JP2023143831A - Production method of metal - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、金属の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method of manufacturing metal.
TiやTiを含む合金は優れた機械的特性を有しており、航空宇宙産業をはじめとして多くの分野に使用されている。また、使用機器の省エネルギー効果を向上させるため、それら材料強度の向上が不可欠である。さらに、それらの金属材料は加工が難しいという問題がある。そこで、事前に強度や延性を向上させておく技術が望まれている。 Ti and alloys containing Ti have excellent mechanical properties and are used in many fields including the aerospace industry. Furthermore, in order to improve the energy-saving effect of the equipment used, it is essential to improve the strength of these materials. Furthermore, there is a problem that these metal materials are difficult to process. Therefore, there is a need for a technology that improves strength and ductility in advance.
非特許文献1には、Ti合金Ti-6Al-4Vに高密度パルス電流を印加することにより、引張強度と延性が向上することが記載されている。 Non-Patent Document 1 describes that tensile strength and ductility are improved by applying a high-density pulsed current to Ti alloy Ti-6Al-4V.
しかし、非特許文献1は材料種がTi-6Al-4Vのみであり、他の金属材料でも引張強度と延性を向上できるのか不明であった。また、降伏応力に関しては非特許文献1では触れられていない。 However, in Non-Patent Document 1, the material type is only Ti-6Al-4V, and it is unclear whether the tensile strength and ductility can be improved with other metal materials. Furthermore, the yield stress is not mentioned in Non-Patent Document 1.
そこで本開示は、金属の降伏応力と延性を同時に向上させることができる金属の製造方法を提供することである。または、金属の引張強度と延性を同時に向上させることができる金属の製造方法を提供することである。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a metal that can simultaneously improve the yield stress and ductility of the metal. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a metal that can simultaneously improve the tensile strength and ductility of the metal.
本開示の一態様は、
Tiを主とし、AlとNbを含む合金にパルス電流を印加し、前記パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が11000~13000である、金属の製造方法にある。
One aspect of the present disclosure is
A method for producing a metal, in which a pulsed current is applied to an alloy mainly containing Ti and containing Al and Nb, and the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulsed current is 11000 to 13000. be.
また、本開示の他態様は、
Tiにパルス電流を印加し、前記パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が1000~6500である、金属の製造方法にある。
Further, other aspects of the present disclosure include:
The present invention provides a method for producing a metal, in which a pulse current is applied to Ti, and the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulse current is 1000 to 6500.
また、本開示の他態様は、
ステンレス鋼にパルス電流を印加し、前記パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が900~4500である、金属の製造方法にある。
Further, other aspects of the present disclosure include:
The present invention provides a method for producing metal, in which a pulsed current is applied to stainless steel, and the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulsed current is 900 to 4500.
また、本開示の他態様は、
Tiを主とし、AlとVを含む合金にパルス電流を印加し、前記パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が15000~17000である、金属の製造方法にある。
Further, other aspects of the present disclosure include:
A method for producing a metal, in which a pulsed current is applied to an alloy mainly containing Ti and containing Al and V, and the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulsed current is 15,000 to 17,000. be.
また、本開示の他態様は、
TiまたはTiを主とする合金に電流密度が140A/mm2以上のパルス電流を所定時間印加し、マルテンサイト相変態を生じさせる、金属の製造方法にある。
Further, other aspects of the present disclosure include:
The present invention provides a method for producing a metal, in which a pulse current having a current density of 140 A/mm 2 or more is applied to Ti or an alloy mainly composed of Ti for a predetermined period of time to cause martensitic phase transformation.
本開示の金属の製造方法によれば、所定の金属材料に所定の電流密度、印加時間のパルス電流を印加することにより、金属の降伏応力と延性を同時に向上させることができる。または、金属の引張強度と延性を同時に向上させることができる。 According to the metal manufacturing method of the present disclosure, by applying a pulse current of a predetermined current density and application time to a predetermined metal material, the yield stress and ductility of the metal can be simultaneously improved. Alternatively, the tensile strength and ductility of metal can be improved at the same time.
金属の製造方法は、Tiを主とし、AlとNbを含む合金にパルス電流を印加し、前記パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が11000以上13000以下である。 The metal manufacturing method involves applying a pulsed current to an alloy mainly containing Ti and containing Al and Nb, and the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulsed current is 11,000 or more and 13,000 or less. be.
上記において、前記パルス電流の電流密度は25A/mm2以上300A/mm2以下、印加時間は20ms以上550ms以下であってもよい。また、前記合金は、Ti-6Al-7Nbであってもよい。前記パルス電流のパルス数は1であってもよい。 In the above, the current density of the pulse current may be 25 A/mm 2 or more and 300 A/mm 2 or less, and the application time may be 20 ms or more and 550 ms or less. Further, the alloy may be Ti-6Al-7Nb. The number of pulses of the pulse current may be one.
