Закалка титана: Термическая обработка титана

alexxlab | 13.02.2023 | 0 | Разное

Термическая обработка титана

Главная \ СТАТЬИ О ТИТАНЕ \ Термическая обработка титана

Термическая обработка титана

Механические свойства титана в большей степени определяются присутствующими в нем фазами, чем составом сплава. Легирующие элементы частично замещают атомы титана в решетке и тем самым изменяют его свойства. В действительности же содержание той или иной фазы в сплаве в большей мере зависит от циклов нагревания и охлаждения, чем от такого замещения атомов. Большинство легирующих добавок стабилизирует объемно-центрированную в-фазу и понижает температуру превращения до такой степени, что при комнатной температуре сплавы представляют смесь фаз а и в.
а-фаза, кристаллизующаяся в гексагональной решетке, сравнительно мягка, вязка и пластична, тогда как в-фаза обладает большими твердостью и прочностью, но меньшей пластичностью. Таким образом, изменяя относительное содержание этих фаз, можно изменять механические свойства сплава.

Для этого пользуются закалкой, отпуском, непрерывным охлаждением, изотермическим превращением, гомогенизацией и старением.
Закалка. При быстром охлаждении в воде или в соляном растворе из в-области (минимальная температура которой зависит от состава сплава) тенденция к образованию а-фазы подавляется, что ведет к сохранению в-фазы. Однако сплавы с определенным составом претерпевают при закалке специфическое мартенситное превращение, механизм которого не вполне ясен. Образование подобной структуры, состоящей из так называемой а’-фазы, приводит к некоторому искажению решетки, в результате чего материал становится по сравнению с а-фазой более твердым и вязким, упрочняется и лучше противостоит усталости.
Отпуск. Если титановый сплав закалить с высокой температуры и затем, нагрев его до температуры ниже в-превращения, выдержать при этой температуре определенное время и быстро охладить опять, то такая операция будет называться отпуском. Отпуск характеризуется тремя факторами: фазовым составом сплава, продолжительностью и температурой отпуска.
Если исходная структура содержит а’-фазу, то при отпуске наблюдаются изменения двоякого рода: а’-фаза превращается в а-фазу, и зерна а-фазы с течением времени становятся зубчатыми по форме. В результате этого твердость и прочность уменьшаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.
Однако структуры, состоящие из смеси фаз а и в, этому правилу не подчиняются: первичная а-фаза остается неизменной, а в-фаза распадается с образованием а-фазы. При низких температурах происходит дополнительное образование а-фазы, вследствие чего низкая температура отпуска ведет к более значительному уменьшению прочности и твердости и большему повышению пластичности, чем при высокотемпературном отпуске той же продолжительности. Это особенно заметно наблюдается в том случае, когда материал перед отпуском подвергается горячей обработке при температурах (a+в) -области. Однако этот процесс зависит от времени, так что материалу можно сообщить по сути дела одинаковые свойства как путем длительного отпуска при низких температурах, так и путем кратковременного отпуска при высоких температурах.

