โลหะผสมไททาเนียมเป็นวัสดุโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง ทนต่อการกัดกร่อน ซึ่งมีลักษณะเฉพาะของความแข็งแรงเฉพาะสูง ช่วงอุณหภูมิการเสียรูปแคบ ความต้านทานการกัดกร่อนที่แข็งแกร่ง ความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดี ไม่เป็นพิษและไม่เป็นแม่เหล็ก ฯลฯ ดังนั้นมันจึง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการบินและอวกาศ วิศวกรรมทางทะเล ปิโตรเลียมเคมี พลังงานนิวเคลียร์ทางการแพทย์ และสาขาอื่น ๆ โลหะผสมไททาเนียมมีลักษณะทั่วไปของการเปลี่ยนแปลงแบบ allotropic และองค์ประกอบทางเคมี กระบวนการเปลี่ยนรูปพลาสติก และวิธีการบำบัดความร้อนมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกล ในปัจจุบัน นักวิชาการในประเทศและต่างประเทศได้ทำการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการขึ้นรูป การผลิต และการควบคุมประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์โลหะผสมไททาเนียม
ศึกษาผลกระทบของกระบวนการบ่มสารละลายต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของแท่งโลหะผสมไททาเนียม Ti-6Al-6V-2Sn และปรับปรุงกระบวนการบ่มสารละลายให้เหมาะสม จาง เฉินฮุ่ย และคณะ เปรียบเทียบผลกระทบของอุณหภูมิความร้อนและวิธีทำความเย็นต่อโครงสร้างจุลภาคและสมบัติเชิงกลของโลหะผสมไททาเนียม เช่น TA15, TC12 และ TA31 และสำรวจกลไกการควบคุมจำนวนเฟสปฐมภูมิต่อความต้านทานแรงดึง ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง และ ความทนทานต่อแรงกระแทกของโลหะผสมไททาเนียม . อาหรับและคณะ ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคกับสมบัติเชิงกล โดยแสดงให้เห็นว่าตัวอย่างที่ดับด้วยน้ำที่มีโครงสร้างมาร์เทนซิติกมีความแข็งสูงกว่า และโครงสร้างจุลภาคแบบสองสถานะมีการเสียรูปและความแข็งแรงของพลาสติกที่ดี
Sadeghpour และคณะ พัฒนาโลหะผสมไทเทเนียมชนิดใหม่ Ti-4Al-7Mo-3Cr-3V (Ti-4733) และจากการศึกษาพบว่าโครงสร้างจุลภาคของ คล้ายเข็มละเอียด - การตกตะกอนแสดงถึงความต้านทานแรงดึงที่สูงขึ้น การวิจัยเกี่ยวกับการขึ้นรูป การผลิต และการควบคุมประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์โลหะผสมไททาเนียมได้รับผลเป็นขั้นๆ อย่างไรก็ตาม ไททาเนียมอัลลอยด์ไม่สามารถตกผลึกใหม่ได้ผ่านการแปลงแบบ allotropic เพื่อให้ได้เกรนที่ละเอียดแบบออสเทนไนต์เช่นเหล็ก และจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนรูปพลาสติกเพื่อให้ได้เกรนที่ละเอียด ในปัจจุบัน ยังคงมีปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญ เช่น การเสียรูปที่อุณหภูมิสูงได้ยาก เทคโนโลยีการควบคุมการรีดและการควบคุมความเย็นที่ยังไม่บรรลุนิติภาวะ และการปรับแต่งเกรนที่ยาก ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการสำรวจอิทธิพลทางพันธุกรรมของการเสียรูปพลาสติกในระดับมหภาคของผลิตภัณฑ์ที่มีต่อการควบคุมประสิทธิภาพของเนื้อเยื่อผลิตภัณฑ์ ในบทความนี้ อ้างอิงจากเหล็กแท่งโลหะผสมไททาเนียม TC4 รีดร้อนที่ได้จากเทคนิคการรีดแบบต่างๆ เปรียบเทียบและวิเคราะห์ลักษณะวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาค การเปลี่ยนแปลงขนาดเกรน และคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมภายใต้สภาวะการให้ความร้อนที่แตกต่างกัน และวิเคราะห์ผลของการมองด้วยตาเปล่าด้วยตาเปล่า การเสียรูปพลาสติกและการอบชุบด้วยความร้อนในวิวัฒนาการโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมได้รับการเปิดเผยเพิ่มเติม และคุณสมบัติเชิงกล และเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของพารามิเตอร์กระบวนการสำหรับการรีดร้อนและการอบชุบด้วยความร้อนของแถบโลหะผสมประเภทนี้
1 ทดสอบวัสดุและวิธีการ
มีวัสดุทดสอบสองประเภท: TC4 แผ่นพื้นสองม้วน ข้อกำหนดด้านขนาด: ϕ15 มม.×10 มม. แผ่นพื้นสามม้วน TC4, ข้อกำหนดขนาด: ϕ12 มม.×10 มม. องค์ประกอบทางเคมีของโลหะผสมแสดงในตารางที่ 1 โลหะผสมไททาเนียม TC4 เป็นโลหะผสมโดยทั่วไป ดังแสดงในรูปที่ 1(a) และ 1(b) สัณฐานวิทยาระดับจุลภาคของเหล็กแท่งสองม้วนและสามม้วน ทั้งหมดแสดงการกระจายที่เท่ากัน เฟสและเฟสที่ละเอียดและสม่ำเสมอ และรูปร่างที่เท่ากันของเหล็กแท่งสามม้วนนั้นมีความสำคัญมากกว่า สาเหตุหลักมาจากการเสียรูปพลาสติกจำนวนมากในการกลิ้งสามม้วน แท่นกลิ้งขนาดกะทัดรัด อุณหภูมิลดลงช้า การเสียรูปของเกรนทั้งหมดบนพื้นผิวของแท่ง เศษส่วนการตกผลึกซ้ำแบบไดนามิกถึงจุดอิ่มตัว และความคลาดเคลื่อนของขอบเกรนเปลี่ยนจากการกระจายอย่างสม่ำเสมอเป็น สถานะการกระจายแบบหลายเหลี่ยมส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงของเกรนแถบเริ่มต้นเป็นเกรนที่มีสีเท่ากัน [10-14] และโครงสร้างที่ละเอียดและเท่ากันจะชัดเจนยิ่งขึ้น
เพื่อที่จะสำรวจเพิ่มเติมถึงผลกระทบของอุณหภูมิการหลอม อัตราการเย็นตัว และกระบวนการเปลี่ยนรูปต่อวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมไททาเนียม จึงมีการกำหนดกระบวนการให้ความร้อนที่แตกต่างกันดังแสดงในตารางที่ 2 สังเกตลักษณะวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมไททาเนียม TC4 ภายใต้ CX200E กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (OM) และ SEM3000S กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) น้ำยากัดกร่อนคือ Kroll etchant ซึ่งเป็นน้ำยากัดพิเศษสำหรับจุดเปลี่ยนรูปของโลหะผสมไททาเนียม: HF 3 เปอร์เซ็นต์ บวก HNO3 6 เปอร์เซ็นต์ บวก 91 เปอร์เซ็นต์ H2O; ใช้การวิเคราะห์ภาพ ImageJ เพื่อคำนวณขนาดเกรนเฉลี่ยและอัตราส่วนพื้นที่ของโครงสร้างจุลภาค และสำรวจลักษณะการเปลี่ยนแปลงของขนาดเกรน ทำการทดสอบแรงดึงบนเครื่องทดสอบวัสดุสากลแบบอิเล็กทรอนิกส์ที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ WDW และรับค่าความแข็งแรงของตัวอย่าง (ความต้านทานแรงดึง ความแข็งแรงคราก) และดัชนีพลาสติก (การยืดตัว การลดลงของพื้นที่) และทำการทดสอบความแข็งด้วยเครื่องทดสอบความแข็งระดับไมโคร HX-1000TM/LCD โหลดโหลดคือ 1 นิวตัน เวลาในการโหลดคือ 10 วินาที และ 5 ใช้ค่าเฉลี่ยของการวัดเพื่อให้ได้ความแข็งวิคเกอร์ของ ตัวอย่าง.