他の金属の製造方法は、Tiにパルス電流を印加し、前記パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が1000以上6500以下である。 In another metal manufacturing method, a pulse current is applied to Ti, and the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulse current is 1000 or more and 6500 or less.
上記において、前記パルス電流の電流密度は5A/mm2以上30A/mm2以下、印加時間は10ms以上500ms以下であってもよい。また、前記パルス電流のパルス数は1であってもよい。 In the above, the current density of the pulse current may be 5 A/mm 2 or more and 30 A/mm 2 or less, and the application time may be 10 ms or more and 500 ms or less. Further, the number of pulses of the pulse current may be one.
他の金属の製造方法は、ステンレス鋼にパルス電流を印加し、前記パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が900以上4500以下である。 In another metal manufacturing method, a pulsed current is applied to stainless steel, and the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulsed current is 900 or more and 4500 or less.
上記において、前記パルス電流の電流密度は150A/mm2以上450A/mm2以下、印加時間は1以上20ms以下であってもよい。また、前記ステンレス鋼は、SUS316であってもよい。また、前記パルス電流のパルス数は1以上10以下であってもよい。 In the above, the current density of the pulse current may be 150 A/mm 2 or more and 450 A/mm 2 or less, and the application time may be 1 or more and 20 ms or less. Further, the stainless steel may be SUS316. Moreover, the number of pulses of the pulse current may be 1 or more and 10 or less.
他の金属の製造方法は、Tiを主とし、AlとVを含む合金にパルス電流を印加し、前記パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が15000以上17000以下である。 A method for manufacturing other metals includes applying a pulsed current to an alloy mainly containing Ti and containing Al and V, and the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulsed current is 15,000 or more and 17,000 or more. It is as follows.
上記において、前記パルス電流の電流密度は50A/mm2以上100A/mm2以下、印加時間は150ms以上250ms以下であってもよい。また、前記合金は、Ti-6Al-4Vであってもよい。また、前記パルス電流のパルス数は1であってもよい。 In the above, the current density of the pulse current may be 50 A/mm 2 or more and 100 A/mm 2 or less, and the application time may be 150 ms or more and 250 ms or less. Further, the alloy may be Ti-6Al-4V. Further, the number of pulses of the pulse current may be one.
他の金属の製造方法は、TiまたはTiを主とする合金に電流密度が140A/mm2以上のパルス電流を所定時間印加し、マルテンサイト相変態を生じさせる。 Another metal manufacturing method involves applying a pulse current with a current density of 140 A/mm 2 or more to Ti or a Ti-based alloy for a predetermined period of time to cause martensitic phase transformation.
上記において、パルス電流の印加により結晶粒界における双晶境界の割合を50%以上に増加させてもよい。 In the above, the proportion of twin boundaries in grain boundaries may be increased to 50% or more by applying a pulse current.
また上記において、Tiにパルス電流を印加し、パルス電流の電流密度は160A/mm2以上525A/mm2以下、印加時間は11ms以上170ms以下であってもよい。 Further, in the above, a pulse current may be applied to Ti, and the current density of the pulse current may be 160 A/mm 2 or more and 525 A/mm 2 or less, and the application time may be 11 ms or more and 170 ms or less.
また上記において、Tiを主としAlとNbを含む合金にパルス電流を印加し、パルス電流の電流密度は150A/mm2以上500A/mm2以下、印加時間は6ms以上85ms以下であってもよい。 Further, in the above, a pulse current may be applied to an alloy mainly containing Ti and containing Al and Nb, and the current density of the pulse current may be 150 A/mm 2 or more and 500 A/mm 2 or less, and the application time may be 6 ms or more and 85 ms or less. .
また上記において、Tiを主としAlとVを含む合金にパルス電流を印加し、パルス電流の電流密度は140A/mm2以上310A/mm2以下、印加時間は12ms以上105ms以下であってもよい。 Further, in the above, a pulse current may be applied to the alloy mainly containing Ti and containing Al and V, and the current density of the pulse current may be 140 A/mm 2 or more and 310 A/mm 2 or less, and the application time may be 12 ms or more and 105 ms or less. .
(第1実施形態)
第1実施形態では、Tiを主とし、AlとNbを含む合金に、高密度パルス電流を印加する。Tiを主とするとは、合金を構成する元素中で最もwt%が高い元素がTiであることを意味する。
(First embodiment)
In the first embodiment, a high-density pulsed current is applied to an alloy mainly composed of Ti and containing Al and Nb. "Mainly containing Ti" means that the element having the highest wt% among the elements constituting the alloy is Ti.
Tiを主とし、AlとNbを含む合金は、具体的には、Ti-6Al-7Nbなどである。Ti、Al、Nb以外にTa、Feなどを含んでいてもよい。 Specifically, the alloy mainly containing Ti and containing Al and Nb is Ti-6Al-7Nb. In addition to Ti, Al, and Nb, Ta, Fe, etc. may be included.
