《以田口式实验设计法研究热处对BetaIII钛合机械性能之影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《以田口式实验设计法研究热处对BetaIII钛合机械性能之影响（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號：D14-0002 以田口式實驗設計法研究熱處對以田口式實驗設計法研究熱處對 Beta III 鈦合機械性能之影響鈦合機械性能之影響 楊孝清1 銘2 王則眾3 薄慧雲4 白清源5 義剛6 1國防大學工學院 兵器系統工程研究所 研究生 2國防大學工學院 化材系 副教授 3實踐大學 工業產品設計系 副教授 4中科院 材暨光電研究所冶組 組長 5國防大學工學院 化材系 助教授 6大大學 材科學與工程學系 助教授 (NSC96-2622-E-606-001-CC3) 摘要摘要 本研究採用田口
2、式實驗設計法，應用 L9 直交表 於 Beta III 鈦合(Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn) 經固溶及時 效熱處後，探究熱處對應其此一材之機械 性能影響；此外，藉由 ANOVA 變分析等，探討 熱處與各項機械性能(伏強、抗強、 延伸、硬值與衝擊值等)之影響程及獲致各項 機械性能之建議熱處組合條件，並加以驗證， 以建此合之熱處及機械性能資庫。 關鍵詞：Beta III 鈦合 (Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn)，固溶 時效熱處，田口式實驗設計法 1. 前言前言 鈦為全球第四大豐富的結構屬（僅次於鐵、 鋁、鎂） ，外觀似鋼，具有銀灰色光澤，為週期表上 第四週期 IV-A 族原子序
3、22 的過渡屬，在 882有 同素變態點 Tc（變態溫） ，低於此溫時，結晶 構造為方最密堆積（HCP, Hexagonal Close Packed） 晶體結構的相（-Ti） ；當溫高於變態溫時 候，HCP 晶體結構轉變為體心方（BCC, Body Centered Cubic）晶體結構，稱為相（-Ti） ，鈦合 由於質輕、機械性能優、抗腐蝕性強、機製加工 性及抗彈性能佳，且為比強最高之合，故應用範 圍相當廣泛，民生與國防武器應用上深具潛；鈦 合可簡單分為型、+型與型，其中型鈦 合通常含有一種或種的相安定元素，如 Mo、Cr、V，這合有高硬化能、鍛造能與較 好的耐蝕性，為可熱處型，藉熱處經固
4、溶處水 或空至室溫能獲得全部由相組成的顯微組 織，因相為體心方結構，所以塑性好，另透過時 效處可大幅提高強 （使相基地中析出相或 介屬化合物強化） ，是發展高強（1400 MPa） 鈦合潛最大的一鈦合1。 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn 為商用型鈦合，商標名 稱為 Beta III 鈦合，其組成詳如表 1.12，商用應 用範圍為飛機之扣件，如鉚釘，因其成形性好，故用 做冲壓板機件，鍛件可用於高強機件，同時可應用於要求硬化能高之另件，本合的轉變溫為 760 ，相關熱處如表 1.23。 表 1.1 Beta III 鈦合成分極限2 Ti MoZr SnC H N O FeotherBal.
5、10.0- 13.0 4.5- 7.5 3.75- 5.25 0.10 max.0.02 max. 0.05 max. 0.18 max. 0.35 max 0.04 表 1.2 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn 熱處3 Method Temp. ()Time（Hr） Cool Way Solution 690-790 1/8-1 Water/Air Aging 480-595 8-32 - Annealing 690-760 1/6-1 Water/Air Beta III 鈦合中，元素 Mo 屬於完全固溶的 同晶型反應（-Isomorphous）穩定元素，Mo 含需 超過使相完全殘到
6、室溫所必要的相安定化元 素最低含有（10%）4，Ti-Mo 合系統具有非常 簡單的平衡相圖如圖 1.15，合之 TTT 曲線圖如圖 1.26，由上述等圖表中可得知，本合以相為主 要基地，升溫超過轉變溫進固溶後 （約 760） 藉由水或空至室溫，或直接經由退火處，部分 即可分解成相，再經過時效處，可持續分解與強 化相；另外以 360恆溫退火或時效處，會使 相轉變為相，相相當硬脆，將導致合之韌性下 ，此種態叫脆性，應避免該相的形成7。 本研究將以田口式實驗設計法針對 Beta III 型鈦 合進熱處實驗，進一步建其機械性能資 庫，可作為後續發展各式裝甲材選用或民生應用方 面，作為選用評估及考之依據
7、。 CSME-4238中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號：D14-0002 圖 1.1 Ti-Mo 二元相圖 圖 1.2 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn 之 TTT 曲線圖 2. 實驗設備與方法實驗設備與方法 2.1 實驗材實驗材 本實驗使用材為中科院冶組以雙 V 製程 （VIM 及 VAR）熔之 Beta III 鈦合，主要成分為 Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn（wt%） ，熔完之鑄錠如圖 2.1 所示，尺寸約為 130 mm x 100 mm x 35 mm，取樣小 塊試片經鑲埋、拋光後以電子微探
