Durificarea aliajelor pe baza de titan

Durificarea aliajelor pe baza de titan

Tratamente de durificare

Durificarea clasica se bazeaza pe faptul ca se poate conserva prin calire sub forma metastabila α^l sau β_m,in intregime sau partial faza stabila la temperatura inalta.

Mecanismele de durificare sunt urmatoarele:

. Sisteme β izomorfe

α_o^l si/sau β_om→α_e+β_e

. Sisteme β eutectoide

αⁱ_o si/sau β_om→α+β+TixMy→α_e+TixMy

unde:

-TixMy - compus definit

-"O" - stare initiala

-"e" - stare finala de echilibru

Structurile de calire,obtinute pornind de la punere in solutie la 0^oC,sunt urmatoarele:

735^oC<0<980^oC→α+α^l

710^oC<0<735^oC→α+α^l+β rezidual

0<710^oC→α+β

Instabilitatea fazei β_m (sau α^l) este cu atat mai puternica cu cat temperatura de calire este mai joasa dar cantitatea acesteia variaza in sens invers.

Mecanismele durificarii titanului prin aliere

Factorii care determina durificarea metalelor la formarea solutiilor solide

Durificarea metalelor prin aliere este conditionata de efectele legate de formarea solutiilor solide,ale precipitatelor disperse coerente si necoerente.Cele trei mecanisme de durificare prin aliere au in comun faptul ca se realizeaza o mai mare rezistenta la miscarea dislocatiilor datorita barierelor suplimentare pe care acestea trebuie sa le invinga.

     

Fig.5.1. Ciclurile de tratamente termice de durificare corespunzatoare aliajelor de titan (diagrame binare izomorfe sau eutectoide)

     

Fig.5.2 Schema determinarii parametrilor      Fig.5.3. Dependenta retelei s.s de compozitia ali

factorului dimensional efectiv in aliajele binare aliajului in sistemele Ti-Ti-Nb ; Ti-Mo ; Ti-V

La dizolvarea unui element oarecare dintr-un metal,dimensiunile ionilor nu raman nemodificate,ci depind in mare masura de structura electronica a atomilor atat a dizolvantului cat si a elementelor dizolvate.

Elementele de aliere influenteaza in mod diferentiat asupra parametrilor a si c ai retelei titanului.Dependenta de concentratie a parametrilor retelei solutiei solide se cunoaste numai pana la un continut redus de element dizolvat.

In maura in care elementele de aliere influenteaza diferit parametrii de retea a si c,in aceeasi masura sunt date si doua valori pentru factorii dimensionali ε_a si ε_c.

Dupa scaderea valorilor absolute ale factorului dimensional ε_d,elementele de aliere dizolvate in faza α pot fi dispuse in ordinea Be,Mn,Si,Fe,Ni,Cr,Co,Cu,Zr,Re,W,V,Hf,Ta,Mo,Sn,Nb,Al.Cea mai mare deformare a retelei cristaline a titanului o produc atomii elementelor cele mai indepartate de titan Be,Co,Ni,Fe,Cr in timp ce elementele cele mai apropiate :Ta,Nb,Al,Mo,W,Re o deformeaza mai putin.Solubilitatea elementelor β stabilizatoare in faza α este mult mai mica ca cea a elementelor stabilizatoare de faza α;in plus stabilitatea elementelor β eutectoide scade,iar cea a elementelor β izomorfe creste la scaderea temperaturii.

Durificarea titanului prin dizolvare cu formare de solutii solide

Dizolvarea elementelor de aliere si a impuritatilor in titan produce cresterea limitelor de rezistenta si de curgere.Dar prin aliere se modifica putin tensiunea reala de rupere deoarece cresterea temporara a rezistentei la rupere este insotita de scaderea gatuirii transversale.Pentru explicarea durificarii metalelor prin dizolvarea elementelor de aliere cu formare de solutii slabe au fost propuse mai multe mecanisme.Trecerea lor in revista este data in lucrari de specialitate,fiind utile pentru descrierea calitativa a fenomenelor de durificare.