合金中のTiの割合は、たとえば80~90wt%である。Alの割合は、たとえば4~8wt%である。Nbの割合は、たとえば5~9wt%であり、Alの割合よりも高いことが好ましい。また、Taの割合は2wt%以下が好ましく、Feの割合は2wt%以下が好ましい。これら以外の元素全体の割合は1wt%以下が好ましい。 The proportion of Ti in the alloy is, for example, 80 to 90 wt%. The proportion of Al is, for example, 4 to 8 wt%. The proportion of Nb is, for example, 5 to 9 wt%, and is preferably higher than the proportion of Al. Further, the proportion of Ta is preferably 2 wt% or less, and the proportion of Fe is preferably 2 wt% or less. The overall proportion of elements other than these is preferably 1 wt% or less.
合金に印加する高密度パルス電流は、図1に示すように矩形形状のパルス波である。パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積は、11000~13000(A・ms/mm2)とする。パルス電流の電流密度は、好ましくは25~300A/mm2、より好ましくは25~130A/mm2、さらに好ましくは50~125A/mm2である。また、パルス電流の印加時間は、好ましくは20~550ms、より好ましくは30~550ms、さらに好ましくは90~250msである。特に好ましいのは、電流密度55~65A/mm2、印加時間150~250msである。電流密度および印加時間は、上記の電流密度および印加時間の範囲を満たし、かつ、パルス電流の電流密度と印加時間の積が上記の範囲を満たすように適宜設定する。また、複数のパルスを印加してもよいが、降伏応力や延性が低下する場合があるためパルス数は4以下、特に1が好ましい。 The high-density pulse current applied to the alloy is a rectangular pulse wave as shown in FIG. The product of the current density (A/mm 2 ) of the pulse current and the application time (ms) is 11,000 to 13,000 (A·ms/mm 2 ). The current density of the pulse current is preferably 25 to 300 A/mm 2 , more preferably 25 to 130 A/mm 2 , even more preferably 50 to 125 A/mm 2 . Further, the application time of the pulse current is preferably 20 to 550 ms, more preferably 30 to 550 ms, and still more preferably 90 to 250 ms. Particularly preferred is a current density of 55 to 65 A/mm 2 and an application time of 150 to 250 ms. The current density and application time are appropriately set so that the current density and application time ranges described above are satisfied, and the product of the current density and application time of the pulse current satisfies the above range. Further, although a plurality of pulses may be applied, the number of pulses is preferably 4 or less, particularly 1, since the yield stress and ductility may decrease.
Tiを主とし、AlとNbを含む合金に、このような高密度パルス電流を印加すると、Tiを主とし、AlとNbを含む合金の降伏応力と延性が同時に向上する。降伏応力が向上する理由は、結晶粒が微細化することと、転位密度と転位の絡み合いが増加するためと考えられる。また、延性が向上する理由は、結晶相がα相からβ相に変化してすべり面が増加するためと考えられる。 When such a high-density pulsed current is applied to an alloy mainly composed of Ti and containing Al and Nb, the yield stress and ductility of the alloy mainly composed of Ti and containing Al and Nb are simultaneously improved. The reason why the yield stress improves is thought to be that the crystal grains become finer and the dislocation density and the entanglement of dislocations increase. Moreover, the reason for the improvement in ductility is thought to be that the crystal phase changes from α phase to β phase and the number of slip planes increases.
上記範囲の電流密度、印加時間の高密度パルス電流を印加することで、たとえば、降伏応力を900~960MPa、延性を3.5~4.5%とすることができる。 By applying a high-density pulsed current with a current density and application time within the above range, the yield stress can be set to 900 to 960 MPa and the ductility to 3.5 to 4.5%, for example.
(第2実施形態)
第2実施形態では、Tiに高密度パルス電流を印加する。ここでTiは2wt%以下の不純物を含んでいてもよい。
(Second embodiment)
In the second embodiment, a high-density pulsed current is applied to Ti. Here, Ti may contain impurities of 2 wt% or less.
Tiに印加する高密度パルス電流は、図1に示すように矩形形状のパルス波である。パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積は、1000~6500(A・ms/mm2)とする。パルス波の電流密度は、好ましくは5~30A/mm2、より好ましくは10~25A/mm2である。また、パルス電流の印加時間は、好ましくは10~500ms、より好ましくは50~450msである。電流密度および印加時間は、上記の電流密度および印加時間の範囲を満たし、かつ、パルス電流の電流密度と印加時間の積が上記の範囲を満たすように適宜設定する。また、複数のパルスを印加してもよいが、降伏応力や延性が低下する場合があるためパルス数は1が好ましい。 The high-density pulse current applied to Ti is a rectangular pulse wave as shown in FIG. The product of the current density (A/mm 2 ) of the pulse current and the application time (ms) is 1000 to 6500 (A·ms/mm 2 ). The current density of the pulse wave is preferably 5 to 30 A/mm 2 , more preferably 10 to 25 A/mm 2 . Further, the application time of the pulse current is preferably 10 to 500 ms, more preferably 50 to 450 ms. The current density and application time are appropriately set so that the current density and application time ranges described above are satisfied, and the product of the current density and application time of the pulse current satisfies the above range. Further, although a plurality of pulses may be applied, the number of pulses is preferably 1 because the yield stress and ductility may decrease.