8、儀(EPMA)執定 分析，成份如表 2.1。 圖 2.1 Beta III 鈦合熔之鑄錠 表 2.1 Beta III 鈦合材成份分析 ElementTi Mo Zr Sn C Fe wt% Bal.10.75.9 4.5 0.020.3 2.2 熱滾軋熱滾軋 經考 Beta III 型鈦合之轉變溫為 760 3，設定熱滾軋溫為 780，步驟為先將鑄錠預熱 升溫，恆溫加熱一小時，滾軋為一次回 0.8mm， 每滾軋三次後並即放入熱處以保持工作溫 ，滾軋從原鑄錠之厚（35mm）滾軋至製作各 測試試片所需的厚。 2.3 試片製備及性能測試試片製備及性能測試 本研究針對機械性能部分進抗試驗、衝擊試 驗
9、與硬試驗，試片製作及測試方法與設備如後 明。 2.3.1 抗試驗抗試驗 為求得伏強、抗強、延伸等機械性 能，依據 ASTM 規範製作伸試片如圖 2.2，試片製 作過程為將鑄錠滾軋至 3mm 厚，再以放電線割機 割成型，伸試驗如表 2.2 所示，每組試片均 測試 3 件取平均值。 圖 2.2 伸試片圖 表 2.2 伸試驗 Parameter Value Initial Speed（mm/min） 0.20 Normal Gage Length（mm） 25 Secondary Speed （mm/min） 2.0 Strain Change Point（%） 2 2.3.2 衝擊試驗衝擊試驗 依
10、據標準規範製作 Charpy 4 號試片如圖 2.38， 試片製作過程為將鑄錠滾軋至 10mm 厚，再以放電線 割機割成型，衝擊試驗機之起始擺捶角為 100 ，衝擊後再以位能高低差求得其衝擊值 （J/cm2） ， 每組試片均測試 3 件取平均值。 圖 2.3 Charpy 4 號試片圖8 100mm 130mm 100mmCSME-4239中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號：D14-0002 2.3.3 硬實驗 硬實驗 使用氏硬機測 HRC 硬值，試片為已完 成抗試驗之伸試片，每組試片均為 3 件試片，測 試前經砂紙
11、磨至 600 號後，每件試片均測 3 點取平 均值，3 片試片共計測 9 點取平均值，做為該組試 片之硬值。 2.4 熱處熱處 根據文獻 Beta III 鈦合屬高強型鈦合，且 型鈦合屬可熱處強化型，有關固溶強化及時效 析出硬化部份，經考鈦屬手冊3，該合固溶溫 範圍為 690-790，卻方式可為空或水； 固溶時間為 10-60 min.；時效溫為 480-590 ；時 效時間為 4-32 Hr. ， 本實驗所使用為一般箱型大氣。 2.5 田口式品質工程田口式品質工程 田口式實驗計畫法，係應用直交表做為實驗分析 之依據。首先選定實驗變因子(Factor)及其水準， 將實驗結果經由運算作變分析，求
12、得各變因子 對目標函的影響程。實驗步驟如下9： (1) 依品質目標，選定變因子。 (2) 訂定變因子的水準。依據變因子及水準 計算總自由，選擇適當的直交表。 (3) 按直交表的變因子配置，進實驗。 (4) 獲 得 各 次 實 驗 結 果 ， 進 信 號 雜 音 比 (Signal-to-noise Ratio, S/N Ratio)之變分析與 貢獻計算。 (5) 選擇最佳變因子水準組合。 (6) 以 最 佳 變 因 子 水 準 組 合 做 驗 證 實 驗 (Confirmation Experiment)。 田口方法的設計，基本方法是將目標轉 變為信號雜音輸出，以此信號雜音比作為衡品質特 性的
13、指標，藉以找出變小、品質佳的設計，然後進 驗證實驗確認實驗是否成功。信號雜音比，具有增 加因子效果的加乘性，減少交互作用產生的優點，同 時可處平均值和變，提高工程品質。信號雜音比 愈高表示品質愈穩定，依據目標特性的同，而有 同求法： 望小特性 (Smaller-the-Better)：目標最佳特性值 為。 10 log =niiyn121望大特性 （Larger-the-Better） ：目標最佳特性值 越大越好，如本實驗中 Beta III 鈦合之機械性能。 10 log =niiyn1211望目特性 （Nominal-the-better） ：此特性具有一 定特定目標值，如要求尺寸、濃等。
14、 其中 ：表示信號雜音比 yi：表示實驗第 i 次的據 n：表示實驗次 本實驗之熱處主要運用田口式實驗設計法的 L9 直交表（表 2.3）10，訂定熱處之四大影響因 子，即為固溶溫（本實驗卻方式均採用空） 、 固溶時間、時效溫與時效時間；每項因子並訂定 3 個同之水準，熱處實驗表如表 2.4，套入 L9 直交表後 9 組實驗對照如表 2.5，試片代號即為 T1-T9。 熱處完成後，測試各組熱處之機械性 能，並進 ANOVA 變望大分析與驗證。 表 2.3 L9 直交表10 Exp.Factor AFactor B Factor C Factor D 1 1 1 1 1 2 1 2 2 2 3 1 3 3 3 4 2 1 2 3 5 2 2 3 1 6 2 3 1 2 7 3 1 3 2 8 3 2 1 3 9 3 3 2 1 表 2.4 熱處實驗表 No.Factor Level 1 2 3 A Sol. Temp. () 690 740 790 B Sol. Time (Min) 10 35 60 C Agin