2 ผลลัพธ์และการอภิปราย
2.1 ผลกระทบของอุณหภูมิการหลอมต่อโครงสร้างจุลภาคและขนาดเกรน
จากโลหะผสมไททาเนียม TC4 ที่รีดสองม้วน อุณหภูมิการหลอมที่แตกต่างกันห้าแบบได้รับการกำหนดสูตรและให้ความร้อนที่ 850, 900, 950, 1,000 และ 1,050 องศาด้วยเตา ซึ่งสอดคล้องกับตัวอย่าง 1-5 หลังจากหลอมช่องว่างที่ 850 และ 900 องศา ดังแสดงในรูปที่ 2(a) และ 2(b) ขนาดเกรนของเฟสเพิ่มขึ้นและเป็นวงรี และรูปร่างโดยรวมเป็นไปตามลักษณะของโครงสร้างจุลภาคที่มีสมมูล หลัก ในขณะเดียวกัน สังเกตข้อมูลที่เกี่ยวข้องของ -เฟสเกรน ดังแสดงในรูปที่ 2(f) ในช่วงอุณหภูมินี้ เมื่ออุณหภูมิการหลอมเพิ่มขึ้น สัดส่วนของพื้นที่ -เฟสจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งบ่งชี้ว่า -โครงสร้าง ได้เปลี่ยนเป็น More alpha phase หลังจากการหลอมที่ 950 องศา ดังแสดงในรูปที่ 2(c) โครงสร้างจุลภาคประกอบด้วยโครงสร้างแบบสองสถานะทั่วไปของเฟสปฐมภูมิที่เท่ากัน เฟสคล้ายเข็ม และเฟสเปลี่ยนผ่าน โครงสร้างแบบสองสถานะมีคุณสมบัติในการรับแรงดึงที่ดีและมีความเหนียวในการแตกหักสูงและอัตราการเจริญเติบโตของรอยแตกเมื่อยล้าลดลง ในเวลาเดียวกัน ขนาดเฉลี่ยของเฟสเกรนแทบไม่เปลี่ยนแปลง ในขณะที่อัตราส่วนพื้นที่ลดลง หลังจากการหลอมที่ 1,000 และ 1,050 องศา ดังแสดงในรูปที่ 2(d) และ 2(e) ขอบเขตเกรนเดิมคือบันเดิลโดเมน และเฟสถูกกระจายระหว่างเฟส แสดงลักษณะของโครงสร้างวิดมันสแตทเทน เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างแบบสองสถานะ โครงสร้าง Widmanstatten มีความปั้นต่ำกว่า ในช่วงอุณหภูมินี้ เมื่ออุณหภูมิการหลอมเพิ่มขึ้น ขนาดเฉลี่ยของเม็ดเฟสจะเติบโตเร็วขึ้น และอัตราส่วนพื้นที่แทบจะไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งบ่งชี้ว่าหลังจากจุดเปลี่ยนเฟส TC4 ด้วยอุณหภูมิการหลอมที่เพิ่มขึ้น
2. 2 ผลของกระบวนการเปลี่ยนรูปและอัตราการเย็นตัวต่อโครงสร้างจุลภาคและขนาดเกรน
จากโลหะผสมไททาเนียม TC4 ที่กลิ้งสองม้วนและสามม้วน ผลกระทบของกระบวนการเปลี่ยนรูปที่แตกต่างกัน (การกลิ้งต่อเนื่องสองม้วน การกลิ้งต่อเนื่องสามม้วน) และอัตราการระบายความร้อน (การระบายความร้อนด้วยน้ำ การระบายความร้อนด้วยอากาศ และการระบายความร้อนของเตาเผา) ต่อโครงสร้างจุลภาค ของโลหะผสมที่อุณหภูมิการถือครอง 950 องศาถูกศึกษา