Tiにこのような高密度パルス電流を印加すると、Tiの降伏応力と延性が同時に向上する。降伏応力が向上する理由は、結晶粒が微細化することと、転位密度が増加するためと考えられる。高密度パルス電流の印加によって転位が粒界に向かって移動し、すべり面に基づいて転位が堆積し、転位密度が増加したためと考えられる。また、電流印加により結晶の回転が発生することで結晶が整列し、新たな双晶境界が形成された。双晶は転位の移動に対して抵抗が弱いため、双晶の増加が延性の向上の要因となっていると思われる。 When such a high-density pulsed current is applied to Ti, the yield stress and ductility of Ti are simultaneously improved. The reason why the yield stress improves is thought to be that the crystal grains become finer and the dislocation density increases. This is thought to be due to the fact that dislocations moved toward grain boundaries due to the application of high-density pulsed current, and dislocations were deposited based on slip planes, resulting in an increase in dislocation density. In addition, the rotation of the crystals caused by the application of electric current caused the crystals to align, and a new twin boundary was formed. Since twins have weak resistance to dislocation movement, an increase in the number of twins is thought to be a factor in improving ductility.
上記範囲の電流密度、印加時間の高密度パルス電流を印加することで、Tiの平均結晶粒度は、たとえば、9.4~9.6μmから8~9.2μmとなり、結晶粒が微細化する。また、たとえば双晶境界の長さが1.5倍以上となる。また、たとえば平均GND密度は、パルス電流印加前の1.5倍以上、3×1014m-2以上となり、転位密度が増加する。また、たとえば、降伏応力を220~250MPa、延性を50~60%とすることができる。 By applying a high-density pulsed current with a current density and application time within the above range, the average crystal grain size of Ti changes from 9.4 to 9.6 μm to 8 to 9.2 μm, and the crystal grains become finer. Further, for example, the length of the twin boundary becomes 1.5 times or more. Further, for example, the average GND density becomes 1.5 times or more, 3×10 14 m −2 or more, than before the application of the pulse current, and the dislocation density increases. Further, for example, the yield stress can be set to 220 to 250 MPa, and the ductility can be set to 50 to 60%.
(第3実施形態)
第3実施形態では、ステンレス鋼に高密度パルス電流を印加する。ステンレス鋼は、Crを10.5wt%以上含む合金鋼である。たとえばSUS304、SUS316、SUS316L、などである。
(Third embodiment)
In the third embodiment, a high-density pulsed current is applied to stainless steel. Stainless steel is an alloy steel containing 10.5 wt% or more of Cr. For example, SUS304, SUS316, SUS316L, etc.
ステンレス鋼に印加する高密度パルス電流は、図1に示すように矩形形状のパルス波である。パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積は、900~4500(A・ms/mm2)とする。パルス波の電流密度は、好ましくは150~450A/mm2、より好ましくは200~400A/mm2である。また、パルス電流の印加時間は、好ましくは1~20ms、より好ましくは5~10msである。電流密度および印加時間は、上記の電流密度および印加時間の範囲を満たし、かつ、パルス電流の電流密度と印加時間の積が上記の範囲を満たすように適宜設定する。また、複数のパルスを印加してもよいが、降伏応力や延性が低下する場合があるためパルス数は1~10が好ましい。より好ましくは1~6、さらに好ましくは1~2である。 The high-density pulse current applied to stainless steel is a rectangular pulse wave as shown in FIG. The product of the current density (A/mm 2 ) of the pulse current and the application time (ms) is 900 to 4500 (A·ms/mm 2 ). The current density of the pulse wave is preferably 150 to 450 A/mm 2 , more preferably 200 to 400 A/mm 2 . Further, the application time of the pulse current is preferably 1 to 20 ms, more preferably 5 to 10 ms. The current density and application time are appropriately set so that the current density and application time ranges described above are satisfied, and the product of the current density and application time of the pulse current satisfies the above range. Further, although a plurality of pulses may be applied, the number of pulses is preferably 1 to 10 since the yield stress and ductility may decrease. More preferably 1 to 6, still more preferably 1 to 2.
