Microsoft PowerPoint - 発表図面（）

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なごみさどひら
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1 チタンの基礎ものづくり基礎講座 ( 第 25 回技術セミナー ) 金属の魅力をみなおそう第一回チタン東北大学金属材料研究所正橋直哉 mshsi@imr.tohoku.c.jp Nov :00~16:10 クリエイションコア東大阪南館 3 階研修室 BC

2 Ti の用途先 PowerBook G4 15 インチモデルシーマ CM333-B 福岡ヤフードームビッグサイトエリクソン R320 TITAN 浅草寺宝蔵館真空チタンカップチタンリングチタン印鑑メガネフレーム脳動脈瘤手術クリップ Yoshimur R-77J 純チタン片手鍋ステム歯列矯正ワイヤー 2

3 Ti の発見と命名 Creed, Cornwll Willim Gregor ( ) 1817) Mrtin Heinrich Klproth 1790 年にコーンウオール ( ) 採掘イルメナイト鉱石からTi 抽出 1795 年にハンガリー採掘ルチル鉱石からTi 抽出 Wherefore no nme cn be found for new fossil (element) which indictes its peculir nd chrcteristic properties, in which position I find myself t present, I think it is best to choose such denomintion s mens nothing of itself nd this cn give no rise to ny erroneous ides. In consequence of this, s I did in the cse of urnium, I shll borrow the nme for this metllic substnce from mythology, nd in prticulr from the Titns, the first sons of the erth. I therefore cll this metllic genus, titnium.

Ti 合金と物理的性質 Ti AISI321 7075-T6 AZ31-X Zr 融点 /K 1941 1673-1700 749-911 838-905 2125 結晶構造 hcp bcc (1158) fcc fcc hcp hcp bcc (1136) 高温耐熱材料密度 /g/cm 3 4.54 8.03 2.80 1.78 6.

4 Ti 合金と物理的性質 Ti AISI T6 AZ31-X Zr 融点 /K 結晶構造 hcp bcc (1158) fcc fcc hcp hcp bcc (1136) 高温耐熱材料密度 /g/cm 形状付与が可能原子番号 22 26(Fe) 13(Al) 12(Mg) 40(Zr) 軽量材料原子量ヤング率 / GP ポアソン比電気抵抗 /10-8 Ω m t RT 高温高濃度の酸を除き耐食性良導電率 / Cu に対し % 熱伝導率 /W/(m K) 熱膨張係数 / K 活性金属のために不純物の影響大比熱 / kj/kg K t RT

5 Ti 合金の機械的性質純 Ti (CP Ti) 合金名熱処理引張強度耐力伸び / % JIS1 種加工材 >167 >27 JIS2 種加工材 >216 >23 JIS3 種加工材 >343 >18 数値幅は不純物の強化効果を表す不純物が高いほど強度大耐食合金 Ti-0.15Pd 焼鈍材耐食性良 Ti-5Al-2.5Sn 焼鈍材強力合金 (ner ) 合金 Ti-8Al-1V-1Mo (811) 加工材高強度 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si (6242S) 時効材耐熱クリープ良相の固溶強化大の Al を添加 Ti-4Al-5Zr-0.5Mo-0.25Si (IMI585) 時効材耐熱クリープ良 Ti-6Al-4V (6-4) 時効材汎用性大展伸材鋳造材相安定化元素を添加し強度と熱間加工性を改善 Ti-6Al-6V-2Sn(662) 時効材焼入れ性大 Ti-11Sn-5Zr-2.5Al-1Mo-0.25Si (IMI679) 時効材加工性良 Ti-13V-11Cr-3Al 11Cr 3Al 時効材高温特性良合金 Ti-11.5Mo-4.5Sn-6Zr (BIII) 時効材高強度加工性良更に安定化元素添加により強度と加工性を改善 Ti-4Mo-8V-6Cr-3Al-4Zr (BC) 時効材高強度加工性良 Ti-15Mo-5Zr (15-5) 時効材高強度加工性良 Ti-15Mo-5Zr-3Al(15-5-3) 時効材高強度加工性良 5

6 Ti 合金強度 : 滑り系が少なく変形を担う転位の移動度が低いが多い程優れる加工性靭性 : 塑性変形をおこすべく滑り系の多いが多い程優れるヤング率 : 強度が高いが多い程高い溶接性 : 機械的性質の劣化をまねくやの固溶度が低いが多い程優れる性合金耐食性耐熱性溶接性クリープ特性に優れ延性靭性に富むが熱処理による高強度は不可強度加加工性高温強度ヤング率率溶接靭性 Ner 合金 Ner 合金 α 合金に近い組織で α+β 合金と α 合金の中間延性強度に優れ加工性溶接性耐食性に優れる β 合金に近い組織でわずかに α 相を含む強度が高く溶体化時効処理により更なる高強度化が可能加工性にも優れる 6