Гомогенизация и старение. Если титановый сплав закалить из в-области или из верхней части (а+в)-области и затем нагреть вновь до температур (а+в)-области, то принято говорить, что этот сплав подвергся гомогенизации и старению. Подобная обработка титановых сплавов приводит к тем же результатам, что и отпуск, если не считать того, что исходная структура в этом случае состоит преимущественно из в-фазы. Кратковременное старение обеспечивает максимальную твердость, обусловленную образованием в’-фазы. При более длительном старении эта в’-фаза распадается с выделением а-фазы, что приводит к снижению твердости и повышению пластичности.
Изотермическое превращение. При охлаждении сплава из в-области до температур (а+в)-области и выдержке при них в течение определенного времени с последующим быстрым охлаждением до комнатной температуры происходит изотермическое превращение с выделением а-фазы из в-фазы. При высоких температурах а-фаза выделяется сначала по границам зерен в-фазы, а затем и внутри них самих. Если эту обработку проводить при температурах несколько ниже температуры превращения, то сначала вследствие образования в’-фазы получается весьма высокая твердость. Если же продолжительность выдержки увеличить, то твердость и прочность материала снижаются, а его пластичность и вязкость возрастают. При более низких температурах происходит постепенное повышение твердости и хрупкости, причем при длительных выдержках можно достичь более высокой твердости, чем при кратковременной высокотемпературной термообработке. Однако при достаточно большой выдержке в случае низкого отпуска вследствие повышенного содержания а-фазы достигается лучшая пластичность за счет прочности.
Непрерывное охлаждение. Непрерывное охлаждение представляет собой понижение температуры сплава из в-области с любой скоростью без остановок или повторных нагревов. Уже рассматривавшаяся выше закалка представляет собой особый вид непрерывного охлаждения. Скорость охлаждения определяет продолжительность прохождения интервала превращения. Высокие скорости охлаждения подавляют образование а-фазы и способствуют более или менее полному сохранению в-фазы, что приводит к получению сравнительно твердого материала. Несколько меньшие скорости охлаждения дают значительно более твердый и хрупкий материал со структурой в’-фазы. Малые скорости охлаждения приводят к образованию двухфазной структуры. Чем меньше скорость охлаждения, тем больше образуется а-фазы, что сопровождается повышением пластичности и вязкости с одновременным снижением твердости. Хотя может показаться, что одинаковые свойства достижимы термообработкой различных видов за счет выбора температуры и продолжительности операций, в действительности же существуют некоторые режимы термической обработки для определенных составов сплавов, дающие оптимальные свойства готового продукта.
Когда от материала требуется высокая твердость, его следует подвергать такой термообработке, которая обеспечивает достижение вершины кривой на диаграмме. Наивысшая твердость всего образца лучше всего получается закалкой малолегированного сплава (область слева от вершины кривой) с последующим низкотемпературным отпуском, обеспечивающим достижение вершины кривой. Этот способ позволяет значительно изменять состав сплава благодаря возможности выбора температуры отпуска. Если продолжительность отпуска сделать больше требующейся для получения максимальной твердости, то можно получить материал с достаточно высокой твердостью и известной пластичностью, т. е. структуру, лежащую после отпуска справа от вершины кривой.
Когда важно получить вязкий материал, то следует взять низколегированный сплав (область справа на диаграмме) и подвергнуть его закалке с температуры несколько ниже линии в-превращения. Такая обработка дает низкий предел текучести, но обеспечивает высокое сопротивление удару. Предел текучести этих сплавов можно несколько повысить, если их обработать до закалки в горячем состоянии в (a+в) области.
Наибольшее применение получил материал с умеренной прочностью, но хорошими пластичностью и вязкостью. Эти свойства наилучшим образом достигаются при применении сплавов, которые в результате закалки ложатся на правой ветви кривой недалеко от пика максимальной твердости.
Окончательные свойства сплава зависят от того, насколько далеко вправо от вершины кривой переместился сплав при термообработке. Хорошие свойства материалу придают умеренные скорости охлаждения, достигаемые охлаждением на воздухе. Изотермическое превращение при низких температурах дает такие же результаты; продолжительность выдержки определяет степень понижения прочности и повышения вязкости. Гомогенизация с последующим старением также повышает вязкость за счет снижения прочности. Указывают, что горячая обработка давлением и гомогенизация в (а+в) области позволят еще больше улучшить механические свойства сплавов.
Характер термообработки можно выбирать по своему усмотрению, однако продолжительность операции и температура будут в этом случае определяться составом сплава. Термообработке не поддаются только нелегированный титан и его двойные сплавы с алюминием.

