekristalizirana, au isto vrijeme su rekristalizirana zrna narasla, a njihov promjer je oko 88 μm. Granice diskontinuiranih zrna mogu se uočiti kada se čvrsta otopina otopi 5 i 10 minuta, kao što je prikazano na slikama 3a i 3b; kada je vrijeme krute otopine 20 minuta, mogu se uočiti ravne granice zrna koja su rekristalizirana (slika 3c), a koja nisu potpuno rekristalizirana. Mala količina primarne faze još se može uočiti tijekom kristalizacije; kada je vrijeme čvrste otopine 30 minuta, postoje samo ravne granice zrna (slika 3d), a legura je u to vrijeme potpuno rekristalizirana.

Kao što je prikazano na slici 2e ~ 2f, kako se vrijeme krute otopine povećava, rekristalizirana zrna ravnomjerno rastu i veličina se postupno povećava. Kada vrijeme krute otopine dosegne 240 min, veličina zrna je najveća, s promjerom od približno 186 μm. Rast zrna je rezultat migracije sučelja. Pokretačka sila migracije sučelja pri konstantnoj temperaturi može se izraziti formulom (1):

U formuli je energija sučelja (J/m2); R je radijus zakrivljenosti sučelja (m); p je pokretačka sila migracije sučelja (J/m3). Što je manji radijus zrna, to je veća zakrivljenost sučelja. Što je radijus zakrivljenosti sučelja manji, to je veća pokretačka sila promjene faze i veća je stopa migracije sučelja. Proces migracije sučelja je proces smanjenja zakrivljenosti sučelja i smanjenja razlike slobodne energije na obje strane sučelja [15]. Stoga, tijekom procesa izotermne čvrste otopine, kako se vrijeme zadržavanja povećava, neka od većih zrna nastavljaju rasti, dok se manja zrna postupno skupljaju i na kraju nestaju kako granice zrna migriraju.

Stoga se uočava velika razlika u veličini zrna u mikrostrukturi s vremenom krute otopine od 60~240 min. Odnos između veličine zrna i vremena otapanja krute tvari prikazan je na slici 4. Kada je legura potpuno rekristalizirana, veličina zrna postaje znatno veća kako se vrijeme otapanja krute tvari povećava. Promjena mehaničkih svojstava legure titana ultra-visoke čvrstoće s vremenom otapanja prikazana je na slici 5. Kada je vrijeme otapanja 5~20 minuta, čvrstoća legure je veća, ali su plastičnost i žilavost niži. To je zato što je vrijeme otapanja kratko i legura nije potpuno oblikovana. Nakon rekristalizacije još uvijek se zadržava dio izvornog tkiva. Kada je vrijeme čvrste otopine u rasponu od 30 do 240 minuta, legura prolazi kroz potpunu rekristalizaciju. Kako se vrijeme krute otopine povećava, promjer zrna raste s 88 na 186 μm. Mehanička svojstva legure i vrijeme krutog otapanja nisu u skladu s linearnim zakonom. Analiza pokazuje da kada je vrijeme krute otopine 60 minuta, veliki broj zrnaca male veličine formiranih zbog migracije sučelja uzrokuje lokalnu koncentraciju naprezanja. U to vrijeme, granica razvlačenja i vlačna čvrstoća legure dosežu najviše. , odnosno 1346 i 1391 MPa. Vrijeme čvrstog otapanja nema značajan utjecaj na istezanje, smanjenje površine i udarnu žilavost legure. To je zato što je veličina zrna legure manja nakon kratkog razdoblja čvrste otopine, što povećava mogućnost međukristalnog pucanja. U isto vrijeme, na određenom putu širenja pukotine produžava se do određene mjere; kako se vrijeme krute otopine produljuje, promjer zrna se povećava, a broj granica zrna smanjuje, smanjujući mogućnost intergranularnog pucanja i poboljšavajući plastičnost i žilavost legure. Stoga, na temelju gornja dva čimbenika, vrijeme krute otopine nema značajan utjecaj na plastičnost i žilavost legure.

