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

1. Uvod

Titan i legure titana imaju mnoga odlična svojstva kao što su visoka specifična čvrstoća, otpornost na koroziju i otpornost na visoke temperature. Sa sve većom potražnjom za materijalnim performansama u vazduhoplovstvu, pomorskom inženjerstvu, oružju i opremi, biomedicini, petrohemiji i drugim poljima, legure titana visoke čvrstoće su se brzo razvile. Titanijumske legure gotovo tipa mogu da dobiju izvrsna svojstva visoke čvrstoće i žilavosti kroz optimizovanu obradu i procesi termičke obrade Titanijumske legure sa vlačnom čvrstoćom od 1300MPa, istezanjem od 6% i žilavošću na lom od 50MPa/m2 obično se nazivaju legure titana ultra visoke čvrstoće. Istraživanja pokazuju da veličina zrna, dužina i debljina lamela i faza na granici zrna su glavni faktori koji utiču na čvrstoću i žilavost titanijumskih legura. Lamele unutar zrna mogu ojačati matricu i produžiti put širenja pukotine, što je korisno za optimizaciju legure. Jaka čvrstina. Kontinuirane granice zrna će uticati na plastičnost legure, ali kada je veličina zrna veća od plastične zone vrha pukotine, to neće uticati na žilavost legure Niinomi et al. otkrili da se veličina zrna legure Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo povećava, povećava otpor nukleacije pukotina i poboljšava žilavost loma legure. Da bi se dobile titanijumske legure visoke čvrstoće i žilavosti, legure titana se obično termički obrađuju u faznoj zoni kako bi se dobila ravnoosna zrna veće veličine, a puna lamelarna struktura se dobija daljim ojačavanjem starenjem radi poboljšanja čvrstoće legure.

 

fazna zona tretmana formira ravnoosna zrna. veličina zrna i granična čvrstoća zrna su glavni faktori koji utiču na čvrstoću i žilavost titanijumskih legura ultra-visoke čvrstoće. To je ekonomičan način kontrole mikrostrukture titanijumskih legura podešavanjem parametara procesa termičke obrade. A efektivno jačanje znači. Ovaj rad dobija strukture sa različitim veličinama zrna i različitim morfologijama granica zrna regulacijom sistema termičke obrade legura titanijuma visoke čvrstoće. Proučava se uticaj vremena čvrstog rastvora u faznom području na veličinu zrna i mehanička svojstva titanijumskih legura visoke čvrstoće. Dvofazni Utjecaj ponašanja grube granice zrna na mehanička svojstva legura tokom procesa čvrstog rastvora daje teorijsku referencu za industrijsku proizvodnju legura titanijuma visoke čvrstoće.

2. Eksperimentirajte

Legura titanijuma korišćena u eksperimentu je novi tip legure Ti-Al-Mo-V-Cr-X nezavisno razvijen od strane autorske istraživačke grupe. Tačka transformacije faze legure je oko 800 stepeni. Nakon tri puta topljenja potrošnog materijala u vakuumu, dobije se ingot. Nakon otvaranja fazne zone, (+) fazna zona i fazna zona se kovaju kako bi se dobio štap od legure titanijuma velike veličine prečnika 400 mm.

Kako bi se izbjegla nedovoljna ujednačenost strukture šipke velikih dimenzija i utjecalo na eksperimentalne rezultate, uzorkovan je samo materijal jezgre kovane šipke. Različiti dizajni procesa termičke obrade prikazani su na slici 1. Uzorak legure je podvrgnut tretmanu čvrstim rastvorom u faznoj zoni, održavan 5 do 240 minuta, hlađen vazduhom, a zatim unificiran na 530 stepeni tokom 4 sata starenja, kao što je prikazano. na slici 1a. Legura je podvrgnuta dvostepenom čvrstom rastvoru, dvostepenom čvrstom rastvoru metoda A: prvo čvrsti rastvor na temperaturi višoj od tačke fazne transformacije (820 stepeni) u trajanju od 1 sata, zatim hlađen vazduhom na sobnu temperaturu, a zatim propušten kroz (+) faznu zonu na različitim temperaturama (740, 760 i 780 stepeni), respektivno, a zatim hlađeni zrakom na sobnu temperaturu (izračunato kao 820 + 740, 820 + 760 i 820 +780 respektivno) 1 sat, i na kraju podvrgnut tretmanu starenja od 530 stepeni/4h, kao što je prikazano na slici 1b. Dvostepena metoda čvrstog rastvora B: Čvrsti rastvor na 820 stepeni 1 sat, zatim lagano hlađen u peći na različite temperature u (+) faznoj zoni (740, 760 i 780 stepeni), držan 1 sat, a zatim hlađen vazduhom u prostoriju temperature (respektivno izračunato kao 820 ~ 740 , 820 ~ 760 i 820 ~ 780), i na kraju podvrgnuti tretmanu starenja od 530 stepeni/4h, kao što je prikazano na slici 1c.