ステンレス鋼にこのような高密度パルス電流を印加すると、ステンレス鋼の降伏応力と延性が同時に向上する。降伏応力が向上する理由は、結晶粒が微細化するためと考えられる。高密度パルス電流を印加すると双晶がその構造を失い、大傾角粒界に変化する。さらに、電子風力によって誘発される転位運動で小傾角粒界付近に小粒が形成される。これにより結晶粒が微細化し、ホール・ペッチ則に基づいて強度が向上したと考えられる。また、延性が向上する理由は、Cr23C6の溶解によって新たなデルタフェライト相が生成されることにより、転位移動の自由度が増加したためと考えられる。 Applying such a high-density pulsed current to stainless steel simultaneously increases the yield stress and ductility of the stainless steel. The reason for the improvement in yield stress is thought to be that the crystal grains become finer. When a high-density pulsed current is applied, the twins lose their structure and transform into high-angle grain boundaries. Furthermore, small grains are formed near low-angle grain boundaries due to dislocation motion induced by electron wind force. It is thought that this made the crystal grains finer and improved the strength based on the Hall-Petch law. Moreover, the reason for the improvement in ductility is considered to be that the degree of freedom of dislocation movement increases due to the generation of a new delta ferrite phase by dissolving Cr 23 C 6 .
上記範囲の電流密度、印加時間の高密度パルス電流を印加することで、ステンレス鋼の平均結晶粒度は、たとえば、15μm程度から12~14.5μmとなり、結晶粒が微細化する。また、デルタフェライト相の割合は、たとえば、1%程度から4~15%に増加する。また、たとえば、降伏応力を360~430MPa、延性を40~42%とすることができる。 By applying a high-density pulsed current with a current density and application time within the above range, the average crystal grain size of stainless steel changes from about 15 μm to 12 to 14.5 μm, and the crystal grains become finer. Further, the proportion of the delta ferrite phase increases from about 1% to 4 to 15%, for example. Further, for example, the yield stress can be set to 360 to 430 MPa, and the ductility can be set to 40 to 42%.
(第4実施形態)
第4実施形態では、Tiを主とし、AlとVを含む合金に、高密度パルス電流を印加する。
(Fourth embodiment)
In the fourth embodiment, a high-density pulsed current is applied to an alloy mainly composed of Ti and containing Al and V.
Tiを主とし、AlとVを含む合金は、具体的には、Ti-6Al-4Vなどである。Ti、Al、V以外にFe、Cなどを含んでいてもよい。 Specifically, the alloy mainly containing Ti and containing Al and V is Ti-6Al-4V. In addition to Ti, Al, and V, it may also contain Fe, C, and the like.
合金中のTiの割合は、たとえば85~95wt%である。Alの割合は、たとえば2~8wt%である。Vの割合は、たとえば2~6wt%であり、Alの割合よりも低いことが好ましい。また、Feの割合は1wt%以下が好ましい。これら以外の元素全体の割合は1wt%以下が好ましい。 The proportion of Ti in the alloy is, for example, 85 to 95 wt%. The proportion of Al is, for example, 2 to 8 wt%. The proportion of V is, for example, 2 to 6 wt%, and is preferably lower than the proportion of Al. Further, the proportion of Fe is preferably 1 wt% or less. The overall proportion of elements other than these is preferably 1 wt% or less.
合金に印加する高密度パルス電流は、図1に示すように矩形形状のパルス波である。パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積は、15000~17000(A・ms/mm2)とする。パルス電流の電流密度は、好ましくは50~100A/mm2、より好ましくは60~95A/mm2、さらに好ましくは70~90A/mm2である。また、パルス電流の印加時間は、好ましくは150~250ms、より好ましくは170~240ms、さらに好ましくは180~220msである。特に好ましいのは、電流密度75~85A/mm2、印加時間190~210msである。電流密度および印加時間は、上記の電流密度および印加時間の範囲を満たし、かつ、パルス電流の電流密度と印加時間の積が上記の範囲を満たすように適宜設定する。また、複数のパルスを印加してもよいが、降伏応力や延性が低下する場合があるためパルス数は1が好ましい。 The high-density pulse current applied to the alloy is a rectangular pulse wave as shown in FIG. The product of the current density (A/mm 2 ) of the pulse current and the application time (ms) is 15,000 to 17,000 (A·ms/mm 2 ). The current density of the pulse current is preferably 50 to 100 A/mm 2 , more preferably 60 to 95 A/mm 2 , even more preferably 70 to 90 A/mm 2 . Further, the application time of the pulse current is preferably 150 to 250 ms, more preferably 170 to 240 ms, and even more preferably 180 to 220 ms. Particularly preferred is a current density of 75 to 85 A/mm 2 and an application time of 190 to 210 ms. The current density and application time are appropriately set so that the current density and application time ranges described above are satisfied, and the product of the current density and application time of the pulse current satisfies the above range. Further, although a plurality of pulses may be applied, the number of pulses is preferably 1 because the yield stress and ductility may decrease.