3.2 Učinak morfologije granica zrna na mehanička svojstva legura

Kako bi se proučio utjecaj morfologije granica zrna na mehanička svojstva legure, korištena je metoda dvostupanjske čvrste otopine A i B za dobivanje grube strukture granica zrna. Nakon tretmana starenjem, lamelarna sekundarna faza će se istaložiti u matrici i uskladiti s Burgersovim orijentacijskim odnosom s matricom. Veličina i debljina sekundarnih lamela ovisi o temperaturi i vremenu starenja. Kako bi se izbjegao utjecaj morfologije sekundarnih lamela na mehanička svojstva legure, strukture krute otopine dobivene dvjema metodama ujedinjene su na 530 stupnjeva i stare 4 sata kako bi se dobila konačna mikrostruktura prikazana na slici 6. Sekundarne lamele na mikronskoj razini slične veličine i debljine ravnomjerno su raspoređene u matrici. Fenomen ogrubljivanja granica zrna može se uočiti pod različitim uvjetima toplinske obrade. Što je niža temperatura krute otopine (+) faznog područja, to je pojava ogrubljivanja granica zrna. Što je očitije.

U dvostupanjskoj metodi čvrste otopine A, titanska legura -tipa dobiva jednakoosna zrna s ravnim granicama zrna nakon čvrste otopine u faznoj zoni, a faza se formira u fazi čvrste otopine druge faze (+) faze faze. , zbog visokog sadržaja -stabilizirajućih elemenata u legurama titana ultra-visoke čvrstoće i relativno stabilne matrice, energija potrebna za nukleaciju uz pomoć granica zrna puno je niža od energije potrebne za ravnomjernu nukleaciju unutar samog kristala [ 16,17], pa faza preuzima vodeću ulogu u kristalu. Nastaje na granici i postupno raste u zrno, tvoreći grubu granicu zrna, kao što je prikazano na slici 6a~6c. Kada je temperatura krute otopine (+) faznog područja 740 stupnjeva, uočena je mala količina primarne faze u kristalu na slici 6a. Prema faznom dijagramu termodinamičke ravnoteže legure titana, udio faze raste kako se smanjuje temperatura krute otopine. Temperatura na čvrstoj otopini od 740 stupnjeva niža je, a veći stupanj superhlađenja povećava pokretačku silu nukleacije i potiče nukleaciju faze. Kada se temperatura krute otopine poveća, kritični rad nukleacije koji osigurava superhlađenje ne može prevladati barijeru energije nukleacije. Stoga se postojanje primarne faze u kristalu ne može uočiti tijekom krute otopine na 760 i 780 stupnjeva, a kao (+) temperatura krute otopine faznog područja opada, a stupanj ogrubljenja granica zrna je očit. U dvostupanjskoj metodi čvrste otopine B, nakon čvrste otopine u faznoj zoni, peć se polako hladi do (+) fazne zone i održava na različitim temperaturama. Brzina hlađenja hlađenja peći je oko 1 stupanj / min.

Zbog niske brzine hlađenja, nema ni sastava ni temperaturnih fluktuacija u matrici u početnoj fazi sporog procesa hlađenja, što otežava nukleaciju primarne faze u zrncima. Kako se vrijeme hlađenja produljuje, temperatura krute otopine postupno opada, a primarna faza se taloži duž granica zrna s dijelom granica zrna kao heterogene nukleacijske točke, te postupno raste u unutrašnjost zrna. U legurama titana, udio primarne faze raste kako se smanjuje temperatura krute otopine (+) faznog područja. U načinu otopine B, što je niža temperatura krute otopine (+) faznog područja, granice zrna postaju grublje. Što je veći broj.

Međutim, na slikama 6d~6f nije uočeno da temperatura krute otopine područja (+) faze ima značajan utjecaj na stupanj ogrubljenja granice zrna. To je zato što je niža temperatura krute otopine, niža je kinetička pokretačka sila koja potiče rast granica zrna, što nije pogodno za rast granica zrna.