Nakon što su gornji čvrsti rastvori i uzorci tretirani starenjem mehanički brušeni, polirani i hemijski nagrizani, struktura legure je posmatrana metalografskim mikroskopom i TESCAN MIRA3 emisionim skenirajućim elektronskim mikroskopom. Za izvođenje ujednačenih eksperimenata zatezanja na svakoj grupi uzoraka korištena je mašina za zatezanje INSTRON5982, a stopa zatezanja je bila 0. 5mm/min. SANS-ZBC2452-C mašina za ispitivanje na udar metalnog klatna korištena je za provođenje testa udarnog udara u obliku slova U Charpy na svakoj grupi uzoraka.

3. Rezultati i diskusija

Kontrolom čvrstog rastvora i režimom termičke obrade starenja dobijena je legura titanijuma sa ravnoosnim zrnima i lamelama, a istražen je uticaj veličine zrna i morfologije granica zrna na mehanička svojstva legura titanijuma ultra-visoke čvrstoće.

3.1. Utjecaj veličine zrna na mehanička svojstva legura

Legura titanijuma je držana na 820 stepeni 5 do 240 minuta, zatim hlađena vazduhom na sobnu temperaturu, a zatim odležana na 530 stepeni 4 sata. Mikrostruktura je prikazana na slici 2. Kada je vrijeme čvrstog rastvora 5 i 10 min, zbog kratkog vremena držanja, rekristalizirana zrna nisu uočena, a zakrivljene originalne granice zrna i dalje se mogu uočiti, a prečnici zrna su 154 i 143 μm respektivno. Kada je vrijeme čvrstog rastvora 20 minuta, mogu se uočiti neka rekristalizirana zrna s ravnim granicama zrna. Veličina rekristalizovanih zrna je mala, prečnika 55 μm. Kada je vrijeme čvrstog rastvora 30 minuta, sve granice zrna legure su ravne i jasne, što ukazuje da je legura u potpunosti prekristalizirana, a da su u isto vrijeme prekristalizirana zrna porasla, a njihov promjer je oko 88 μm. Diskontinuirane granice zrna se mogu uočiti kada se čvrsti rastvor rastvori 5 i 10 minuta, kao što je prikazano na slikama 3a i 3b; kada je vrijeme čvrstog rastvora 20 minuta, mogu se uočiti ravne granice zrna koje su se rekristalizirale (slika 3c), koje nisu potpuno rekristalizirane. Mala količina primarne faze se još može uočiti tokom kristalizacije; kada je vrijeme čvrstog rastvora 30 minuta, postoje samo ravne granice zrna (slika 3d), a legura je u tom trenutku potpuno prekristalizirana.

Kao što je prikazano na slici 2e ~ 2f, kako se vrijeme čvrstog rastvora povećava, rekristalizovana zrna rastu jednoliko i veličina se postepeno povećava. Kada vrijeme čvrstog rastvora dostigne 240 min, veličina zrna je najveća, sa prečnikom od približno 186 μm. Rast zrna je rezultat migracije interfejsa. Pokretačka sila migracije interfejsa pri konstantnoj temperaturi može se izraziti formulom (1):

U formuli je energija interfejsa (J/m2); R je polumjer zakrivljenosti međupovršine (m); p je pokretačka sila migracije interfejsa (J/m3). Što je manji radijus zrna, veća je zakrivljenost interfejsa. Što je manji radijus zakrivljenosti interfejsa, veća je pokretačka sila promene faze i veća je stopa migracije interfejsa. Proces migracije interfejsa je proces smanjenja zakrivljenosti interfejsa i smanjenja razlike slobodne energije na obe strane interfejsa [15]. Stoga, tokom procesa izotermnog čvrstog rastvora, kako se vreme zadržavanja povećava, neka od većih zrna nastavljaju da rastu, dok se manja zrna postepeno smanjuju i na kraju nestaju kako granice zrna migriraju.

