Terminio apdorojimo poveikis Gr4 titano lydinio strypo mikrostruktūrai ir savybėms

Šiame straipsnyje nagrinėjamas terminio apdorojimo poveikis mikrostruktūrai ir savybėms Gr4 titano lydinio strypai ir analizuoja lydinio mikrostruktūrą bei lūžio morfologiją, naudodamas metalografinę mikroskopiją ir skenuojančią elektroninę mikroskopiją. Rezultatai rodo, kad lydinio rekristalizacijos laipsnis didėja didėjant terminio apdorojimo temperatūrai. Po terminio apdorojimo strypinės medžiagos mikrostruktūra suminkštėja, o jos stipris sumažėja; terminis apdorojimas atliekamas 650-750 ℃ temperatūroje. Didėjant temperatūrai, stipris didėja, o plastiškumas mažėja; Terminis apdorojimas virš 750 ℃ smarkiai padidėja grūdėtumas, sumažėja stiprumas ir plastiškumas bei pablogėja eksploatacinės savybės. Stebint tempiamojo bandinio lūžio paviršių matyti mišri kietumo ir trapumo morfologija. Kietumo įdubimų dydis yra panašus į mikrostruktūros grūdelių dydį, be to, yra tam tikras kryptingumas su deformacijos srauto linija.
Titanas yra universalus metalas, kuris gali būti plačiai naudojamas kosmose, žemėje, vandenynuose ir gyvuose organizmuose, ir yra patraukliausia šių laikų metalinė medžiaga. Titano medžiagų pramoninis pritaikymas išsiplėtė į daugelį sričių, ne tik aviacijos ir kosmoso pramonėje, bet ir daugelyje pramonės sektorių, pavyzdžiui, chemijos, naftos, lengvosios pramonės, metalurgijos ir elektros energijos gamybos. Pramoniniu požiūriu gryno titano sudėtyje yra nedideli kiekiai deguonies, azoto, anglies, geležies ir įvairių kitų priemaišinių elementų, iš esmės tai mažai legiruotas titano lydinys. Grynas titanas pasižymi geru atsparumu korozijai, yra nemagnetinis, lengvas, gerai biologiškai suderinamas, lengvai apdorojamas ir formuojamas. Tačiau jo mažas stiprumas riboja platų taikymą. Gr4 titano lydinyje yra didelis priemaišų kiekis. GB/T 3620.1-2007 "Titano ir titano lydinių rūšys ir cheminė sudėtis" nustatyta, kad viršutinė O kiekio riba yra 0,40%, o viršutinė Fe kiekio riba - 0,50%. Įprastiniais procesais pagamintų strypų stipris yra tarp didelio grynumo titano ir TC4 titano lydinio, atitinkančio šio stiprumo intervalo medžiagų reikalavimus. Tačiau didelis priemaišų kiekis lydinyje daro didelę įtaką pačios medžiagos plastiškumui, ypač skersinio plastiškumo rodikliui. Todėl tyrimas, kaip pasiekti medžiagos stiprumo ir plastiškumo atitikimą termiškai apdorojant, turi tam tikrą orientacinę reikšmę praktinei gamybai.

1. Eksperimentas

Eksperimentinė medžiaga yra Gr4 titano lydinio luitas pagamino Baoji Titanium Industry Co., Ltd. Liejinio skersmuo yra 700 mm, o jo cheminė sudėtis (masės dalis /t%) yra 0,43-0,44 Fe, 0,36-0,38 O, o likusi dalis yra Ti. Po atviro kalimo ir tarpinio kalimo iš luito padaromas tiksliojo kalimo ruošinys, kuris kalamas tiksliojo kalimo staklėmis SXP-13 iki galutinio 70 mm dydžio. Pasirenkama 800-850 ℃ kaitinimo temperatūra, o iš to paties strypo išpjaunamas 20 mm storio bandomasis strypas terminio apdorojimo bandymams.
Pagal 1 lentelėje pateiktą terminio apdorojimo planą toje pačioje krosnyje termiškai apdoroti 7 20 mm bandiniai. Po terminio apdorojimo iš bandinių buvo paimti 60 mm × 15 mm × 15 mm skersinio tempimo bandiniai ir 15 mm × 15 mm × 15 mm × 15 mm mikrostruktūros bandiniai, kaip parodyta 1 paveiksle.
Lentelė.1 Terminio apdorojimo schema mechaninių savybių bandymams

