Tratamente termomecanice - titan

Tratamente termomecanice - titan

Procedeul de prelucrare termomecanica reprezinta un mijloc efectiv de crestere a caracteristicilor de rezistenta mecanica.Tratamentele termomecanice de temperaturi joase constau prin deformarea plastica la rece a unor produse din aliaje de titan calite in prealabil si apoi dupa deformare imbatranite.

Acest tratament se aplica in general la fabricarea tablelor.Pentru semifabricatele obtinute prin deformare plastica la cald se utilizeaza tratamentul termomecanic la temperaturi ridicate care se realizeaza prin deformare plastica a materialului la cald cu racirea foarte rapida si imbatranire finala.

Prin acest tratament termomecanic se faramiteaza fazele respectiv constituentii structurali,se mareste densitatea defectelor retelei cristaline,iar formarea structurii de sublimite franeaza miscarea dislocatiilor.Adancimea mica de calire a aliajelor de titan se explica prin conductibilitatea termica redusa a acestora.Grosimea semifabricatului care se prelucreaza prin TTMTI (tratament termomecanic de temperaturi inalte) nu trebuie sa depaseasca dublul adancimii de calire,la aliajul Ti-6Al-4V este de 25 mm.

Modificarea rezistentei si a plasticitatii aliajelor de titan dupa TTMTI depind de cantitatea de elemente stabilizatoare de faza β;cu cat este mai mare cresterea rezistentei si scaderea plasticitatii,comparativ cu starea de recoacere normala.

Matritarea cu utilizarea TTMTI conduce la crestrea deformarii pieselor,comparativ cu matritarea conventionala.Procesul tratamentului TTMTI decurge dupa urmatoarea schema:

Obtinerea semifabricatelor cu structura omogena si fina.In cazul unei structuri grosiere,dupa aplicarea TTMTI,se observa o scadere pronuntata a plasticitatii.

Incalzirea pentru deformare la temperaturi cu 20-40^oC,sub limita de transformare polimorfa.

Matritarea cu deformare 30-40 %.

Racirea intr-un bazin cu apa curgatoare,la 30-70^oC.Pauza intermediara dintre sfarsitul deformarii plastice la cald si racirea in apa depinde de grosimea semifabricatului prelucrat.

Imbatranirea la 550-620^oC/2h conduce la cresterea rezistentei la rupere,cu o mica reducere de plasticitate.

Deformarea plastica in domeniul (α+β)si apoi recoacerea la tempereturi inferioare punctului de transformare polimorfa conduce la finisarea structurii si obtinerea unui ansamblu optim de proprietati de utilizare.Prezenta ambelor faze in timpul defomarii plastice previne cresterea granulatiei.Daca recoacerea de recristalizare ulterioara este realizata sub temperatura M_S ,se obtine o structura fina (α+β).Daca recristalizarea se face deasupra temperaturii M_s se obtine o structura cu garunti de faza α echiacsi alaturi de lamele de faza α.Finetea si proportia lamelor de faza α obtinute in urma recoacerii depinde de temperatura de tratament.O recoacere de temperatura joasa produce o proportie scazuta de faza α.

Un tratament final de 24 h la 450600^oC elimina faza α₂.

Recoacerea de recristalizare.

Recristalizarea este un fenomen care insoteste deformarea plastica la rece. Odata depasit un anumit grad de deformare, considerat critic, apare ecruisarea structurii materialului metalic, fenomen insotit de cresterea densitatii defectelor structurale de tipul dislocatiilor, scaderea plasticitatii si tenacitatii si cresterea sensibila a duritatii. Incercarile experimentale au demonstrat ca prin incalzire se produce restaurarea structurii ecruisate si regenerarea proprietatilor de plasticitate. Fenomenul se bazeaza pe procese de germinare si crestere si poarta numele de recristalizare.