Stoga se uočava velika razlika u veličini zrna u mikrostrukturi sa vremenom čvrstog rastvora od 60~240 min. Odnos između veličine zrna i vremena čvrstog rastvora prikazan je na slici 4. Kada je legura potpuno prekristalizovana, veličina zrna postaje značajno veća kako se vreme čvrstog rastvora povećava. Promjena mehaničkih svojstava legure titanijuma ultra-visoke čvrstoće sa vremenom rastvora prikazana je na slici 5. Kada je vreme rastvora 5~20 minuta, čvrstoća legure je veća, ali su plastičnost i žilavost niže. To je zato što je vrijeme rješenja kratko i legura nije u potpunosti formirana. Nakon rekristalizacije, dio originalnog tkiva je još uvijek zadržan. Kada je vrijeme čvrstog rastvora u rasponu od 30 do 240 minuta, legura prolazi potpunu rekristalizaciju. Kako se vrijeme čvrstog rastvora povećava, prečnik zrna se povećava sa 88 na 186 μm. Mehanička svojstva legure i vrijeme čvrstog rastvora nisu u skladu sa linearnim zakonom. Analiza pokazuje da kada je vrijeme čvrstog rastvora 60 minuta, veliki broj malih zrna nastalih zbog migracije međupovršine uzrokuje lokalnu koncentraciju naprezanja. U ovom trenutku, čvrstoća legure i vlačna čvrstoća dostižu najveću. , odnosno 1346 i 1391 MPa. Vrijeme čvrstog rastvora nema značajan uticaj na istezanje, smanjenje površine i udarnu žilavost legure. To je zato što je veličina zrna legure manja nakon kratkog perioda čvrstog rastvora, što povećava mogućnost intergranularnog pucanja. Istovremeno, u određenoj mjeri, put ekspanzije pukotine je produžen do određene mjere; kako se vrijeme čvrstog rastvora povećava, promjer zrna se povećava, a broj granica zrna smanjuje, smanjujući mogućnost intergranularnog pucanja i poboljšavajući plastičnost i žilavost legure. Stoga, na osnovu gornja dva faktora, vrijeme čvrstog rastvora nema značajnog uticaja na plastičnost i žilavost legure.

3.2. Utjecaj morfologije granice zrna na mehanička svojstva legura

U cilju proučavanja utjecaja morfologije granica zrna na mehanička svojstva legure, korištena je dvostepena metoda čvrstog rastvora A i B za dobijanje grube strukture na granici zrna. Nakon tretmana starenjem, lamelarna sekundarna faza će se istaložiti u matriksu i uskladiti se s Burgersovim odnosom orijentacije s matriksom. Veličina i debljina sekundarnih lamela zavise od temperature i vremena starenja. Da bi se izbegao uticaj morfologije sekundarnih lamela na mehanička svojstva legure, strukture čvrstih rastvora dobijene dvema metodama su objedinjene na 530 stepeni i odležane 4 sata da bi se dobila konačna. Mikrostruktura je prikazana na slici. 6. Sekundarne lamele na nivou mikrona slične veličine i debljine su ravnomjerno raspoređene u matrici. Fenomen grubosti granica zrna može se uočiti pod različitim uslovima termičke obrade. Što je niža temperatura čvrstog rastvora u ( + ) faznom regionu, to je fenomen grubosti granica zrna. Što je očiglednije.