Pav.1 Horizontali mėginių ėmimo schema

1.2 Mikrostruktūra

Apdirbus ir nupoliravus mikrostruktūros bandinį, korozija buvo atlikta naudojant 10% HNO₃+5% HF+85% H₂O korozinis tirpalas. Mikrostruktūra buvo stebima ZEISS Axiovert 200 MAT ir padaryta 100x poliarizuota mikrostruktūros nuotrauka. Kartu buvo išmatuotas vidutinis mikrostruktūros grūdelių dydis.

1.3 Tempimo savybės

Pagal standarto reikalavimus skersinio tempimo bandinio ruošinys apdirbamas į R11 tempimo bandinį, o bandinio tempimo mechaninės savybės bandomos universalia CMT5105 medžiagų elektronine bandymų mašina pagal ASTM E8/E8M-16A standartą.

1.4 Lūžio morfologija

Skenuojančiuoju elektroniniu mikroskopu (SEM) JSM-6480 stebėkite įtrūkusį tempiamąjį bandinį ir analizuokite bandinio lūžio morfologiją.

2. Rezultatai ir diskusija

2.1 Mikrostruktūros analizė

2 paveikslėlyje parodyta tiksliųjų medžiagų mikrostruktūra kaltinis strypas R būsenos ir po terminio apdorojimo skirtingose temperatūrose. Iš 2 pav. a) matyti, kad strypo, iškalto įprastinėmis tiksliojo kalimo staklėmis su kaitinimu, mikrostruktūra yra lygiareikšmė struktūra su visomis α fazėmis, tačiau yra nedidelė deformacinės struktūros dalis, kurioje neįvyko rekristalizacija. Taip yra todėl, kad tiksliojo kalimo deformacijos režimas yra didelio intensyvumo kalimo (apie 620 kartų per minutę) ir mažos deformacijos derinys (skersmens deformacija < 15 mm per vieną kalimą, ilgio krypties deformacija < 10 mm). Deformacijos proceso metu bendra strypo deformacija yra mažos deformacijos būsenos, kuri yra linkusi į dinaminę rekristalizaciją.

2 pav.2 Skirtingų terminio apdorojimo režimų tempiamųjų bandinių mikrostruktūros nuotraukos
Kita vertus, kalimo metu temperatūra yra daug aukštesnė už rekristalizacijos temperatūrą, o dėl didelio tankio kalimo metu atsirandančios deformacinės šilumos galutinė strypo kalimo temperatūra labai nesumažėja. Baigus kalti, strypas yra temperatūros intervale, kuriame gali vykti rekristalizacija. Nebaigta rekristalizacija vyksta dėl natūralaus strypo aušinimo proceso po kalimo, kuriam nepakanka izoliacijos laiko, ir nebaigto rekristalizacijos proceso. Iš 2 paveikslo b-e paveikslų matyti, kad kuo aukštesnė lydinio terminio apdorojimo temperatūra, tuo didesnis jo mikrostruktūros rekristalizacijos laipsnis. Iš 2 paveikslo f ir g paveikslų matyti, kad kai terminio apdorojimo temperatūra yra aukštesnė nei 750 ℃, atrodo, kad grūdelių dydis gerokai padidėja.
Sukurkite vidutinio mikrostruktūros grūdelių dydžio kreivę, priklausančią nuo terminio apdorojimo temperatūros, kaip parodyta 3 paveiksle.