Tiを主とし、AlとVを含む合金に、このような高密度パルス電流を印加すると、Tiを主とし、AlとVを含む合金の降伏応力と延性が同時に向上する。特に、パルス電流の電流密度と印加時間を上記の範囲とすることで、降伏応力と延性は大きく向上する。降伏応力が向上する理由は、結晶粒が微細化することと、転位密度と転位の絡み合いが増加するためと考えられる。また、延性が向上する理由は、一部の結晶相がα相からβ相に変化してすべり面が増加するためと考えられる。また、結晶粒の微細化と相変態により、相界面(αβ界面)が増加していると考えられる。相界面は整合的な性質を持つ傾向にあるため、転位がその相界面を横切ったり滑ったりすることができる。つまり、延性を損なうことなく降伏応力を高めることができる。 When such a high-density pulsed current is applied to an alloy mainly composed of Ti and containing Al and V, the yield stress and ductility of the alloy mainly composed of Ti and containing Al and V are simultaneously improved. In particular, by setting the current density and application time of the pulse current within the above ranges, the yield stress and ductility are greatly improved. The reason why the yield stress improves is thought to be that the crystal grains become finer and the dislocation density and the entanglement of dislocations increase. Further, the reason why the ductility is improved is considered to be that some crystal phases change from α phase to β phase and the number of slip planes increases. Furthermore, it is thought that the number of phase interfaces (αβ interfaces) increases due to grain refinement and phase transformation. Phase interfaces tend to have coherent properties, allowing dislocations to cross or slide across them. In other words, the yield stress can be increased without impairing ductility.
上記範囲の電流密度、印加時間の高密度パルス電流を印加することで、Tiを主とし、AlとVを含む合金の平均結晶粒度は、たとえば、4μm程度から3~3.5μmとなり、結晶粒が微細化する。また平均GND密度は、たとえばパルス電流印加前に比べて1.2倍以上、2.3×1015m-2以上に増加する。また、β相の割合は、たとえば8~9%程度から10~12%に増加する。また、α相とβ相の整合界面は、2倍以上に増加する。また、たとえば、降伏応力を1060~1140MPa、延性を9~11%とすることができる。 By applying a high-density pulsed current with a current density and application time within the above range, the average crystal grain size of an alloy mainly composed of Ti and containing Al and V changes from about 4 μm to 3 to 3.5 μm, and the crystal grain becomes finer. Furthermore, the average GND density increases, for example, by 1.2 times or more, or 2.3×10 15 m −2 or more, compared to before the pulse current is applied. Further, the proportion of the β phase increases, for example, from about 8 to 9% to 10 to 12%. Furthermore, the coherent interface between the α phase and the β phase increases by more than twice. Further, for example, the yield stress can be set to 1060 to 1140 MPa, and the ductility can be set to 9 to 11%.
(第5実施形態)
第5実施形態では、TiまたはTiを主とする合金に、電流密度が140A/mm2以上の高密度パルス電流を所定時間印加し、マルテンサイト相変態を生じさせる。Tiを主とする合金は、第1実施形態と同様にTiを主とし、AlとNbを含む合金、特にTi-6Al-7Nbとすることができる。また、第4実施形態と同様に、Tiを主とし、AlとVを含む合金、特にTi-6Al-4Vとすることができる。複数のパルスを印加してもよいが、降伏応力や延性が低下する場合があるためパルス数は1が好ましい。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, a high-density pulsed current with a current density of 140 A/mm 2 or more is applied to Ti or an alloy mainly composed of Ti for a predetermined period of time to cause martensitic phase transformation. As in the first embodiment, the Ti-based alloy may be an alloy that mainly contains Ti and contains Al and Nb, particularly Ti-6Al-7Nb. Further, as in the fourth embodiment, an alloy mainly composed of Ti and containing Al and V, particularly Ti-6Al-4V, can be used. Although a plurality of pulses may be applied, it is preferable that the number of pulses is 1 since the yield stress and ductility may decrease.
また、Tiとする場合、たとえば、電流密度を160~525A/mm2、印加時間を11~170msとして、この範囲で電流密度と印加時間を適宜選択することでマルテンサイト相変態が生じるようにすることができる。 In addition, when using Ti, for example, the current density is set to 160 to 525 A/mm 2 and the application time is set to 11 to 170 ms, and martensitic phase transformation is caused by appropriately selecting the current density and application time within this range. be able to.
Tiを主とし、AlとNbを含む合金とする場合、たとえば、電流密度を150~500A/mm2、印加時間を6~85msとして、この範囲で電流密度と印加時間を適宜選択することでマルテンサイト相変態が生じるようにすることができる。 When using an alloy mainly composed of Ti and containing Al and Nb, for example, by setting the current density to 150 to 500 A/mm 2 and the application time to 6 to 85 ms, and selecting the current density and application time appropriately within this range, marten Site phase transformation can be caused to occur.
また、Tiを主とし、AlとVを含む合金とする場合、たとえば、電流密度を140~310A/mm2、印加時間を11~170msとして、この範囲で電流密度と印加時間を適宜選択することでマルテンサイト相変態が生じるようにすることができる。 In addition, when using an alloy mainly containing Ti and containing Al and V, for example, the current density is set to 140 to 310 A/mm 2 and the application time is set to 11 to 170 ms, and the current density and application time are appropriately selected within this range. martensitic phase transformation can occur.