Fig.6.2 Variatia proprietatilor si modificarea structurii cu temperatura de incalzire a materialelor metalice deformate plastic la rece

Recoacerea de recristalizare se aplica produselor metalice prelucrate in prealabil prin deformare plastica la rece in scopul inlaturarii totale sau partiale a ecruisajului. Transformarile prin care se realizeaza acest scop constau in inlocuirea grauntilor cristalini deformati cu altii de alte forme, dimensiuni si distributie si cu alte stari de tensiune si densitati de defecte de retea. Tipul retelei cristaline ca si compozitia chimica raman neschimbate, transformarile fiind asadar fara modificari de faza in stare solida. Cercetari experimentale au demonstrat ca modificari sensibile ale alungirii specifice si ale rezistentei de rupere se constata numai cand temperatura de incalzire a materialului a atins o anumita valoare. Deoarece in cele mai multe cazuri aceste modificari sunt insotite de transformari structurale observabile la microscop si descrise prin denumirea geometrica de recristalizare, temperatura minima la care se produc ele se numeste temperatura de recristalizare sau prag de recristalizare. Temperatura de recristalizare primara (pragul de recristalizare) depinde de o serie de factori dintre care mai importanti sunt urmatorii:

a). Gradul de deformare - cu cat gradul de deformare este mai mare, temperatura de recristalizare este mai mica.

b). Durata incalzirii - cu cat durata incalzirii este mai mare, temperatura de recristalizare este mai mica.

c). Viteza incalzirii - cu cat viteza incalzirii este mai mare, temperatura de inceput si de sfarsit a recristalizarii primare creste.

Cercetarile experimentale au demonstrat ca modificarile structurale si de proprietati cu temperatura de incalzire se desfasoara succesiv in trei etape si anume:

Intr-o prima etapa a incalzirii, pina la atingerea temperaturii de recristalizare in structura si propietatile materialului nu se inregistreaza modificari sensibile. Se produce o oarecare detensionare a materialului in principal prin anihilarea reciproca a unei parti din defectele structurale (stadiul I).

La depasirea temperaturii de recristalizare se produce restaurarea structurii ecruisate. Se formeaza prin germinare si crestere o structura cu graunti echiaxiali fini. Aceasta etapa poarta numele de recrisalizare primara (stadiul II). In aceasta etapa se inregistreaza si modificari sensibile ale valorilor caracteristicilor mecanice (duritate, plasticitate si nu numai).

La depasirea unei temperaturi considerate critice (stadiul III), ca urmare a cresterii mobilitatii atomilor cu temperatura, se inregistreaza o crestere a marimii grauntilor prin coalescenta cu influenta negativa asupra plasticitatii si tenacitatii materialului. Fenomenul se numeste recristalizare secundara si trebuie evitat.

Stabilirea parametrilor tehnologici pentru recoacerea de recristalizare se face tinind seama de faptul ca, in cazul otelurilor, temperatura de recristalizare este:

T_recr = 0,4*T_topire

Stabilirea temperaturii de mentinere depinde de tipul otelului, configuratia produsului si gradul de deformare. Trebuie avut in vedere faptul ca, odata cu cresterea temperaturii de mentinere scade durata de mentinere si creste productivitatea. Parametrii tehnologici pentru recoacerea de recristalizare a otelurilor sunt prezentati in tab.6.3.

Tab.6.3 Parametrii recoacerii de recristalizare pentru oteluri

INFLUENTA PRELUCRARII PRIN DEFORMARE PLASTICA ASUPRA PROPRIETATILOR SI STRUCTURII METALULUI SUPUS DEFORMARII

Prelucrarea prin deformare modifica nu numai forma semifabricatului initial, ci afecteaza in mod substantial proprietatile si structura lui. Principalele fenomene care insotesc prelucrarea prin deformare plastica sunt : ecruisarea, recristalizarea, aparitia structurii fibroase, modificarea proprietatilor mecanice etc.

A.    Ecruisarea consta in cresterea rezistentei la rupere r_m si a duritatii HB, concomitent cu scaderea rezilientei KCU, a alungirii relative A_t si a gituirii (proprietati ce determina plasticitatea). Influenta deformarii la rece asupra proprietatilor mecanice enumerate mai sus, Ia un otel cu continut mic de carbon, se vede in figura 3. De asemenea, apar modificari in structura, in sensul ca grauntii se lungesc si respectiv se turtesc pe anumite directii (fig. 4, b), iar unele proprietati fizice (conductibilitatea electrica si termica proprietatile magnetice) si chimice (rezistenta la coroziune) se schimba. O importanta deosebita o are influenta ecruisarii asupra plasticitatii metalului, pentru ca la un anumit grad de deformare, plasticitatea scade in mod substantial, incit prelucrarea in continuare prin deformare plastica nu mai este posibila, din cauza pericolului aparitiei crapaturilor. Restabilirea plasticitatii metalului se poate face prin tratamentul termic de recoacere de recristalizare

20 40 60 80 100

Gradul de deformare, in %

Fig. 3 - Influenta deformarii la rece asupra proprietatilor materialului prelucrat prin deformare.