Pav.3 Vidutinio lydinio grūdelių dydžio kreivė, priklausanti nuo terminio apdorojimo temperatūros
Terminio apdorojimo temperatūra yra 600-750 ℃, o grūdų dydis lėtai didėja didėjant terminio apdorojimo temperatūrai, tačiau augimo amplitudė yra labai maža. Kai temperatūra padidėja 150 ℃, grūdelių dydis padidėja mažiau nei 10 μm. Grūdelių dydžio įvertinimas šiame temperatūros diapazone gali būti įvertintas kaip 8-9 lygiai pagal ASTM E112 (aukštesni lygiai reiškia smulkesnį grūdelių dydį). Terminio apdorojimo temperatūrai pasiekus 750 ℃, grūdelių dydis labai padidėja. Temperatūrai padidėjus 50 ℃, vidutinis grūdelių dydis padidėja daugiau nei dvigubai, o pagal ASTM E112 grūdėtumas gali būti įvertintas tik 4-5 lygiu. Faktinėje gamyboje renkantis terminio apdorojimo temperatūrą reikėtų vengti šio temperatūros intervalo.

2.2 Tempimo savybės

Titano lydinio Gr4 mechaninių tempimo savybių kambario temperatūroje kitimas priklausomai nuo terminio apdorojimo temperatūros parodytas 4 paveiksle. Matyti, kad yra du akivaizdūs lūžio taškai tempimo stiprio (R_m), takumo riba (R_p0.2), pailgėjimas (A_4D) ir pjūvio susitraukimas (Z). Pirmasis posūkio taškas įvyksta termiškai apdorojant nuo R būsenos iki 600 ℃ × 1,5 h, kuris atsiranda dėl vidinių įtempių, susidariusių karšto kalimo proceso metu kaltame strype, išsiskyrimo, dėl kurio suminkštėja mikrostruktūra. Šio proceso metu mažėja medžiagos stiprumas ir didėja plastiškumas; Medžiagos tempiamasis stipris ir takumo riba po terminio apdorojimo 600-750 ℃ temperatūroje yra apytiksliai tiesiškai didėjantys, o pailgėjimas ir pjūvio susitraukimo greitis yra apytiksliai tiesiškai mažėjantys, o didėjant terminio apdorojimo temperatūrai, toliau minkštėjimas nevyksta; Po 750 ℃, didėjant grūdelių dydžiui, tempiamasis stipris ir takumo riba šiek tiek sumažėjo, kaip parodyta 4 paveiksle pateiktame antrajame lūžio taške. Tačiau mažėjant stiprumui plastiškumo rodiklis reikšmingai nepagerėjo, o tai rodo, kad medžiagos eksploatacinės savybės šiuo metu pradėjo blogėti.

2.3 Lūžio morfologija

Atsižvelgiant į padidėjusį medžiagų tempimo stiprį ir takumo ribą po terminio apdirbimo 600-750 ℃ temperatūroje, tempiamų bandinių lūžio morfologija po lūžio buvo stebima ir analizuojama naudojant skenuojantį elektroninį mikroskopą (SEM) JSM-6480, kaip parodyta 5 paveiksle.

4 pav. lydinių tempimo savybių kambario temperatūroje kitimo kreivė priklausomai nuo terminio apdorojimo temperatūros

