Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Metali Nieżelaznych
Analiza zjawiska umocnienia odkształceniowego niskotemperaturowo wyciskanego tytanu 3
Spis treści Wprowadzenie ... 4
1. Wstęp teoretyczny ... 6
2. Własności mechaniczne tytanu ... 7
3. Gatunki tytanu ... 8
4. Klasyfikacja stopów tytanu ... 10
5. Mechanizmy odkształcania ... 13
6. Sposoby umacniania metali ... 20
7. Konwencjonalne kształtowanie tytanu ... 23
8. Zmiana drogi odkształcenia ... 24
8.1. Teoretyczne podstawy procesu KOBO ... 28
8.2. Lepkoplastyczny charakter płynięcia w procesie KOBO ... 31
9. Defekty punktowe i ich klastry ... 40
10. Anormalne zachowanie materiałów metalicznych poddanych niskotemperaturowemu wyciskaniu metodą KOBO ... 43
11. Teza i cel pracy ... 54
12. Metodyka badań ... 55
13. Wyniki badań ... 61
13.1. Próby niskotemperaturowego wyciskania tytanu Grade 2 metodą KOBO ... 61
13.2. Badania własności mechanicznych wyrobów/prasówki ... 63
13.3. Obserwacje strukturalne ... 71
13.3.1. Mikroskopia optyczna ... 71
13.3.2. Mikroskopia elektronowa ... 75
14. Wnioski ... 91
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Metali Nieżelaznych
Analiza zjawiska umocnienia odkształceniowego niskotemperaturowo wyciskanego tytanu 4
Wprowadzenie
Tytan odkryty pod koniec XVIII wieku aż do początków XX wieku nie miał zastosowania w przemyśle. Podejmowano wiele prób ekstrakcji metalu z rudy tytanowej przy użyciu tetrachlorku tytanu (TiCl4). Uzyskanie tytanu o wysokiej czystości okazało się trudne
ze względu na silną tendencję do reagowania z tlenem i azotem. Próby redukcji TiCl4 przy
użyciu sodu lub magnezu pozwalały jedynie na wytwarzanie niewielkich ilości kruchego tytanu [1]. Dopiero w 1910 roku M. A. Hunter uzyskał tytan o czystości 99,5 % w warunkach laboratoryjnych, a w 1940 powstała metoda przemysłowego otrzymywania technicznie czystego tytanu [2].
W temperaturze pokojowej występuje w odmianie Ti-α i krystalizuje w sieci heksagonalnej, powyżej 885˚C przekształca się w odmianę Ti-β krystalizując w sieci regularnej przestrzennie centrowanej [1, 3]. Jego temperatura topnienia wynosi 1668˚C.
Czysty technicznie tytan jest materiałem plastycznym. Jako materiał konstrukcyjny tytan często wykorzystuje się w różnych gałęziach przemysłu, od medycyny przez przemysł samochodowy aż do aeronautyki. Jest to spowodowane jego małą gęstością, co przy dość dobrych własnościach wytrzymałościowych w szerokim zakresie temperatur (od -253°C do 590°C) czyni go materiałem atrakcyjnym [4, 5]. Niestety przeróbka plastyczna tytanu prowadzona „na gorąco” niesie za sobą wiele utrudnień związanych głównie z dużym powinowactwem tytanu do azotu i tlenu w podwyższonych temperaturach jak i ze zjawiskiem kruchości w zakresie temperatur 400-600˚C.
Pomimo nie najgorszej plastyczności (wydłużenie w próbie rozciągania ok. 30%) tytan jest materiałem trudnoodkształcalnym. Wyciskanie, kucie czy ciągnienie odbywa się na gorąco w temperaturach przekraczających 900˚C. Nadplastyczne płynięcie tytanu ma miejsce w temperaturze 925°C [6].