Unde am folosit notatiile: KCU

HB

R_m

A_t

Fig. 4 - modificarea structurii interne a materialului supus deformarii

Din punct de vedere practic, cunoasterea fenomenului de ecruisare ajuta la dirijarea procesului de deformare si permite largirea gamei de utilizari a metalelor. Astfel, fara aparitia ecruisarii nu ar fi posibile unele operatii ca ambutisarea si tragerea. In acelasi timp , ecruisarea poate fi folosita pentru marirea anumitor propietati mecanice ale unor metale si aliaje, cum sunt: aluminiul si aliajele sale , cuprul, unele alame si bronzuri, unele oteluri inoxidabile (tabelul 1).

Fig. 5-Aparitia structurii fibroase

TABELUL 1. Influenta ecruisarii asupra proprietatilor mecanice ale unor metale si aliaje

B.Recristalizarea. La prelucrarea prin deformare plastica la cald, odata cu procesul de deformare are loc si procesul de recristalizare, care incepe de la o anumita temperatura. In cazul metalelor pure, dupa Bocivar, recristalizarea are loc la o temperatura

T_{recristalizare} ≈ 0,4T_topire [⁰K].

In metalul deformat apar centuri de recristalizare, in jurul carora cresc graunti noi, in locul celor deformati, iar metalul capata o structura cu grauti echiaxiali. Deoarece recristalizarea decurge in timp, structura finala a metalului va fi influentata nu numai de temperatura, ci si de viteza de deformare.

C. Aparitia structurii fibroase, in urma prelucrarii prin deformarea plastica la cald se constata ca materialul capata o macrostructura fibroasa, orientarea fibrelor fiind in directia de curgere, in timpul deformarii plastice grauntii cristalini initiali se deformeaza, lungindu-se in directia de curgere. Incluziunile nemetalice existente in structura vor suferi deformari si deplasari asemanatoare. Recristalizarea conduce la aparitia unor noi graunti cristalini, fara sa afecteze redistribuirea incluziunilor nemetalice, care raman deformate si orientate, impartind metalul in fibre

D. Modificarea proprietatilor mecanice. Prelucrarea prin deformare are o influenta mare si stabila asupra urmatoarelor caracteristici : rezilienta, gatuirea, rezistenta la oboseala si lungirea relativa. Din cauza existentei structurii fibroase, aceste proprietati sunt mai bune in directia longitudinala decat in directia transversala. Practic, cunoasterea acestor modificari ale proprietatilor mecanice este foarte importanta in proiectarea pieselor si a procesului tehnologic de executie. Este bine ca directia eforturilor de intindere si compresiune care apar in timpul functionarii piesei sa coincida cu directia fibrelor, iar directia eforturilor de forfecare sa fie perpendiculara pe directia fibrelor. De exemplu, un surub obtinut prin aschiere are o macro-structura nesatisfacatoare, eforturile de forfecare din capul surubului fiind orientate de-a lungul fibrelor. Acest dezavantaj se inlatura daca acelasi surub este obtinut prin forjare cu refularea capului,permitand marirea rezistentei de cca 10 ori, datorita orientarii favorabile a fibrelor cu executia unui arbore cotit, a unei supape, roti dintate etc.

a.      Prin aschiere b. Prin deformare plastica

Fig.6 Directia fibrelor in cazul prelucrarii unui surub

a.      Prin aschiere b. Prin deformare plastica

Fig.7 Directia fibrelor in cazul prelucrarii unui arbore cotit

CLASIFICAREA PROCEDEELOR DE PRELUCRARE PRIN DEFORMARE PLASTICA

Procedeele de prelucrare prin deformare plastica se pot clasifica dupa mai multe criterii :

dupa temperatura la care are loc deformarea : la rece, cind deformarea este insotita de ecruisare fara recristalizare si la cald, cind recristalizarea se produce complet, fara urme de ecruisare;

Fig. 8. Clasificarea procedeelor de prelucrare prin deformare plastica

- dupa viteza de deformare : ca viteze mici de deformare (pentru v_d<10 m/s) si cu viteze mari de deformare (pentru v_d>10 m/s);

- dupa natura operatiei de deformare : de degrosare ; de prefinisare si de finisare.