Legura je otopljena u čvrstom stanju na dva načina, a zatim jednoliko ostarjela. Njegova vlačna svojstva i svojstva udarca prikazana su na slici 7. Postoje slična pravila za dva načina čvrste otopine. Kako se temperatura krute otopine u zoni (+) faze povećava, čvrstoća i plastičnost legure raste, ali promjena udarne žilavosti nije očita. U kombinaciji s analizom mikrostrukture, vjeruje se da je u dvostupanjskom modu A čvrste otopine, što je niža temperatura krute otopine u (+) faznom području, značajniji učinak ogrubljivanja granica zrna; dok u dvostupanjskom načinu čvrste otopine B, (što je niža temperatura krute otopine u +) faznom području, to su granice zrna grublje, a istovremeno se smanjuje čvrstoća i plastičnost legure, što ukazuje na to da je zrno ogrubljivanje granica čini granice zrna slabijima i utječe na čvrstoću i plastičnost legure. To je zato što su grube granice zrna sastavljene od primarne faze, a lamele nastale nakon starenja ojačavaju matricu, čineći njenu čvrstoću puno većom od one faze granica zrna. Stoga se ogrubljene granice zrna prvenstveno deformiraju tijekom vlačnog eksperimenta, dok je ojačanu matricu teško deformirati. Kako se stupanj deformacije povećava, naprezanje se koncentrira na sučelje granica zrna radi stvaranja pukotina, a pukotine su sklone širenju duž granica zrna i uzrokuju intergranularni lom, što rezultira istodobnim smanjenjem čvrstoće i plastičnosti legure [ 17]. Legura se podvrgava samo čvrstom otapanju i starenju u faznom području bez ogrubljivanja granica zrna. Njegova granica razvlačenja je 1346 MPa, vlačna čvrstoća je 1391 MPa, a istezanje je 5%, kao što je prikazano na slici 5 nakon 60 minuta čvrste otopine. Nasuprot tome, nakon što dvostupanjska čvrsta otopina ogrubi granice zrna, čvrstoća i plastičnost se smanjuju u različitim stupnjevima. Među njima, učinak ogrubljivanja granica zrna metode čvrste otopine A značajniji je od učinka metode čvrste otopine B, tako da je ukupna čvrstoća legure manja. .

Slika 8 prikazuje vlačnu morfologiju loma dviju vrsta dvostupanjske čvrste otopine i unificiranog starenja. Uočeno je da postoji veliki broj ravnih faseta na makroskopskom prijelomu uzorka. Daljnje promatranje fotografija prijeloma s velikim povećanjem pokazuje da su te facete glatke i ravne, što je tipično uz rubove. Na površini kristalnog loma također postoje neke plitke udubine, što ukazuje da je mehanizam loma mješoviti mehanizam s intergranularnim lomom. Kroz usporedbu, utvrđeno je da su uočene više glatkih i ravnih površina intergranularnog loma u dvostupanjskoj metodi čvrste otopine A, koja je također potvrdila da je vjerojatnije da će uzorci sa značajnim učinkom ogrubljivanja granica zrna biti podvrgnuti intergranularnom lomu, zbog čega je čvrstoća legure i plastičnost u isto vrijeme lošija. . Stoga se u stvarnom proizvodnom procesu treba izbjegavati ogrubljivanje granica zrna s manjom čvrstoćom, a problem slabih granica zrna treba dublje proučavati.

4. Zaključak

(1) Za legure titana ultravisoke čvrstoće koje su otopljene u krutom stanju iznad točke fazne transformacije (800 stupnjeva), a zatim podvrgnute tretmanu starenja na 530 stupnjeva, kako se vrijeme otapanja u krutom stanju povećava, prosječna veličina zrna od legura se postupno povećava, a -granice zrna izotermalnog procesa krute otopine Migracija, neka zrna rastu, a neka se skupljaju dok ne nestanu. Ovaj proces će uzrokovati veliku razliku u veličini zrna. Izolacija fazne zone od 30 do 240 minuta nema značajan utjecaj na vlačna i udarna svojstva legure.

