Termiskās apstrādes ietekme uz Gr4 titāna sakausējuma stieņa mikrostruktūru un īpašībām

Šajā rakstā tiek pētīta termiskās apstrādes ietekme uz mikrostruktūru un īpašībām. Gr4 titāna sakausējuma stieņi un analizē sakausējuma mikrostruktūru un lūzuma morfoloģiju, izmantojot metalogrāfisko mikroskopiju un skenēšanas elektronu mikroskopiju. Rezultāti liecina, ka sakausējuma pārkristalizācijas pakāpe palielinās, palielinoties termiskās apstrādes temperatūrai. Pēc termiskās apstrādes stieņa materiāla mikrostruktūra kļūst mīkstāka, un tā izturība samazinās; termisko apstrādi veic pie 650-750 ℃. Palielinoties temperatūrai, palielinās stiprība un samazinās plastiskums; Termiskā apstrāde virs 750 ℃ izraisa ievērojamu graudu augšanu, samazina stiprību un plastiskumu un pasliktina veiktspēju. Novērojot stiepes parauga lūzuma virsmu, redzama jaukta izturības un trausluma morfoloģija. Stingruma bedrīšu izmērs ir salīdzināms ar mikrostruktūras graudu izmēru, un pastāv zināma virzītība ar deformācijas plūsmas līniju.
Titāns ir universāls metāls, ko var plaši izmantot kosmosā, uz zemes, okeānos un dzīvos organismos, un tas ir vispievilcīgākais mūsdienu metāla materiāls. Titāna materiālu rūpnieciskais pielietojums ir paplašinājies daudzās jomās, ne tikai aviācijas un kosmiskās aviācijas nozarē, bet arī daudzās rūpniecības nozarēs, piemēram, ķīmijas, naftas, vieglās rūpniecības, metalurģijas un elektroenerģijas ražošanas nozarēs. Rūpnieciski tīrs titāns satur nelielus daudzumus skābekļa, slāpekļa, oglekļa, dzelzs un dažādu citu piemaisījumu elementu, kas būtībā ir titāna sakausējums ar zemu sakausējuma saturu. Tīram tīram titānam piemīt laba izturība pret koroziju, tas nav magnētisks, ir viegls, labi bioloģiski saderīgs, viegli apstrādājams un veidojams. Tomēr tā zemā izturība ierobežo tā plašo pielietojumu. Gr4 titāna sakausējumā ir augsts piemaisījumu saturs. GB/T 3620.1-2007 "Titāna un titāna sakausējumu markas un ķīmiskais sastāvs" O satura augšējā robeža ir 0,40%, bet Fe satura augšējā robeža ir 0,50%. Ar parastajiem procesiem ražoto stieņu stiprība ir starp augstas tīrības pakāpes titāna un TC4 titāna sakausējuma stiprību, kas atbilst materiālu prasībām šajā stiprības diapazonā. Tomēr lielais piemaisījumu saturs sakausējumā būtiski ietekmē paša materiāla plastiskumu, jo īpaši šķērsgriezuma plastiskuma indeksu. Tāpēc pētījumiem par to, kā, veicot termisko apstrādi, panākt materiāla stiprības un plastiskuma atbilstību, ir zināma vadlīniju nozīme praktiskajā ražošanā.

1. Eksperiments

Eksperimentālais materiāls ir Gr4 titāna sakausējuma lietņi ražo Baoji Titanium Industry Co., Ltd. Lējuma diametrs ir 700 mm, un tā ķīmiskais sastāvs (masas daļa/masas frakcija/wt%) ir 0,43-0,44 Fe, 0,36-0,38 O, bet pārējais ir Ti. Pēc tam, kad lietnis ir pakļauts atklātai kalšanai un starpkalšanai, no tā tiek izgatavota precīzas kalšanas sagatave, kas pēc tam tiek kalta uz precīzas kalšanas mašīnas SXP-13 līdz gatavam 70 mm izmēram. Karsēšanas temperatūra tiek izvēlēta 800-850 ℃ robežās, un no tā paša stieņa tiek izgriezts 20 mm biezs parauga stienis termiskās apstrādes testēšanai.
Saskaņā ar 1. tabulā norādīto termiskās apstrādes plānu tajā pašā krāsnī termiski apstrādāja 7 20 mm paraugus. Pēc termiskās apstrādes no paraugiem saskaņā ar 1. attēlu tika ņemti 60 mm × 15 mm × 15 mm šķērsgriezuma stiepes paraugi un 15 mm × 15 mm × 15 mm × 15 mm mikrostruktūras paraugi.
tabula Termiskās apstrādes shēma mehāniskās veiktspējas testēšanai