Elementele de aliere modifica distributia dislocatiilor,de regula elementele dizolvate produc cresterea densitatii dislocatiilor si extinderea structurii cu limite la unghiuri mici.La temperaturi suficient de joase durificarea solutiilor solide este legata de formarea de diferite tipuri de atmosfere in jurul dislocatiilor.La temperaturi scazute,cand miscarea prin difuzie a atomilor elementelor de aliere sau ale impuritatilor este redusa,este posibil ca la tensiuni mari,dislocatiile sa fie smulse din atmosfera lor inconjuratoare, avand ca rezultat o scadere rapida a tensiunii de curgere cu formarea unui "varaf" de curgere pe curbele de tractiune.Dependenta limitei de curgere conventionale de concentratia elementelor de aliere dizolvate in aliajele de titan poate fi parabolica sau liniara.

Influenta regimului de imbatranire asupra proprietatilor mecanice ale aliajelor de titan

Pe baza teoriilor de durificare prezentate au fost studiate aliaje binare de titan cu un continut de 14,5; 16,8; 18,1% Al ca si aliaje ternare Ti-16,5%Al -1,5% Si si Ti-18,1%Al -1,1%Zr.

Probe din aliajele mentionate au fost supuse omogenizarii la 1000^oCtimp de 48 de ore apoi calite in apa.Dupa calire probele au fost incalzite la diferite temperaturi timp de 100 de ore.Dupa imbatranire la temperaturi joase toate aliajele au fost fragile ,ruperea avand loc la tensiuni mici si alungiri aproape nule.La cresterea temperaturii de incalzire (>800^oC) rezistenta la rupere si limita de curgere cresc,atingand un maxim de 900^oC.

Benzile de alunecare,starea plastica a aliajelor se explica prin linii de alunecare fine si o distributie omogena a dislocatiilor.

Datorita valorii mici a lui б si campul de tensiuni din jurul particulelor este mic.In acest caz durificarea prin mecanismul de durificare (τ_D)este conditionata de formarea limitelor interfazice suplimentare,de dimensiunile si factia volumica a particulelor.

Calculul aproximativ al limitei de curgere se poate face cu relatia:

R^o_P0,2=R^o_P0,2+2τ_D

Unde:

R^o_P0,2 - limita de curgere a matricei fara particule.

Dislocatiile taie sau ocolesc particulele de faza secundara functie de mecanismul care necesita cele mai mici tensiuni de deplasare.

Mecanimul durificarii titanului de catre imuritati

In ceea ce priveste actiunea durificanta a impuritatilor,analizand influenta elementelor de interstitie (C,O₂,N₂),rezulta conform relatiei: HB=196%N+158%O+45%C+20%Fe+57 ca azotul are efectul durificant cel mai puternic,apoi oxigenul si in mai mica masura carbonul.

Cresterea duritatii si rezistentei titanului datorita impuritatilor de interstitie se explica prin deformarea retelei cristaline,datorita prezentei acestora in internoduri.Scaderea plasticitatii titanului la cresterea continutului de azot si oxigen se produce nu numai datorita durificarii prin dizolvare in interstitii ci si prin influenta diferita asupra parametrilor a si c si a retelei HC a Tiα.Carbonul are o influenta mai mica,comparativ cu azotul si oxigenul,desi dimensiunile atomului sunt mai mari decat ale atomilor de azot si oxigen si deci ar trebui sa se deformeze mai mult reteaua titanului.Carbonul,datorita diferentelor mari in valorile modulelor de elasticitate,ar fi trebuit sa durifice cel mai mult titanul,dar aceasta nu are loc deoarece distributia atomilor de carbon in interstitiile retelei este intr-o oarecare masura ordonata.Deoarece azotul are o actiune durificanta dubla fata de oxigen,iar carbonul de ori mai slab ca oxigenul,echivalentul in oxigen C_o se exprima astfel:

C_o%=%O+2%N+3/4%C

In concluzie dizolvarea elementelor de aliere si a impuritatilor in titan produce cresterea rezistentei la rupere si a limitei de curgere.

Luand in considerare si alte mecanisme de durificare,cum sunt durificarea prin finisarea granulatiei,prin precipitare,prin ecruisare,se poate scrie o formula generala a limitei de curgere

σ_c =σ_m+σ_G+σ_SG+σ_D+σ_S+σ_PR+σ_L+σ_cc+σ_E

unde:

σ_m - limita de curgere a monocristalului

σ_G - durificare prin finisarea granulatiei

σ_SG - durificare prin finisarea subgranulatiei

σ_D - durificare prin cresterea densitatii dislocatiilor

σ_PR - durificare prin precipitare din solutia solida

σ_L - durificare prin cresterea proportiei de constituent lamelar

σ_cc - durificare prin cresterea proportiei de compus chimic

σ_E - durificare prin ecruisare