(2) Legura titana ultravisoke čvrstoće podvrgava se dvostupanjskom krutom otapanju i tretmanu starenja na 530 stupnjeva. U metodi čvrste otopine A (zona faze se ohladi na sobnu temperaturu, a zatim se zona (+) faze otopi u čvrstoj otopini), kao što je U drugom stupnju (+), temperatura čvrste otopine u području faze se smanjuje, a zrno učinak ogrubljivanja granice postupno postaje vidljiv. Zbog velikog superhlađenja tijekom čvrste otopine na 740 stupnjeva, primarna faza se formira unutar nekih zrna; u načinu rada čvrste otopine U B (područje faze je čvrsto otopljeno, a zatim se peć hladi do područja (+) faze), spora brzina hlađenja samo ogrubljuje dio granica zrna. Kako se temperatura čvrste otopine smanjuje, faza na granici zrna raste. Kemijska pokretačka sila je smanjena, tako da je učinak ogrubljenja granica zrna jednak pri različitim temperaturama krute otopine, ali što je niža temperatura krute otopine, to je veći broj ogrubljenih granica zrna.

(3) Čvrstoća ogrubljene granice zrna je niska i ona se prvenstveno deformira tijekom procesa deformacije, što rezultira koncentracijom naprezanja i pucanjem. Pukotina se širi duž zrna, uzrokujući istovremeno smanjenje čvrstoće i plastičnosti legure. Što je očitiji učinak ogrubljivanja granica zrna, to je veći utjecaj na čvrstoću legure. A što je veći utjecaj na plastičnost, budući da se veličina zrna ne mijenja, nema značajnog utjecaja na udarnu žilavost legure.

ReferenceReferences

[1] WANG H, ZHAO Q, XIN S, et al. Znanost o materijalima i inženjerstvo: A[J], 2021, 3: 141626.

[2] KANG LM, YANG C. Napredni inženjerski materijali [J], 2019, 21(8): 1801359.

[3] CHENG J, LI JS, YU S, et al. Metali [J], 2021, 11(1): 11.

[4] CHENG J, LI JS, YU S, et al. Granice u materijalima [J], 2020, 7: 114.

[5] CHENG J, WANG HC, LI JS, et al. Granice u materijalima [J], 2020., 7: 228.

[6] Chen Wei, Liu Yunxi, Li Zhiqiang. Journal of Aeronautical Materials[J], 2020, 40(3): 63-76.

CHEN W, LIU YX, LI Z Q. Journal of Aeronautical Materials[J], 2020, 40(3):63-76.

[7] Xin Shewei, Zhou Wei, Li Qian, et al. Napredak u materijalima u Kini [J], 2021, 40(6):441-445.

XIN SW, ZHOU W, LI Q, et al. Materijali Kina[J], 2021, 40 (6):441-445.

[8] WANG Y, CHEN R, CHENG X, et al. Journal of Materials Science & Technology[J], 2019, 35(2): 403-408.

[9] ZHOU W, GE P, ZHAO YQ, et al. Rare Metal Materials and Engineering[J], 2017, 46(8): 2076-2079.

[10] Niinomi M, Inagaki I, Kobayashi T. Znanost o materijalima i tehnologija [J], 1988., 4(9): 803-8

[11] GAO X, ZHANG L, CHEN X, et al. Karakterizacija materijala [J], 2020, 167:110492.

[12] FENG X, QIU JK, MA YJ, et al. Journal of Materials Science & Technology[J], 2016, 32(4):362.

[13] Chemistry, Chemistry, Chemistry. New Journal of Chemistry [ J], 2018, 39(4):31-36.

GUO P, ZHAO YQ, HONG Q. Transakcije materijala i toplinska obrada [J], 2018., 39(4):31-3

[14] PEDERSON R, NIKLASSON F, SKYSTEDT F, et al. Znanost o materijalima i inženjerstvo: A[J], 2012, 552: 555-565.

[15] LIU X, ZHUANG K, LIN S, et al. Kristali[J], 2017, 7(5):128-140.

[16] HUANG SS, ZHANG JH, MAY J, et al. Časopis za legure i spojeve [J], 2019, 791: 575-585.

[17] GAO X, ZENG W, ZHANG S, et al. Acta Materialia[J], 2017, 122: 298-309.

[18] SHEKHAR S, SARKAR R, KAR S, et al. Materijali i dizajn [J], 2015, 66: 596-610.