TiまたはTiを主とする合金に、このような高密度パルス電流を印加すると、引張強度と延性が同時に向上する。引張強度が向上する理由は、マルテンサイト相変態が生じるためと考えられる。マルテンサイト相は、過飽和固溶体であり、格子歪みが大きく、転位運動に対する抵抗力が高い。そのため、引張強度が向上すると考えられる。そして、マルテンサイト相変態に伴い多数の双晶が形成され、これが延性の向上に寄与していると考えられる。双晶の原子配列は規則的で粒界エネルギーが低く、転位が滑りやすい。そのため、延性が向上していると考えられる。 When such a high-density pulsed current is applied to Ti or a Ti-based alloy, tensile strength and ductility are simultaneously improved. The reason why the tensile strength improves is thought to be that martensitic phase transformation occurs. The martensitic phase is a supersaturated solid solution with large lattice strain and high resistance to dislocation motion. Therefore, it is thought that the tensile strength is improved. A large number of twins are formed along with the martensitic phase transformation, which is thought to contribute to the improvement of ductility. The atomic arrangement of the twins is regular and the grain boundary energy is low, making it easy for dislocations to slip. Therefore, it is considered that the ductility is improved.
パルス電流の印加によるマルテンサイト相変態によって、結晶粒界における双晶境界の割合は、たとえば50%以上100%未満となる。また、Tiの場合、たとえば、引張強度を410~450MPa、延性を42~55%とすることができる。また、Tiを主とし、AlとNbを含む合金の場合、たとえば、引張強度を920~1100MPa、延性を18~23%とすることができる。また、Tiを主とし、AlとVを含む合金の場合、たとえば、引張強度を1000~1180MPa、延性を16~21%とすることができる。 Due to martensitic phase transformation caused by application of pulsed current, the ratio of twin boundaries at grain boundaries becomes, for example, 50% or more and less than 100%. Further, in the case of Ti, for example, the tensile strength can be set to 410 to 450 MPa, and the ductility can be set to 42 to 55%. Further, in the case of an alloy mainly composed of Ti and containing Al and Nb, the tensile strength can be set to 920 to 1100 MPa, and the ductility can be set to 18 to 23%, for example. Further, in the case of an alloy containing Ti as a main component and Al and V, for example, the tensile strength can be set to 1000 to 1180 MPa, and the ductility can be set to 16 to 21%.
Ti-6Al-7Nbからなる試験片に高密度パルス電流を印加し、その後、試験片について引張試験を行い、降伏応力(MPa)と延性(%)を測定した。また、比較のため、高密度パルス電流を印加しない場合の降伏応力と延性を測定した。試験片の元素組成は、詳細には次の通りである。Alが6.05wt%、Nbが7.12wt%、Taが0.15wt%、Feが0.10wt%、Cが0.04wt%、Nが0.02wt%、Oが0.12wt%、残りがTiである。 A high-density pulsed current was applied to a test piece made of Ti-6Al-7Nb, and then a tensile test was performed on the test piece to measure yield stress (MPa) and ductility (%). For comparison, the yield stress and ductility were measured without applying high-density pulsed current. The detailed elemental composition of the test piece is as follows. Al is 6.05wt%, Nb is 7.12wt%, Ta is 0.15wt%, Fe is 0.10wt%, C is 0.04wt%, N is 0.02wt%, O is 0.12wt%, and the rest is Ti.
図2~5は、降伏応力と延性の測定結果を示した図である。図2は、高密度パルス電流の印加時間を20msとし、電流密度を180~300A/mm2で変化させた場合である。図3は、高密度パルス電流の印加時間を100msとし、電流密度を100~140A/mm2で変化させた場合である。図4は、高密度パルス電流の印加時間を200msとし、電流密度を50~70A/mm2で変化させた場合である。図5は、高密度パルス電流の印加時間を500msとし、電流密度を25~35A/mm2で変化させた場合である。 2 to 5 are diagrams showing the measurement results of yield stress and ductility. FIG. 2 shows the case where the high-density pulsed current is applied for 20 ms and the current density is varied from 180 to 300 A/mm 2 . FIG. 3 shows the case where the high-density pulsed current is applied for 100 ms and the current density is varied from 100 to 140 A/mm 2 . FIG. 4 shows the case where the high-density pulsed current is applied for 200 ms and the current density is varied from 50 to 70 A/mm 2 . FIG. 5 shows the case where the high-density pulsed current is applied for 500 ms and the current density is varied from 25 to 35 A/mm 2 .
図2~図5の結果、高密度パルス電流を印加しない場合に比べて降伏応力と延性の両方が向上しているのは、電流密度120A/mm2で印加時間100ms、電流密度60A/mm2で印加時間200ms、電流密度25A/mm2で印加時間500msの場合であった。したがって、パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が、11000~13000(A・ms/mm2)であれば、降伏応力と延性とを同時に向上できるものと考えられる。 The results shown in Figures 2 to 5 show that both yield stress and ductility are improved compared to the case where high-density pulsed current is not applied at a current density of 120 A/mm 2 , an application time of 100 ms, and a current density of 60 A/mm 2 . The current density was 25 A/mm 2 and the application time was 500 ms. Therefore, if the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulse current is 11,000 to 13,000 (A・ms/mm 2 ), it is considered that yield stress and ductility can be improved at the same time. It will be done.