5 pav.5 Skirtingų terminio apdorojimo režimų tempiamųjų bandinių lūžio paviršių SEM vaizdai
Skenuojančiuoju elektroniniu mikroskopu makroskopinis lūžis nerodė trijų įprastinio plastiškojo lūžio sričių (pluošto zonos, radialinės zonos ir šlyties briaunos), o radialinis bandinio susitraukimas buvo labai mažas, o tai rodo trapų lūžį. Stebint mikrostruktūrą skenuojančiuoju elektroniniu mikroskopu, nuotraukoje pasiskirsčiusios pailgos įvairaus dydžio duobutės, tačiau šios duobutės yra labai negilios, o jų dugnas labai plokščias. Tai rodo, kad lūžio etapo pradžioje buvo nedidelė plastinė deformacija, pasižyminti plastiškųjų įdubų savybėmis, tačiau vėliau įvyko trapusis lūžis, t. y. mišri plastiškojo ir trapaus lūžio morfologija. Analizuojant priežastis, galima teigti, kad taip yra dėl didelio O kiekio Gr4 titano lydinyje. Veikiant apkrovai žemoje temperatūroje ir dideliu apkrovos greičiu, alfa fazės virsmas tampa labai kietas, o alfa/alfa grūdelių riba negauna reikšmingo lydinio elementų sustiprinimo kaip alfa/beta grūdelių riba. Stebint atsparumo lūžiams duobučių dydį, matyti, kad jos koncentruojasi ties 50-100 μ m, o tai atitinka lydinio mikrostruktūros grūdelių dydį po terminio apdorojimo. Vykstant mechaninių bandinių tempimo procesui, kiekvienas grūdas pirmiausia patiria nedidelę plastinę deformaciją. Didėjant normaliajam tempimo įtempiui, įtrūkimų šaltiniai pirmiausia atsiranda ties grūdelių ribomis, kurių sukibimo stipris yra mažesnis. Kai įtempiai padidėja iki tam tikro lygio, grūdai atsiskiria kaip visuma ir suformuoja lūžius. Kalbant apie kietų įdubimų kryptingumą lūžio paviršiuje, tai lemia didelė išilginė strypo deformacija gamybos metu, dėl kurios mikrostruktūra pailgėja.
Buvo išaiškintos Gr4 titano lydinio lūžio charakteristikos ir išnagrinėtas padidėjusio tempimo stiprio ir medžiagos takumo reiškinys po terminio apdorojimo 600-750 ℃ temperatūroje. Po terminio apdorojimo 600-750 ℃ temperatūroje lydinio grūdelių dydis žymiai nepadidėjo, tačiau padidėjo rekristalizacijos laipsnis ir sumažėjo deformuotos mikrostruktūros dalis. Deformuoto audinio grūdeliai susisuka ir pailgėja, grūdai sustiprėja, tačiau padidėja grūdelių ribų skaičius. Palyginti su grūdeliais, stiprumas ties grūdelių ribomis yra mažesnis, o tai yra vieta, kurioje linkę atsirasti trapūs lūžiai. Taigi, kai terminio apdorojimo temperatūra yra žema, deformuoto audinio dalis yra didelė, grūdelių ribų dalis audinyje yra didelė, ir yra polinkis atsirasti trapiam lūžiui, kuris makroskopiškai pasireiškia mažesniu stiprumu.

3. Išvada

Gr4 titano lydinio mikrostruktūra karštojo kalimo būsenoje yra deformacijos struktūros ir rekristalizacijos struktūros derinys. Didėjant terminio apdorojimo temperatūrai, didėja medžiagos rekristalizacijos laipsnis, o po 750 ℃ rekristalizuoti grūdeliai pradeda smarkiai augti.
Metalo stiprumas didėja didėjant rekristalizacijos laipsniui, o plastiškumo rodiklis atitinkamai mažėja. Tačiau smarkiai padidėjus grūdelių kiekiui, stipris sumažėja, o plastiškumas nepadidėja, ir eksploatacinės savybės pradeda blogėti. Straipsnyje nustatytos tempimo stiprio kreivės (R_m), takumo riba (R_p0.2), pailgėjimas (A_4D) ir skerspjūvio susitraukimo (Z) priklausomybę nuo terminio apdorojimo temperatūros, o tai yra gairės, kuriomis galima vadovautis kuriant realius gamybinius terminio apdorojimo procesus.
Lydinio tempiamojo bandinio lūžio morfologija yra stipraus atsparumo lūžio morfologija tarp plastiškų įdubimų ir skilimo. Klastingųjų įdubų dydis atitinka mikrostruktūros grūdelių dydį ir turi tam tikrą kryptingumą pagal deformacijos srauto liniją.
Autorius: Yang Yaming