Термообработка титана

Сеть профессиональных контактов специалистов сварки

Термообработка титана и его сплавов. Большинство высокопрочных сплавов характеризуются удовлетворительной свариваемостью. Сплавы ТС6, ВТ16, ВТ23, ВТ15 предназначены для применeния в термически упрочненном состоянии, а сплавы ВТ22, ВТ6, ВТ14 и ВТ3-1 – кaк в термически упрочненном, тaк и в отожженном состоянии. Оптимальныe свойства сварных соединений достигаются послe термической обработки титана и его сплавов.

Для титана и егo сплавов, а такжe сварных соединений применяют в основнoм следующие виды термической обработки: отжиг, закалка и старение. В конструкцияx титановые сплавы можно использовaть в состояниях послe прокатки, отжига или жe упрочняющей термической обработки. Упрочнениe титановых сплавов термической обработкой достигаетcя в отличие от сплавов нa основе железа преимущественно дисперсиoнным твердением и старением.

Отжиг заключаетcя в нагреве дo определенных температур, выдержке и потом охлаждении нa воздухе для стабильных сплавов, c печью для высоколегированных. B таблице 1 приведены режимы отжига. Время выдержки пpи указанных температурах зависит oт толщины обрабатываемых деталей. Для листoв рекомендуют следующую выдержку:

Толщина листов, мм ≤1,5 1,6 дo 2,0 3,1 дo 6,0 6
Время выдержки, минут 15 20 25 60

Время выдержки пpи неполном отжиге (отпуске) 20…60 минут.

Термически стабильные сплавы (т.е. титан, α- и псевдo α-сплавы) и иx сварные соединения подвергаются отжигу первого рода (дo температур выше температуры рекристаллизации сплавa) для снятия остаточных сварочных напряжений (температура 500…600°С, c выдержкой 0,5 … 1ч) и прaвки тонкостенных конструкций, которые для этoй цели выдерживают в жестких приспособленияx при температуре 600…650°C в течениe 0,5 … 1 часов.

Отжиг (α + β)-сплавов и иx сварных соединении сочетает элемeнты отжига первого рода, основанного нa рекристаллизационных процессаx, и отжига второго рода, базирующегоcя на фазовой перекристаллизации. Для этиx сплавов кроме простого примeняют рекристаллизационный отжиг. Oн заключается: в нагреве сплава пpи сравнительно высоких температурах, достаточныx для прохождения рекристаллизационных процессов, в охлаждении до температур, обеспечивающих высoкую стабильность β-фазы (нижe температуры рекристаллизации), и выдержке пpи этой температуре c последующим охлаждением на воздухе.

Пpи упрочняющей термообработке титановых (α + β)-сплавов и метастабильныx β-сплавов перед сваркой иx основной металл подвергают отжигу или закалке, а послe сварки – закалке и старению. При расположении швов в месте утолщения возможны следующие варианты последовательности операций сварки и термической обработки: закалка – старение – сварка – местный отжиг; закалка – сварка старение.

Таблица 1. Термообработка титана : температуры полиморфного превращения, рекристаллизации, отжига и снятия остаточных сварочных напряжений (полного отжига) промышленных титановых сплавов.

Титановые сплавы Температура, °C
полиморфного
превращения		 рекристаллизации отжига листов снятия остаточных напряжений в сварных конструкциях (неполный отжиг)
начало конец
ВТ1-00 885. ..890 580 670 520…540 445.. .485
ВТ1-0 885…900 600 700
ВТ5 930…980 750 850 – 550…600
ВТ5-1 950…990 680 950 700…750
ОТ4-0 860…930 800 590…610 480…520
ОТ4-1 910…950 720 840 640…660 520…560
ОТ4 920…960 760 860 660…680 545 …595
ВТ4 960… 1000 780 900 690…710 550…650
ОТ4-2 990. .. 1050 800 930 710…730 600…650
ВТ20 950 700…800
АТ2 870…910 – 600…650 430…560
АТ3 990…1000 800…850 545…585
АТ4 950… 1020 850…870 600…650
ТС5 970… 1020 760…780
ВТ6С 950…990 850 950 750…800 550…600
ВТ6 980… 1010 550…650
ВТ14 920…960 900 930 740…760
ВТ16 840. ..880 820 840 730…770 520…650
ВТ22 800 825 740… 760 550…650
ВТ15 750…800 500 770
ТС6 770…810 – 790…810
ВТ23 880…930 740…760

Другие страницы по теме

и сварка титана:

  • Технология сварки титана.
  • Лазерная сварка титана и титановых сплавов.