อิทธิพลของโครงสร้างและขนาดของเกรน โลหะผสมรีดสองม้วนสอดคล้องกับตัวอย่างที่ 6, 3 และ 7 และโลหะผสมรีดสามม้วนสอดคล้องกับตัวอย่าง 13-15 สำหรับแผ่นคอนกรีตแบบสองม้วน หลังจากการระบายความร้อนด้วยน้ำ ดังแสดงในรูปที่ 3(a) อัตราการเย็นตัวจะรวดเร็ว และการตกตะกอนในเฟสไม่สามารถดำเนินการได้ทันเวลา แต่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างตาข่าย และตะกอนจะมี องค์ประกอบเดียวกับเฟสเดิมแต่โครงสร้างแลตทิซต่างกัน เฟสมาร์เทนซิติก โครงสร้างแสดงโครงสร้างผสมของเฟสสมมูล, มาร์เทนไซต์ ′,″ เมทริกซ์ และเฟสทรานส์ฟอร์ม หลังจากการบำบัดด้วยอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 3(b) โครงสร้างประกอบด้วยเฟสปฐมภูมิที่สมมูลกันและเฟสแอซิคูลาร์ที่ตกตะกอนในเฟสเปลี่ยนผ่าน หลังจากเตาเย็นลง ดังแสดงในรูปที่ 3(c) เฟสจะตกตะกอนตามแนวการเปลี่ยนเฟส เฟสจะตกตะกอนค่อนข้างสมบูรณ์ และเฟสจะรวมตัวกันระหว่างเฟส โครงสร้างประกอบด้วยเฟสที่เท่ากันและเฟสระหว่างเฟสที่เท่ากัน สำหรับเหล็กแท่งสามม้วน โครงสร้างจุลภาคของตัวอย่างหลังจากอัตราการเย็นตัวที่แตกต่างกันจะแสดงในรูปที่ 3(d), 3(e) และ 3(f) ส่วนประกอบของเฟสของแผ่นพื้นสองม้วนที่มีวิธีการทำความเย็นแบบเดียวกันโดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกัน เป็นที่น่าสังเกตว่าหลังจากการอบชุบด้วยความร้อนของแผ่นพื้นแบบสามม้วนแล้ว เฟสที่เท่ากัน, มาร์เทนไซต์ ′,″ เมทริกซ์ และขนาดของเกรนเฟสแบบแอซิคิวลาร์จะมีขนาดเล็กลง ในขณะเดียวกัน เมื่อสังเกตรูปที่ 4 อัตราส่วนพื้นที่และขนาดเฉลี่ยของเฟสของโลหะผสมรีดร้อนแบบสามม้วนจะต่ำกว่าของโลหะผสมรีดร้อนแบบสองม้วน สาเหตุหลักมาจากการที่การรีดร้อนแบบสามม้วนสามารถทำให้พลาสติกเสียรูปขนาดใหญ่ได้ในเวลาอันสั้น ทำให้ต้องมีการขัดเกลาเมล็ดพืช ในเวลาเดียวกัน การศึกษาได้แสดงให้เห็นว่าเกรนเฟสสามารถขัดขวางการเจริญเติบโตของโมฆะการเปลี่ยนรูปแรงดึงที่เกิดขึ้นบนส่วนต่อประสานระหว่างเฟสอีสมมูลกับเฟสทรานแอกเซียลได้อย่างมีประสิทธิภาพ และยิ่งขนาดเกรนของเฟสหลักมีขนาดเล็กลง ความต้านทานของช่องว่างระหว่างกระบวนการขยายตัวก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ยิ่งมีชั้นมากเท่าใด ก็ยิ่งส่งเสริมโลหะผสมให้มีความเหนียวในการรับแรงดึงและความแข็งแรงของผลผลิตสูงกว่า 2. 