Titanium alloys Mechanical properties and microstructure transformation

Abstract The aim of the project is to determine the mechanical properties and the microstructure with a to b transformation of the titanium alloy Ti-6Al-4V. The experiments made were tensile tests at temperatures 20, 400 and 800C and SEM images before and after inductive methods. Ti-6Al-4V is one of the most used types of alloy mainly because it has good qualities in strength, corrosion resistance and low weight with respect to the strength of the material. The strength is dependent on the microstructure and the ratio between the different phases a and b. This is the reason it is interesting to measure the transformation between the phases and then use the data to simulate and determine the required conditions for the manufacturing process. The images of the microstructure were unfortunately not ready in time for the project deadline. Instead, connections between the mechanical properties measured and other SEM images taken were done. The connections must therefore be viewed strictly as interpretations from the writer based on the work of others. The interpretation gives more questions and what one should focus new experiments on. The material structure changes with temperature and the macroscopic measurements such as stress and strain also change with the temperature. As expected there are connections between the microscopic structure and the macroscopic properties. In this thesis one can read about the material and properties of the material. There is a section about the microstructure and the phase transformation between a and b. The experiments are explained in the methodology section and the results are given and discussed. An outlook is included where future experiments and new questions to be posed are discussed.Titans struktur Förhållandet mellan materialets struktur och dess egenskaper. När man känner till egenskaperna hos ett material så kan optimala tillverkningsprocesser framställas baserat på denna kunskap. För produkter tillverkade av titan kan detta vara extra viktigt då produkterna ofta används i kritiska tillämpningar i t.ex. rymdraketer eller flygplan. I flygplansmotorer används titanlegeringar eftersom materialet är lätt, har en hög styrka och goda korrosionsegenskaper. Minskad vikt på tillverkningsmaterial för flygmotorer leder till minskad bränsleförbrukning vilket i sin tur ger en minskad klimatpåverkan. Vikten hos tillverkningsmaterialet är också centralt för rymdraketer då de ska kämpa mot tyngdkraften. Om de väger mindre så krävs mindre bränsle och kraft för att föra raketen ut i rymden. Titan är m.a.o. att föredra för dessa tillämpningar då det har egenskapen att ha låg vikt och samtidigt hög styrka och tålighet. För att analysera materialet i detta projekt så användes två olika tekniker: SEM (scanning electron microscope) och DIC (digital image correlation) med ett system benämnt ARAMIS®. Namnen kanske låter komplicerade men SEM är ett elektronmikroskop där elektroner skjuts mot materialet. När de reflekteras registreras de och man får en bild av ytan i mikrometerskala (tusendels millimeter). DIC innebär att man tar många bilder, 200-400, stycken under tiden som ett dragprov genomförs. Proverna är målade med ett stokastiskt mönster som behandlingsprogrammet kan följa genom alla bilder under dragprovet. Genom att följa hur mönstret förändras kan ARAMIS® systemet räkna ut den mekaniska spänningen samt töjningen av provet. I detta arbete gjordes tester vid temperaturerna, 20 °C, 400 °C samt 800 °C. Resultatet visar på att titanlegeringen får en ökad töjningsgrad då temperaturen ökar samt att styrkan hos materialet minskar med ökad temperatur. Detta betyder att kraften som behövs till formning inte blir lika stor. Mikrostrukturen påverkar egenskaperna hos materialet och vid en förändring i mikrostrukturen, exempelvis p.g.a. ändrad temperatur, ändras också dessa. Beroende på hur snabbt temperaturen förändras blir strukturen också annorlunda, vilket avspeglas av materialegenskaperna. Att strukturen är beroende av processen visar hur viktigt det är att kunna förutsäga resultatet av olika tillverkningsprocesser då denna kunskap kan leda till billigare, snabbare och mer miljövänlig produktion