7 Ti 合金の相安定性 () 全率固溶型 :Hf, Zr (b) 相安定型 : Al, G, Sn, C, O, N L L 低温ではが高温ではが全組成で安定 X 元素の添加によりは変態点以上でも安定 Ti X Ti X (c) 相安定型 : Mo, Nb, T, V, Re (d) 共析型 : Ag, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Pb, W L L X 元素の添加により領域が狭まりが拡がる X 元素の添加により領域は拡がるが (c) 程ではない Ti X Ti X 7

8 安定化合金の平衡相相 :Ti の低温相 (hcp 構造 ) + 相 : Ti の高温相 (bcc 構造 ) からの焼入れ組織相 : 安定化元素量が少ない時に生成するhcp 構造相 : 安定化元素量の増加と共にM s 点残留に必要な最低量が低下しある組成以上で生成す温度 TiX る斜方晶構造相 :hcp 構造 therml : 高温焼入れ時に生成 isotherml : 低温時効で生成 therml 相は相と競合して生成 M s M f TiX 添加元素量相安定化には共析型元素の方が有利だが急冷中に析出により脆化準安定相 ( 残留相 ) が工業的に有利

9 Ti 合金の組織制御基本的な考え方高温で固溶した添加低温で平衡濃度以時効により析出物元素を高温から急冷上に固溶の微細析出 Tem mperture R.T. lloys lloys lloys 1 α+β 合金 :α+β/β 温度 (β-trnsus) 直下温度で加工 ( 鋳造組織破壊 ) eβ α+β 二相域で熱間加工により均一組織化 Ti Metstble Stble Stbilizer content 2 β 合金 :β を室温で残留させるために ( 準安定 β と称する ) 添加量が室温でのマルテンサイト変態開始点組成以上にする ( この組成以下ではマルテンサイト変態が起こり β 相残留不可 ) β-trnsus 温度以上に保持後急冷し時効により α 相析出 ( 注意 )α+β 合金も β 合金も時効温度や時間を適切に選択しないと ω 相が析出し脆化を引き起こす (ω 脆性 ) 9

10 Ti 合金に出現する ω 相 ω 相 : 限られた組成範囲で濃度揺らぎを伴い数 nm 微細析出 1 高温 β 相を室温で残留させる過程で析出 (therml ω) ) 2 準安定 β 相を 400 以下で保持すると析出 (ithotherml ω) J. Alloys Compd. 284 (1999) 251. strength / MP Tensile Strength 相の析出により強度は増加するが延性は低下する Elongtion Oxygen content / % ω 相が析出したTi38Nb 合金の室温引張特性 ( 宮崎照久東北大学修士論文 2005) 相は加工性を劣化し合金設計や熱処理に注意が必要 Tensi le elongti ion / % (2 0 0) (2 1 1) 1 2 (0 0 0) (0 1 1) 相中に析出した ω 相の電子線回折図形

Ti 合金の設計の考え方 () 変態点を低下させ変形能に優れた相を安定にする合金元素を選択 α+β

11 Ti 合金の設計の考え方 () 変態点を低下させ変形能に優れた相を安定にする合金元素を選択 α+β 合金あるいはβ 合金 (b) β 相を安定にするのはβ 相開放型とβ 共析型の合金元素 β 相開放型 :V, Zr, Nb, Mo, Hf β 共析型 :Cr, Mn, Fe, Co, Ni (c) 実用に利用される添加元素安定化に必要な添加元素濃度は β 共析型の方がβ 相開放型よりも少量だが共析変態により分解がおこったり ω 相析出による脆化がおこるために実用的にはβ 相開放型の添加元素が多用される多い Equi-xed 疲労強度低いクリープ強度 Bi-modl 相の体積分率溶体化処理温度 Lmellr 変態温度少ない高い 11

12 結晶異方性結晶は最密面ほど凹凸が少なく滑り抵抗が小さく滑り面となるまた滑り面内で最滑り面内も密に原子が並んだ方向に滑りやすい (0001) <101> <1120> {111} c HCPの滑り面は1 種類しかないがFCCは 4 種類あるため滑りの頻度は高い六方最密充填構造 (HCP) 面心立方格子構造 (FCC) HCP は変形させにくい 12

13 塑性変形 (0001) c/ : (0001) 充填率 > (1100) (1101) 充填率 c (1100) (1101) (0001) 滑りがおこりやすい c/ : (0001) 充填率 < (1100) (1101) 充填率 (1100) (1101) 滑りがおこりやすい Tiのc/は1.587で非底面滑りがおこりやすいが Cd (1.886) や Zn (1.856) は底面滑りがおこる理想的な HCP 結晶では高さ c と底面の原子間距離の比は正四面体の高さの 2 倍と稜の長さの比に等しい c 低温では (1100) 高温では (1101) も滑る非底面は空隙率が高いためにOやNの侵入サイトになりやすいために純度により非底面滑りは影響を受けやすい 13