3 การหลอมและการเสื่อมสภาพบนโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสม รูปที่ 5 แสดงโครงสร้างจุลภาคของตัวอย่าง 10, 11, 12 และ 16 หลังการอบอ่อนและการรักษาตามอายุ และภาพประกอบด้านขวาบนในรูปที่ 5 แสดงตัวอย่าง 8, 9, 6 และ 13 โครงสร้างจุลภาค ดังที่แสดงในรูปที่ 5 โครงสร้างจุลภาคของแผ่นพื้นแบบสองม้วนและสามม้วนหลังการอบอ่อนและการบำบัดด้วยความเย็นด้วยน้ำ ได้แก่ เฟสปฐมภูมิอีควิแอกซ์, มาร์เทนไซต์ ′, ″ เฟส และเฟสเมตาสเตเบิล การวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) ดำเนินการกับตัวอย่าง ดังแสดงในรูปที่ 6(a) มีเฟสมาร์เทนซิติก ′และ″ ในโครงสร้างจุลภาคของแท่ง TC4 ภายใต้กระบวนการเปลี่ยนรูปและอุณหภูมิการหลอมที่แตกต่างกัน ; โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุณหภูมิการหลอมอยู่ที่ 950 องศา จะมีระยะ ′ และ ″ มากขึ้นในโลหะผสมเหล็กแท่งสามม้วน ข้อมูลการวิจัยที่เกี่ยวข้องแสดงให้เห็นว่ายิ่งอุณหภูมิการหลอมใกล้เคียงกับอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสมากเท่าไร การเสียรูปของพลาสติกก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น การตกตะกอนของเฟสที่แพร่กระจายได้จะดีขึ้น และมาร์เทนไซต์ ′, ″ เฟสและเฟส metastable ที่ได้จากการหลอมจะถูกย่อยสลายได้ง่ายเป็นเฟสหรือเฟสที่กระจายตัวในกระบวนการชราที่ตามมาเพื่อให้ได้การเสริมความแข็งแกร่งของโลหะผสม
นอกจากนี้ยังสามารถเห็นได้จากรูปที่ 5 ว่าหลังจากการรักษาตามอายุ ตัวอย่างที่ 10 และ 16 จะมีเฟสสมดุลและเมทริกซ์ทรานซิชันที่มีเฟส ตัวอย่างที่ 11 และ 12 เป็นเฟสปฐมภูมิและเมทริกซ์ทรานซิชันที่มีเฟสแอซิคิวลาร์เท่ากัน เปลี่ยนพื้นผิว การสังเกตเพิ่มเติมเกี่ยวกับลักษณะการเปลี่ยนแปลงข้อมูลในรูปที่ 6(b) แสดงให้เห็นว่าหลังจากอบอ่อนและบ่มเหล็กแท่งสามม้วนและมีอายุ (ตัวอย่าง 16,950 องศา ×60 นาที, WQ บวก 540 องศา ×360 นาที, AC) ขนาดเฉลี่ยของเกรนเฟส คือ 33.162μm ซึ่งต่ำกว่าบิลเล็ตสองม้วนที่ผ่านการบำบัดภายใต้เงื่อนไขเดียวกันถึง 18.28 เปอร์เซ็นต์ (ตัวอย่างที่ 12) การลดขนาดเกรนของเฟสลงอย่างมากจะเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลของโลหะผสมและการโหลดชิ้นส่วนกลไก
