הקשיות של טיטניום וסגסוגות טיטניום

קשיות קובעת ישירות את התנגדות הדפורמציה, עמידות הבלאי וחיי השירות שלהם. זהו בסיס מרכזי לבחירת חומרים, אופטימיזציה של תהליכים ובקרת איכות. מנגנון היווצרות, שיטות ויסות ומפרטי בדיקה של מאפייני הקשיות של טיטניום וסגסוגות טיטניוםיש את ההיגיון של מדעי החומרים.

 

I. קשיות טיטניום וסגסוגת טיטניום

קשיות החומר היא היכולת להתנגד לדפורמציה פלסטית מקומית כמו הזחה ושריטות, מקור מכוח הקשר בין אטומים וההתנגדות של המבנה המיקרו לעיוות. הקשיות של טיטניום וסגסוגות טיטניום אינה ערך קבוע אלא משתנה באופן דינמי עם הרכב, מבנה הגביש, טכנולוגיית העיבוד ומצב הטיפול בחום.

 

לטיטניום טהור יש קשיות נמוכה יחסית, עם קשיות ברינל של כ-160HB בטמפרטורת החדר, קרוב לזו של ברזל טהור; יש לו קשיות גבוהה של סגסוגות טיטניום באמצעות עיצוב סגסוגת וויסות מיקרו-מבנה כדי לממש את האופטימיזציה המתואמת של קשיות ותכונות קלות משקל.

 

II. מנגנון היווצרות וגורמים משפיעים

(ט) מבנה אטומי וקריסטל

הקשיות של טיטניום נולדת מהמבנה האטומי הייחודי שלו וסידור הגבישים. לטיטניום מספר אטומי של 22 ותצורת אלקטרונים של 3d²4s². האלקטרונים התלת מימדיים נמצאים בקשר כימי, וכתוצאה מכך חוזק קשר מתכתי גבוה יותר מאשר ברזל וקשירה אטומית קרובה יותר. זה מהווה את הבסיס המובנה לקשיותו.

 

בטמפרטורת החדר, לטיטניום יש מבנה משושה סגור-(HCP) (Ti), עם 3 מערכות החלקה בלבד ונתיבי גלישה מוגבלים של נקע, מה שמקשה על עיוות פלסטי. קשה יותר לכופף או לשרוט טיטניום מאשר פלדה.

 

(II) סגסוגת

סגסוגות טיטניום תעשייתיות משפרות באופן ניכר את הקשיות ושומרות על צפיפות נמוכה על ידי הוספת אלמנטים כמו אלומיניום ונדיום. ישנם בעיקר שלושה מנגנוני חיזוק:

 

חיזוק פתרון מוצק: לאטומים כמו אלומיניום ונדיום יש גדלים אטומיים שונים מטיטניום. התוספת שלהם גורמת לעיוות סריג, מעכבת את תנועת הנקע והופכת את החומר לעמיד יותר בפני דפורמציה.

 

חיזוק משקעים: לאחר טיפול ההזדקנות, חלק מסגסוגות טיטניום משקעות חלקיקי שלב שני-. זה נראה כמו "מסמרים" להצמיד נקעים, מה שמגדיל מאוד את הקשיות תוך שמירה על תכונות קלות משקל.

 

ויסות מבנה שלב: אלמנטים סגסוגים יכולים ליצור מבנים דופלקסים של -פאזה, -פאזה או -. על ידי התאמת יחס הפאזה, יש לו איזון בין קשיות וקשיחות.

 

(III) עיבוד וטיפול בחום

טכנולוגיית עיבוד וטיפול בחום משיגים שליטה מדויקת על קשיות סגסוגת טיטניום על ידי ויסות מבנה המיקרו:

עבודה קרה מעוותת גרגירים, מפעילה התקשות מתח כדי להגביר את הקשיות;

 

עבודה חמה מבטלת מתח ומתח בטמפרטורות גבוהות כדי להפחית את הקשיות ולשפר את הפלסטיות והקשיחות.

ההשפעה הרגולטורית של טיפול בחום ניתנת לשליטה: חישול הופך את המבנה להומוגנית, ומפחית באופן מתון את הקשיות כדי להסתגל לעיבוד הבא;

 

כיבוי מקדם את הפיכת השלב של -למרטנסיט או לתמיסה מוצקה על-רוויה, ומגביר באופן משמעותי את הקשיות;

טיפול ההזדקנות מזרז שלבי חיזוק כדי לשפר עוד יותר את הקשיות ולהבטיח ביצועים מקיפים טובים. היישום המשולב של מספר תהליכים יכול לעמוד בדרישות הקשיות של תרחישים שונים.

 

III. שיטות בדיקה

קשיות Brinell (HB): מתאים לבדיקות אצווה של סגסוגות טיטניום בקשיות בינונית ונמוכה. יש לו שטח חריטה גדול, יכול לשקף קשיות ממוצעת, והוא מושפע פחות ממבנה לא אחיד. עם זאת, השקע גדול יחסית, מה שהופך אותו לא מתאים לחלקים מדויקים או יריעות דקות.

 

Rockwell Hardness (HR): כולל מהירות בדיקה מהירה, הזחה קטנה ונזקי מדגם נמוך, מתאים לחלקים מדויקים ויריעות דקות; קשקשים שונים מתאימים לסגסוגות טיטניום בטווחי קשיות שונים.

 

Vickers Hardness (HV): מציעה את הדיוק הגבוה ביותר ואת יישום העומס הגמיש ביותר, המאפשרת בדיקות מאקרו ומיקרו קשיות כאחד. זה לא רק יכול לנתח הבדלי קשיות מקומיים בין שלבים, לזהות ציפויים וריתוכים, אלא גם לשמש להערכת ביצועים שגרתית, לשמש כשיטת ליבה למחקר ופיתוח של סגסוגת טיטניום, כמו גם לאימות תהליכים.

 

Nanoindentation מתאים לאפיון התכונות המיקרו-מכניות של סרטים דקים ומיקרו-אזורים; קשיות Leeb אידיאלית עבור-בדיקות מהירות באתר של חלקי עבודה גדולים; קשיות Knoop משמשת לבדיקת יריעות- דקות במיוחד או ציפויים משטחים.