attēls.1 Horizontālā parauga paraugu ņemšanas shēma

1.2 Mikrostruktūra

Pēc mikrostruktūras parauga apstrādes un pulēšanas koroziju veica, izmantojot 10% HNO₃+5% HF+85% H₂O korozīvs šķīdums. Mikrostruktūra tika novērota ar ZEISS Axiovert 200 MAT, un tika uzņemta 100x polarizēta mikrostruktūras fotogrāfija. Vienlaikus tika izmērīts mikrostruktūras vidējais graudu lielums.

1.3 Stiepes īpašības

Saskaņā ar standarta prasībām šķērsvirziena stiepes parauga sagatavi apstrādā R11 stiepes paraugā, un parauga stiepes mehāniskās īpašības testē ar universālo materiālu elektronisko testēšanas iekārtu CMT5105 saskaņā ar ASTM E8/E8M-16A.

1.4 Lūzuma morfoloģija

Novērojiet lūzušu stiepes paraugu, izmantojot skenēšanas elektronu mikroskopu JSM-6480 (SEM), un analizējiet parauga lūzuma morfoloģiju.

2. Rezultāti un diskusija

2.1 Mikrostruktūras analīze

attēlā 2. attēlota precīzijas mikrostruktūra. kalts stienis R stāvoklī un pēc termiskās apstrādes dažādās temperatūrās. No 2. attēla (a) var redzēt, ka ar parasto karsēšanas precīzās kalšanas iekārtu kaltā stieņa mikrostruktūra ir viendabīga struktūra ar visām α fāzēm, bet ir neliela deformācijas struktūras daļa, kurā nav notikusi pārkristalizācija. Tas ir tāpēc, ka precīzās kalšanas deformācijas režīms ir augstas intensitātes kalšanas (aptuveni 620 reizes minūtē) un mazas deformācijas (diametra deformācija < 15 mm uz vienu kalšanu, garuma virziena deformācija < 10 mm) kombinācija. Deformēšanas procesa laikā stieņa kopējā deformācija ir mazas deformācijas stāvoklī, kas ir pakļauts dinamiskai pārkristalizācijai.

2. attēls Dažādiem termiskās apstrādes režīmiem pakļauto stiepes paraugu mikrostruktūras fotoattēli
No otras puses, temperatūra kalšanas laikā ir daudz augstāka nekā pārkristalizācijas temperatūra, un deformācijas siltums, ko rada liela blīvuma kalšana, neļauj būtiski samazināt stieņa galīgo kalšanas temperatūru. Stieps atrodas temperatūras diapazonā, kurā pēc kalšanas pabeigšanas var notikt pārkristalizācija. Nepilnīgu pārkristalizāciju izraisa stieņa dabiskais atdzišanas process pēc kalšanas, kuram nav pietiekami daudz izolācijas laika, un nepilnīgs pārkristalizācijas process. No 2. attēla (b) līdz 2. attēlam (e) var redzēt, ka, jo augstāka ir sakausējuma termiskās apstrādes temperatūra, jo augstāka ir tā mikrostruktūras pārkristalizācijas pakāpe. No 2. attēla (f) un 2. attēla (g) var redzēt, ka, ja termiskās apstrādes temperatūra ir augstāka par 750 ℃, graudu izmērs ievērojami palielinās.
Izveidojiet mikrostruktūras vidējā graudu lieluma līkni kā termiskās apstrādes temperatūras funkciju, kā parādīts 3. attēlā.