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Metali Nieżelaznych
Analiza zjawiska umocnienia odkształceniowego niskotemperaturowo wyciskanego tytanu 54
11. Teza i cel pracy
Doskonalenie procesu wyciskania metali i stopów metodą KOBO, analiza wpływu jego parametrów na strukturę i własności mechaniczne, obserwacje strukturalne i podjęte próby identyfikacji przyczyn nietypowego zachowania wyciskanych i wyciśniętych materiałów z ekstremalnie wysokimi stopniami przerobu w niskiej temperaturze stanowiły inspirację dla kontynuowania badań i objęcia nimi tytanu Grade 2.
W szczególności praca obejmuje:
a) próby wyciśnięcia metodą KOBO tytanu Grade 2 w niskiej temperaturze (poniżej temperatury rekrystalizacji),
b) analizę mechanizmu plastycznego płynięcia tak odkształcanego metalu,
c) identyfikację zjawisk towarzyszących umocnieniu odkształceniowemu prasówki.
Dotychczasowe wyniki doświadczalne i ich analiza dotyczące procesu wyciskania KOBO pozwalają na postawienie tezy, iż jest możliwa implementacja tej metody do wyciskania tytanu z wysokim stopniem przerobu i w niskiej temperaturze („na zimno”), oraz że istnieją poważne przesłanki aby mechanizm plastycznego płynięcia tytanu i zjawisko jego umocnienia odkształceniowego związać z obecnością wygenerowanej w procesie KOBO ponadrównowagowej koncentracji defektów punktowych analogicznie jak w przypadku innych dotychczas przebadanych materiałów metalicznych.
Próbę udowodnienia powyższej tezy oparto na oryginalnych danych doświadczalnych uzyskanych w badaniach wytrzymałościowych i obserwacjach optycznych i elektronomikroskopowych, którym poddano zarówno prasówkę KOBO jak i tytan referencyjny (stan handlowy i alternatywnie wyżarzony).
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Metali Nieżelaznych
Analiza zjawiska umocnienia odkształceniowego niskotemperaturowo wyciskanego tytanu 91
14. Wnioski
1. Udowodniono, że możliwe jest wyciskanie metodą KOBO tytanu Grade 2 z dużym stopniem przerobu, znacznie poniżej temperatury rekrystalizacji.
2. Analiza mechanizmu plastycznego płynięcia tytanu poddanego niskotemperaturowemu wyciskaniu metodą KOBO wskazuje na pełną analogię z płynięciem innych metali i stopów zarówno krystalizujących w sieci A1 jak i A2 i wpisuje się w stwierdzenie o jego lepkim (warstwowym) charakterze spowodowanym generacją w procesie ponadrównowagowej koncentracji defektów punktowych.
3. Zjawisko umocnienia odkształceniowego tytanu wyciśniętego na zimno metodą KOBO mające miejsce w próbie rozciągania posiada taką samą intensywność jak w przypadku tytanu odkształconego wysokotemperaturowo, ale przebiega na wyższym poziomie naprężenia, co można związać z postulowaną obecnością w strukturze nanometrycznych klastrów defektów punktowych, pełniących rolę porównywalną z umacniającymi cząstkami drugiej fazy (skupiskami atomów domieszki).
4. Struktura ziarnowa i dyslokacyjna tytanu Grade 2 pomimo jego znacząco wyższych własności wytrzymałościowych (około 10 %) po wyciśnięciu metodą KOBO jest identyczna jak materiału handlowego (wsadu do wyciskania) zawierając zrekrystalizowane i wyzdrowione kilkudziesięciomikronowe ziarna oraz znaczną gęstość dyslokacji.
5. Wyznaczona w temperaturze otoczenia czułość na prędkość odkształcenia tytanu wyciśniętego metodą KOBO jest bardzo niska i nie odbiega od danych dla tytanu otrzymanego według innych procedur przetwórczych, co sugeruje brak w strukturze dodatkowych, indywidualnych („rozpuszczonych”) defektów punktowych, co może wynikać z ich zbiorowego udziału w formowaniu klastrów.