2.4 ผลของกระบวนการเปลี่ยนรูปและกระบวนการบำบัดความร้อนต่อสมบัติทางกล ตัวอย่างที่ 1, 2, 9, 11 และ 17 ถูกเลือกสำหรับการทดสอบคุณสมบัติทางกล และแสดงผลลัพธ์ดังรูปที่ 7 เปรียบเทียบตัวอย่างที่ 1, 2 และ 9 ซึ่งเป็นกระบวนการเปลี่ยนรูปเดียวกัน แท่ง TC4 ผ่านการอบอ่อนและอบด้วยความร้อน เมื่ออุณหภูมิการหลอมเพิ่มขึ้นและอัตราการเย็นตัวเร็วขึ้น ความแข็งแรงและความแข็งของโลหะผสมจะเพิ่มขึ้น และความเป็นพลาสติกจะลดลง การเปรียบเทียบตัวอย่างที่ 9 และ 11 หลังจากการหลอมและการรักษาตามอายุ ความแข็งแรงของโลหะผสมจะลดลง แต่ความเป็นพลาสติกและความแข็งเพิ่มขึ้น เปรียบเทียบตัวอย่างที่ 11 และ 17 แท่ง TC4 ที่มีกระบวนการเปลี่ยนรูปต่างกันใช้วิธีอบชุบแบบเดียวกัน และโลหะผสมรีดร้อนแบบสามม้วนมีความแข็งแรงสูงกว่า (Rel{{20}}MPa, R m{{ 21}}MPa), ความเป็นพลาสติก (A=14.2 เปอร์เซ็นต์ , Z=41. 2 เปอร์เซ็นต์ ) และความแข็ง (583.04HV) อัตราส่วนผลผลิตสูงถึง 0.966
3 บทสรุป
1) กระบวนการอบชุบด้วยความร้อนมีผลกระทบอย่างมากต่อโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติทางกลของโลหะผสมไททาเนียม TC4 หลังจากที่แผ่นคอนกรีตถูกอบอ่อนที่ 950 องศา ก็จะได้โครงสร้างแบบสองสถานะทั่วไป โครงสร้างแบบสองสถานะมีคุณสมบัติรับแรงดึงได้ดีกว่าและมีความแข็งแรงในการแตกหักสูงกว่า ความเหนียวและอัตราการเจริญเติบโตของรอยร้าวที่ลดลง เมื่ออุณหภูมิหลอมเพิ่มขึ้นและอัตราการเย็นตัวเร็วขึ้น ความแข็งแรงของโลหะผสมไททาเนียม TC4 เพิ่มขึ้น ความแข็งเพิ่มขึ้น และความเป็นพลาสติกลดลง
2) จากการวิจัยการรักษาความร้อนของโลหะผสมไททาเนียมตามกระบวนการเปลี่ยนรูปที่แตกต่างกัน พบว่ายิ่งการเสียรูปพลาสติกของเหล็กแท่งสามม้วนมากเท่าใด ก็ยิ่งเอื้อต่อการตกตะกอนของเฟส metastable มากขึ้นเท่านั้น และเฟส ′ และ″ เพิ่มขึ้น อย่างมีนัยสำคัญหลังการหลอม ซึ่งส่งเสริมการสร้างเฟสมากขึ้นในระหว่างกระบวนการชราภาพ เฟส metastable จะสลายตัว ซึ่งเอื้อต่อการกระจายตัวให้แข็งแกร่งขึ้น และขนาดเกรนของเฟสจะลดลงอย่างมาก และยิ่งมีช่องว่างมากเท่าใดก็จะพบสิ่งกีดขวางในระหว่างกระบวนการขยายตัว และจะได้ความเหนียวในการรับแรงดึงที่สูงขึ้น 3) จากมุมมองของการใช้งานจริงของโลหะผสมไททาเนียม TC4 เมื่อพิจารณาว่าอัตราส่วนความแข็งแรงของผลผลิตของเหล็กแท่งสามม้วนหลังการหลอมและการรักษาอายุสามารถเข้าถึง 0.966 ซึ่งสูงกว่าการรีดธรรมดามาก โหลด