attēls.3. sakausējuma vidējā graudu lieluma līkne kā termiskās apstrādes temperatūras funkcija
Termiskās apstrādes temperatūra ir no 600 līdz 750 ℃, un graudu izmērs lēnām palielinās, palielinoties termiskās apstrādes temperatūrai, bet augšanas amplitūda ir ļoti maza. Temperatūrai palielinoties par 150 ℃, graudu izmēra pieaugums ir mazāks par 10 μm. Šajā temperatūras diapazonā graudu lielumu var novērtēt kā 8-9 līmeņus ASTM E112 standartā (augstāki līmeņi norāda uz smalkāku graudu lielumu). Kad termiskās apstrādes temperatūra sasniedz 750 ℃, graudu izmērs ievērojami palielinās. Temperatūrai palielinoties par 50 ℃, vidējais graudu lielums vairāk nekā divkāršojas, un saskaņā ar ASTM E112 graudu lielumu var novērtēt tikai kā 4 līdz 5 pakāpes. Faktiskajā ražošanā, izvēloties termiskās apstrādes temperatūru, jāizvairās no šī temperatūras diapazona.

2.2 Stiepes īpašības

Gr4 titāna sakausējuma istabas temperatūras stiepes mehānisko īpašību izmaiņas ar termiskās apstrādes temperatūru ir parādītas 4. attēlā. Redzams, ka stiepes izturībai ir divi acīmredzami izliekuma punkti (R_m), plastiskuma izturība (R_p0.2), pagarināšanās (A_4D) un šķērsgriezuma saraušanās (Z). Pirmais pagrieziena punkts rodas termiskās apstrādes laikā no R stāvokļa līdz 600 ℃ × 1,5 h, kas ir saistīts ar kaltā stieņa karstās kalšanas procesa laikā radītā iekšējā sprieguma atbrīvošanos, kā rezultātā notiek mikrostruktūras mīkstināšanās. Šī procesa laikā samazinās materiāla izturība un palielinās plastiskums; materiāla stiepes izturībai un robežstiprībai pēc termiskās apstrādes 600-750 ℃ temperatūrā ir aptuvena lineāra pieaugoša sakarība, bet pagarinājumam un šķērsgriezuma saraušanās ātrumam ir aptuvena lineāra samazinoša sakarība, un, palielinoties termiskās apstrādes temperatūrai, nenotiek turpmāka mīkstināšanās; pēc 750 ℃, palielinoties graudu lielumam, stiepes izturība un robežstiprība nedaudz samazinājās, kā parādīts 4. attēla otrajā infleksijas punktā. Tomēr stiprības samazināšanās laikā plastiskuma indekss būtiski neuzlabojās, kas norāda, ka materiāla īpašības šajā laikā ir sākušas pasliktināties.

2.3 Lūzuma morfoloģija

Reaģējot uz materiālu stiepes izturības un tecēšanas izturības palielināšanās fenomenu pēc termiskās apstrādes pie 600-750 ℃, stiepes paraugu lūzuma morfoloģija pēc lūzuma tika novērota un analizēta, izmantojot skenēšanas elektronu mikroskopu (SEM) JSM-6480, kā parādīts 5. attēlā.

4. attēls Sakausējumu stiepes īpašību izmaiņu līkne istabas temperatūrā atkarībā no termiskās apstrādes temperatūras