U dvostepenoj metodi čvrstog rastvora A, legura titana tipa -tip dobija ravnoosna zrna sa ravnim granicama zrna nakon čvrstog rastvora u faznoj zoni, a faza se formira u fazi druge faze (+) fazne zone čvrstog rastvora. , zbog visokog sadržaja -stabilizujućih elemenata u legurama titana ultra visoke čvrstoće i relativno stabilne matrice, energija potrebna za nukleaciju uz pomoć granica zrna je mnogo niža od energije potrebne za jednoliku nukleaciju unutar samog kristala [ 16,17], tako da faza preuzima vodeću ulogu u kristalu. Formira se na granici i postepeno raste u zrno, formirajući grubu granicu zrna, kao što je prikazano na slici 6a~6c. Kada je temperatura čvrstog rastvora (+) faznog regiona 740 stepeni, mala količina primarne faze se primećuje u kristalu na slici 6a. Prema faznom dijagramu termodinamičke ravnoteže legure titanijuma, udio faze raste kako temperatura čvrstog rastvora opada. Temperatura na 740 stepeni čvrstog rastvora je niža, a veći stepen superhlađenja povećava pokretačku silu nukleacije i podstiče nukleaciju faze. Kada se temperatura čvrstog rastvora poveća, kritični rad nukleacije koji obezbeđuje superhlađenje ne može prevladati energetsku barijeru nukleacije. Zbog toga se postojanje primarne faze u kristalu ne može uočiti tokom čvrstog rastvora na 760 i 780 stepeni, a kako (+) temperatura čvrstog rastvora faznog regiona opada, a stepen grubosti granice zrna je očigledan. U dvostepenoj metodi čvrstog rastvora B, nakon čvrstog rastvora u faznoj zoni, peć se polako hladi do (+) fazne zone i održava na različitim temperaturama. Brzina hlađenja peći je oko 1 stepen/min.

Zbog niske brzine hlađenja, u matriksu u početnoj fazi procesa sporog hlađenja nema ni sastava ni temperaturne fluktuacije, što otežava stvaranje jezgara u zrnima primarne faze. Kako se vrijeme hlađenja povećava, temperatura čvrstog rastvora se postepeno smanjuje, a primarna faza precipitira duž granica zrna sa delom granica zrna kao heterogene nukleacione tačke i postepeno raste u unutrašnjost zrna. U legurama titanijuma, udio primarne faze se povećava kako temperatura čvrstog rastvora (+) faze opada. U režimu rastvora B, što je niža temperatura čvrstog rastvora u ( + ) faznom regionu, granice zrna su grublje. Što je broj veći.

Međutim, na slikama 6d~6f, nije uočeno da temperatura čvrstog rastvora u (+) faznom području ima značajan uticaj na stepen grubosti granice zrna. To je zato što što je niža temperatura čvrstog rastvora, to je niža kinetička pokretačka sila koja pospešuje rast granica zrna, što nije pogodno za rast granica zrna.

Legura je rastvorena u čvrstom stanju na dva načina, a zatim ravnomerno ostarela. Njegova vlačna svojstva i svojstva udarca prikazani su na slici 7. Postoje slična pravila za dva načina čvrstog rastvora. Kako temperatura čvrstog rastvora u zoni ( + ) faze raste, povećava se čvrstoća i plastičnost legure, ali promena udarne žilavosti nije očigledna. U kombinaciji sa analizom mikrostrukture, smatra se da je u dvostepenom režimu čvrstog rastvora A, što je niža temperatura čvrstog rastvora u ( + ) faznom području, to je značajniji efekat grubosti granice zrna; dok u dvostepenom režimu čvrstog rastvora B, (što je niža temperatura čvrstog rastvora u + ) faznom području, to su grublje granice zrna, a istovremeno se smanjuje čvrstoća i plastičnost legure, što ukazuje da je zrno Grubljenje granica čini granice zrna slabijim i utiče na čvrstoću i plastičnost legure. To je zato što su grube granice zrna sastavljene od primarne faze, a lamele nastale nakon starenja jačaju matriks, čineći njegovu snagu mnogo većom od one granične faze zrna. Stoga se grube granice zrna prvenstveno deformiraju tijekom eksperimenta zatezanja, dok je ojačanu matricu teško deformirati. Kako se stepen deformacije povećava, napon se koncentriše na granicu zrna i formira pukotine, a pukotine su sklone širenju duž granica zrna i uzrokuju intergranularni lom, što dovodi do istovremenog smanjenja čvrstoće i plastičnosti legure [ 17]. Legura se podvrgava samo čvrstom rastvoru i starenju u faznom području bez grubljanja granica zrna. Njegova granica tečenja je 1346 MPa, vlačna čvrstoća je 1391 MPa, a istezanje je 5%, kao što je prikazano na slici 5 nakon 60 minuta čvrstog rastvora. Za razliku od toga, nakon što dvostepeni čvrsti rastvor grubo ogrubi granice zrna, čvrstoća i plastičnost se smanjuju u različitim stepenima. Među njima, efekat grube granice zrna kod metode čvrstog rastvora A je značajniji nego kod metode čvrstog rastvora B, tako da je ukupna čvrstoća legure manja. .