Copyright. При любом цитировании материалов Cайта, включая сообщения из форумов, прямая активная ссылка на портал weldzone.info обязательна.

Новый сплав, в четыре раза прочнее титана

Материалы

Просмотр 1 изображения

Случайное открытие в физической лаборатории Университета Райса позволило обнаружить сверхтвердый материал, который может заменить титан, обычно используемый в современных протезах коленных и тазобедренных суставов. Ученые обнаружили, что, расплавляя золото в титановой смеси, они могут получить нетоксичный металл, который в четыре раза тверже самого титана, что повышает вероятность создания более прочных и долговечных медицинских имплантатов.

Эмилия Моросан, профессор физики Университета Райса, проводила эксперименты с магнитным материалом, сделанным из немагнитных элементов, а точнее, со смесью титана и золота в соотношении один к одному. Часть процесса ее команды в разработке новых соединений, подобных этому, состоит в том, чтобы измельчить его в порошок, чтобы его можно было подвергнуть рентгеновскому излучению, что помогает им определить такие вещи, как его состав, структура и чистота.

«Когда мы пытались измельчить титан-золото, у нас не получилось, — говорит она. «Я даже купил ступку и пестик с алмазным покрытием, и мы все еще не могли их перемолоть».

Это оказалось крепким орешком, но Моросан и ее команда провели серию тестов, чтобы выяснить, насколько твердым на самом деле было это соединение, наряду с несколькими другими соединениями титана и золота, которые использовались для сравнения в их более ранней работе. . Частью этой смеси был один сплав, содержащий три части титана и одну часть золота, который был сформирован при высокой температуре.

Приготовление соединения при высоких температурах, как оказалось, создает почти чисто кристаллическую форму бета-версии сплава с твердостью, в четыре раза превышающей твердость титана. Исследователи отмечают, что это соединение на самом деле не новое и не сложное в изготовлении, но они первыми столкнулись с его впечатляющими свойствами.

Говорят, что причиной этого является высокая температура, при которой они готовили материал. Говорят, что при более низких температурах атомы выстраиваются в кубическую структуру как альфа-форма так называемого титан-3-золота с твердостью, подобной обычному титану. Поэтому кажется, что ученые, ранее оценившие его твердость, работали с материалами, состоящими из такого альфа-расположения атомов.

«[Бета-титан-3 золото] примерно в три-четыре раза тверже большинства сталей», — говорит Моросан. «Он в четыре раза тверже чистого титана, который в настоящее время используется в большинстве зубных имплантатов и заменителей суставов».

Исследователи говорят, что этот материал может особенно хорошо подходить для использования в медицинских имплантатах, поскольку он сделан из титана и золота, которые являются более биосовместимыми материалами и поэтому обычно используются. Но испытания показали, что их титан-3-золото даже более биосовместим и износостойкий, чем чистый титан. Команда изучает, может ли обработка химическими веществами снова сделать его еще тяжелее.

Исследование опубликовано в журнале Научные достижения .

Источник: Университет Райса

Ник Лаварс

Ник пишет и редактирует в New Atlas уже более шести лет, где он освещал все, начиная от далеких космических зондов и заканчивая беспилотными автомобилями и странными науками о животных. Ранее он работал в The Conversation, Mashable и The Santiago Times, получив степень магистра в области коммуникаций в Мельбурнском университете RMIT.

Общий – Архив | Можно ли закалить титан? | Практик Машинист

Дикий Запад
Горячекатаный