5. attēls Dažādiem termiskās apstrādes režīmiem pakļauto stiepes paraugu lūzuma virsmu SEM attēli.
Skenēšanas elektronu mikroskopā makroskopiskais lūzums neuzrādīja trīs tradicionālā plastiskā lūzuma reģionus (šķiedru zonu, radiālo zonu un bīdes lūpu), un parauga radiālā saraušanās bija ļoti maza, kas norāda uz trauslu lūzumu. Novērojot mikrostruktūru skenēšanas elektronu mikroskopā, attēlā ir izvietotas dažāda izmēra iegarenas bedrītes, bet šīs bedrītes ir ļoti seklas un to apakšdaļa ir ļoti plakana. Tas norāda, ka lūzuma stadijas sākumā bija neliela plastiskā deformācija, kas uzrāda plastisko bedrīšu īpašības, bet pēc tam radās trauslais lūzums, kas ir jaukta plastiskā un trauslā lūzuma morfoloģija. Analizējot iemeslus, tas ir saistīts ar augsto O saturu Gr4 titāna sakausējumā. Pakļaujot zemai temperatūrai un augstam slodzes ātrumam, alfa fāzes transformācija kļūst ļoti cieta, un alfa/alfa graudu robeža nesaņem būtisku sakausējuma elementu pastiprinājumu kā alfa/beta graudu robeža. Novērojot lūzuma izturības bedrīšu lielumu, redzams, ka tās koncentrējas 50-100 μm robežās, kas atbilst sakausējuma mikrostruktūras graudu lielumam pēc termiskās apstrādes. Mehānisko paraugu stiepes procesa laikā katrs grauds vispirms piedzīvo nelielu plastisku deformāciju. Palielinoties normālajai stiepes spriegumam, plaisu avoti galvenokārt parādās uz graudu robežām ar mazāku saķeres stiprību. Kad spriegums palielinās līdz noteiktam līmenim, graudi atdalās kopumā un veido plaisas. Attiecībā uz cieto bedrīšu virzienu lūzuma virsmā tas ir saistīts ar lielo stieņa garenisko deformāciju ražošanas laikā, kas izraisa mikrostruktūras izstiepšanos.
Titāna sakausējuma Gr4 lūzuma raksturlielumi tika noskaidroti, un tika analizēta materiāla stiepes izturības un plastiskuma izturības palielināšanās parādība pēc termiskās apstrādes pie 600-750 ℃. Pēc termiskās apstrādes 600-750 ℃ temperatūrā sakausējuma graudu izmērs būtiski nepalielinājās, bet palielinājās pārkristalizācijas pakāpe un samazinājās deformētās mikrostruktūras īpatsvars. Deformēto audu graudi ir savīti un iegareni, un graudi ir nostiprināti, bet graudu robežu skaits palielinās. Salīdzinot ar graudiem, stiprība pie graudu robežām ir mazāka, un tā ir vieta, kur var rasties trausls lūzums. Tāpēc, ja termiskās apstrādes temperatūra ir zema, deformēto audu īpatsvars ir liels, graudu robežu īpatsvars audos ir liels, un ir tendence rasties trauslajiem lūzumiem, kas makroskopiski izpaužas kā zemāka izturība.

3. Secinājumi

Gr4 titāna sakausējuma mikrostruktūra karstās kalšanas stāvoklī ir deformācijas struktūras un pārkristalizācijas struktūras kombinācija. Palielinoties termiskās apstrādes temperatūrai, pieaug materiāla rekristalizācijas pakāpe, un pēc 750 ℃ pārkristalizētie graudi sāk ievērojami augt.
Metāla stiprība palielinās līdz ar rekristalizācijas pakāpi, un attiecīgi samazinās plastiskuma indekss. Tomēr pēc tam, kad graudi ievērojami izaug, stiprība samazinās un plastiskums nepalielinās, un sāk pasliktināties veiktspēja. Rakstā ir noteiktas stiepes izturības līknes (R_m), plastiskuma izturība (R_p0.2), pagarināšanās (A_4D) un šķērsgriezuma saraušanās (Z) kā termiskās apstrādes temperatūras funkcija, kas sniedz norādījumus faktisko ražošanas termiskās apstrādes procesu izstrādei.
Sakausējuma stiepes parauga lūzuma morfoloģija ir stipras izturības lūzuma morfoloģija starp plastiskām bedrītēm un šķelšanos. Lokanās bedrīšu izmērs ir līdzvērtīgs mikrostruktūras graudu izmēram, un tām ir noteikta virzība ar deformācijas plūsmas līniju.
Autors: Yang Yaming