Na slici 8 prikazana je morfologija vlačnog loma dva tipa dvostupanjske čvrste otopine i jedinstvenog starenja. Uočeno je da postoji veliki broj ravnih faseta na makroskopskoj frakturi uzorka. Dalje posmatranje fotografija preloma sa velikim uvećanjem pokazuje da su ove fasete glatke i ravne, što je tipično duž ivica. Na površini kristalnog loma postoje i neke plitke udubine, što ukazuje da je mehanizam loma mješoviti mehanizam loma s intergranularnim prijelomom. Usporedbom je utvrđeno da su glatkije i ravnije površine intergranularnog loma uočene u dvostepenoj metodi čvrstog rastvora A, što je također potvrdilo da je vjerojatnije da će uzorci sa značajnim efektima grubljanja granica zrna biti podvrgnuti intergranularnim lomovima, čime se povećava čvrstoća legure i plastičnost je istovremeno lošija. . Stoga bi se u stvarnom proizvodnom procesu trebalo izbjegavati grubljanje granica zrna manje čvrstoće, a problem slabih granica zrna potrebno je dublje proučiti.

4 Zaključak

(1) Za legure titanijuma ultra-visoke čvrstoće koje su rastvorene u čvrstom stanju iznad tačke fazne transformacije (800 stepeni), a zatim podvrgnute tretmanu starenja na 530 stepeni, kako se vreme rastvaranja čvrstog rastvora povećava, prosečna veličina zrna legura se postepeno povećava, a granice zrna izotermnog procesa čvrstog rastvora Migracija, neka zrna rastu, a neka se skupljaju dok ne nestanu. Ovaj proces će uzrokovati veliku razliku u veličini zrna. Izolacija fazne zone u trajanju od 30 do 240 minuta nema značajan uticaj na vlačna svojstva i udarna svojstva legure.

(2) Legura titanijuma ultra visoke čvrstoće je podvrgnuta dvostepenom čvrstom rastvoru i tretmanu starenja od 530 stepeni. U metodi čvrstog rastvora A (fazna zona se hladi na sobnu temperaturu, a zatim se (+) fazna zona rastvara u čvrstom rastvoru), kao U drugoj fazi (+), temperatura čvrstog rastvora u faznom području opada, a zrno efekat grubosti granica postepeno postaje očigledan. Zbog velikog prehlađenja tokom čvrstog rastvora na 740 stepeni, unutar nekih zrna se formira primarna faza; u režimu čvrstog rastvora U B (fazno područje je čvrsto rastvoreno, a zatim se peć hladi do ( + ) fazne površine), spora brzina hlađenja samo grubi deo granica zrna. Kako temperatura čvrstog rastvora opada, faza na granici zrna raste. Hemijska pokretačka sila je smanjena, tako da je efekat grubosti na granici zrna ekvivalentan pod različitim temperaturama čvrstog rastvora, ali što je niža temperatura čvrstog rastvora, to je veći broj grubih granica zrna.

(3) Čvrstoća grube granice zrna je niska i ona se prvenstveno deformiše tokom procesa deformacije, što rezultira koncentracijom naprezanja i pucanjem. Pukotina se širi duž zrna, uzrokujući istovremeno smanjenje čvrstoće i plastičnosti legure. Što je očigledniji efekat grubosti granice zrna, to je veći uticaj na čvrstoću legure. A što je veći utjecaj na plastičnost, budući da se veličina zrna ne mijenja, nema značajnog utjecaja na udarnu žilavost legure.

ReferenceReference

[1] WANG H, ZHAO Q, XIN S, et al. Nauka 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. Nauka 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 termičke obrade[J], 2018, 39(4):31-3

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

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

[16] HUANG SS, ZHANG JH, MAY J, et al. Journal of Alloys and Compounds[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.