Dupa particularitatile tehnologice se pot clasifica conform schemei din figura 8.

Recristalizarea statica dupa deformare plastica la rece

Dupa ce s-a produs restaurarea statica,apare o scadere insemnata a rezistentei mecanice,ceea ce indica o recristalizare statica.Incepe astfel cresterea unor noi graunti,care au densitati mai mici in dislocatii (≈10¹⁰ m^-2)decat densitatea grauntilor deformati inlocuiti (≈10¹⁶ m^-2) .In figura 1.4 sunt redate schematic mecanismele de germinare pentru diferite materiale metalice dupa aplicarea unor tensiuni variate.

Fig.1.4. Mecanisme de germinare a grauntilor recristalizati functie de metal si tensiunea aplicata /1/: a) metale cu energie mare a defectelor de impachetare, in care celulele A, B, C cresc prin coalescenta pentru a forma un germene. Acest lucru apare ca rezultat al dislocatiilor dintre celulele care se deplaseaza in jurul subgrauntilor, crescand gradul de dezorientare pana la deplasarea libera; b) metale cu energie mica a defectelor de impachetare, in care tensiunile determina energii mari ale densitatii de dislocatii,transformandu-se in limite la unghiuri mari dupa recoacere; c) metale la care tensiunea este atat de mica si densitatea de dislocatii variaza de la un graunte la altul, incat la limita existenta poate ancora o sublimita transformand-o in regiune cu densitate mai mare.

Mecanismul de coalescenta al subgrauntilor apare la metale cu energie mare a defectelor de impachetare si duce la formarea unor regiuni cu un continut scazut de dislocatii interne inconjurate de limite cu grad mare de dezorientare capabile sa migreze.In metale cu energii mici ale peretilor celulelor maresc gradul de dezorientare ,determinand migrarea directa in timpul procesului de recoacere.

Mecanismul de coalescenta al subgrauntilor este favorizat de aplicarea unor pretensiuni mari.Daca durificarea anterioara este redusa (la un grad de deformare mai mic de 0,4) in multe metale poate avea loc un mecanism alternativ.Acest proces consta in bombarea unui segment ingust apartinand unei limite la unghiuri mari,ceea ce duce la formarea unui volum sferic,o zona lipsita de dislocatii,care poate actiona ulterior ca germene.

Odata germenii formati,ei pot creste in materialul deformat prin migrarea limitelor.Forta conducatoare necesara migrarii dislocatiilor este data de diferenta dintre densitatea de dislocatii din zona metalului deformat.Forta scade continuu datorita a doi factori.Un prim factor este timpul,ca rezultat al restaurarii,care determina scaderea densitatii de dislocatii.Un al doilea factor este procesul de recristalizare,care se produce in zonele puternic recristalizate,care contin cea mai mare densitate de dislocatii.Procesul de recristalizare este considerat complet,cand s-au absorbit toate regiunile deformate si germenii formati patrund in acestea.In cazul restaurarii statice,viteza procesului este puternic influentata de prezenta impuritatilor existente in solutie si de particulele fine;rezulta astfel cresterea vitezei de migrarea a limitelor.

Atat germinarea,cat si cresterea sunt procese activate termic,astfel incat vitezele lor cresc rapid pe masura cresterii temperaturii.Fara indoiala,marimea de graunte la sfarsitul recristalizarii depinde in primul rand de densitatea germenilor si de gradul de deformare initial din interiorul grauntilor.Gradul de deformare depinde de marimea,viteza si temperatura la care se aplica sarcina.Viteza recristalizarii creste pe masura cresterii severitatii tensionarii,datorita cresterii densitatii germenilor si pe masura cresterii fortei conducatoare a procesului.