14 引張試験の応力歪線図応力 / 引張強さ TS 勾配がヤング率 E 真応力 - 真歪線図くびれ開始破断 0.2% 耐力 y 公称応力 - 公称歪線図 1. 侵入型元素固溶 F0 F1 2. 置換型元素固溶絞り 100(%) F F 0 0 : 試験片断面積 F: 最小断面積 x f 0.2% 歪み破断塑性歪み f 歪み / 降伏点を超えると断面積は小さくなり標点間距離は増加する正確にはその時々の断面積と標点間距離で応力と歪みを算出しなくてはならない真応力 r (1 ) 真歪 r ln(1 ) : 公称応力 : 公称歪み 14

15 ヤング率弾性変形の範囲で単位ひずみあたりの応力の必要値を決める定数をヤング率と称する求め方は一軸引張あるいは圧縮試験において応力と歪みの傾きから算出する 1 m 断面積 1mm 2 のワイヤ 1mm=1m 1 m の01% 0.1% 相互作用エエネルギー U(r) ヤング率 (1/r ) (d U/dr ) 0 金属原子の原子間距離 r 0 表面からの距離結合エネルギー r 10 kg のおもり 10( kg) ヤング率 / ( kg / mm ) 10 ( kg / m ) 2 1( mm ) ( kg / m ) 0.981( MP) 98100( MP) 98.1( GP) 100( GP) ( kg / m ) ヤング率は原子間距離 r 0 とその位置のU(r) 曲線の曲率で決まる Tiのr 15 0 は低くFe 等よりヤング率は低い

16 プレスとスプリングバックスプリングバックとはプレスによる曲げ加工では板の表に圧縮力が裏に引張力が生じ変形後に除荷すると反発力により若干変形しますこれをスプリングバックと称し一般に角度で定量しますスプリングバックは材質板厚加圧力曲げ半径などに依存し正確な予測は困難と言われています表側は縮められて圧縮力がかかる高降伏応力低ヤング率の材料ほどスプリングバックは大きく Ti はステンレスの2~3 倍高い裏側は伸ばされて引張力がかかるスプリングバックを見込んだ曲げ量を与えたり板厚に合ったダイたダイスを使用し完全に密着するまで圧下することが有効 16

17 疲労 Ti は引張強さに対する疲労強度の比 ( 疲労強度 / 引張強さ ) はを示し構造用材料の中では比較的高い Bi-modl Lmellr J. Peters nd R.Ritchie, Interntionl Journl of Ftigue 23 (2001) Lmellr 組織が bi-modl 組織より疲労強度は優れているが Foreign-object dmge (FOD) により組織によらず疲労特性は劣化する 17

18 耐食性 Ti は表面に不動態皮膜を形成するため耐食性に優れるしかし不動態膜が不安定な硫酸などの非酸化性酸 ( 酸素を供給しない酸 ) では耐食性が劣るまた高温高濃度の塩化物水溶液中ではすきま腐食が発生する ( プラス ) 電流密度 ( マイナス ) 0 カソード分極 I sp I crit I ps 隙間に滞留した海水で Cl - が上昇して ph が低下し不動態が破壊アノード分極活性領域不動態域過不動態域不動態金属のアノード分極曲線溶解電流 E pp E cp E tp E sp E corr ( 卑 ) 電位 ( 貴 ) 不動態形成合金の分極曲線模式図水和酸化物あるいは水和オキシ水酸化物 itry units Intensity / rb00 Metl oxide OH - Bckground Envelope OH - Metl oxide Binding energy / ev 純 Ti 表面 2.6nm 領域からの XPS スヘクトル Ti 表面の自然酸化膜は不働態被膜として基材腐食を抑制するが非酸化性酸溶液では酸化膜を形成する O が不足し耐食性は劣る 18

19 溶接性溶接中空気に曝される恐れのあるアーク溶接ではシールドを十分に行う必要があるが溶接中空気に曝される恐れのない抵抗溶接では施工上の制約はほとんどなく固有抵抗が高い分だけ低電流で溶接可能であり装置上の制約もない新日鐵技法 385(2006)81-85 活性の高いTiは溶接時に大気中のO N Hと反応し溶接部が脆化するそのために溶接部をシールドガスで大気から遮断し大気との接触をふせぐ必要がある Nは低温では窒化物が安定 H は低温では窒化物が安定 O 固溶度が広範に大きい Ti-O 状態図 Ti-N 状態図 Ti-H 状態図 Ti は O N H と親和力が強く相程固溶度が高いまた機械的性質を劣化させる 19

20 Thnk you for ttentions.

工業材料学

工業材料学第 7 章アルミニウムおよびチタン目的アルミニウムおよびチタンの組織, 特性および熱処理に関する基本的事項を理解するとともに, 各材料の特徴を把握する. 7.1 アルミニウム 7.1.1 アルミニウムの種別 7.1.2 溶体化時効処理 7.2 チタン 7.2.1 チタンの種別 7.2.2 微視組織と熱処理 7.2.3 チタン産業の現状演習問題 7.1 アルミニウム (aluminum) 7.1.1

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