次に、パルス数を1回と5回で降伏応力と延性を測定し比較した。図6は、電流密度120A/mm2、印加時間100msの場合である。図7は、電流密度60A/mm2、印加時間200msの場合である。図6、7のように、パルス数を5回にすると延性が悪化した。この結果、パルス数は4回以下が好ましいことがわかった。 Next, the yield stress and ductility were measured and compared using 1 and 5 pulses. FIG. 6 shows the case where the current density was 120 A/mm 2 and the application time was 100 ms. FIG. 7 shows the case where the current density was 60 A/mm 2 and the application time was 200 ms. As shown in FIGS. 6 and 7, when the number of pulses was increased to 5, the ductility deteriorated. As a result, it was found that the number of pulses is preferably 4 or less.
Tiからなる試験片に高密度パルス電流を印加し、その後、試験片について引張試験を行い、降伏応力(MPa)と延性(%)を測定した。また、比較のため、高密度パルス電流を印加しない場合の降伏応力と延性を測定した。試験片の元素組成は、詳細には次の通りである。Cが0.08wt%、Hが0.013wt%、Oが0.15wt%、Nが0.03wt%、Feが0.20wt%、残りがTiである。 A high-density pulsed current was applied to a test piece made of Ti, and then a tensile test was performed on the test piece to measure yield stress (MPa) and ductility (%). For comparison, the yield stress and ductility were measured without applying high-density pulsed current. The detailed elemental composition of the test piece is as follows. C is 0.08 wt%, H is 0.013 wt%, O is 0.15 wt%, N is 0.03 wt%, Fe is 0.20 wt%, and the remainder is Ti.
図8、9は、降伏応力と延性の測定結果を示した図である。図8は、高密度パルス電流の印加時間を200msとし、電流密度を12.5~90A/mm2で変化させた場合である。図9は、高密度パルス電流の電流密度を12.5A/mm2とし、印加時間を100~900msで変化させた場合である。 8 and 9 are diagrams showing the measurement results of yield stress and ductility. FIG. 8 shows the case where the high-density pulsed current is applied for 200 ms and the current density is varied from 12.5 to 90 A/mm 2 . FIG. 9 shows the case where the current density of the high-density pulsed current is 12.5 A/mm 2 and the application time is varied from 100 to 900 ms.
図8、9の結果、高密度パルス電流を印加しない場合に比べて降伏応力と延性の両方が向上しているのは、電流密度12.5~30A/mm2で印加時間200ms、電流密度12.5A/mm2で印加時間100~500msの場合であった。したがって、パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が、1000~6500(A・ms/mm2)であれば、降伏応力と延性とを同時に向上できるものと考えられる。 The results shown in Figures 8 and 9 show that both yield stress and ductility are improved compared to the case where high-density pulsed current is not applied at a current density of 12.5 to 30 A/ mm2 , an application time of 200 ms, and a current density of 12. This was the case at .5 A/mm 2 and an application time of 100 to 500 ms. Therefore, it is considered that if the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulse current is 1000 to 6500 (A・ms/mm 2 ), yield stress and ductility can be improved at the same time. It will be done.
次に、パルス数を1回と2回で降伏応力と延性を測定し比較した。図10は、電流密度12.5A/mm2、印加時間200msの場合である。図10のように、パルス数を2にすると降伏応力が悪化した。この結果、パルス数は1が好ましいことがわかった。 Next, the yield stress and ductility were measured and compared using one pulse and two pulses. FIG. 10 shows the case where the current density was 12.5 A/mm 2 and the application time was 200 ms. As shown in FIG. 10, when the number of pulses was set to 2, the yield stress worsened. As a result, it was found that the number of pulses is preferably 1.
図17は、試験片について、EBSDにより求めた結晶方位マップ像である。図17中、(a)は高密度パルス電流の印加前、(b)は高密度パルス電流の印加後であり、高密度パルス電流の電流密度は12.5A/mm2、印加時間は200msとし、パルス数は1とした。図17(a)と図17(b)を比較すると、小傾角粒界が減少し、大傾角粒界、双晶境界が増加しており、結晶粒が微細化していることがわかった。 FIG. 17 is a crystal orientation map image obtained by EBSD for the test piece. In FIG. 17, (a) is before the application of the high-density pulse current, and (b) is after the application of the high-density pulse current, and the current density of the high-density pulse current is 12.5 A/mm 2 and the application time is 200 ms. , the number of pulses was set to 1. Comparing FIG. 17(a) and FIG. 17(b), it was found that small-angle grain boundaries decreased, large-angle grain boundaries and twin boundaries increased, and the crystal grains became finer.
また、図17から双晶境界の長さの総計を求めた。図18は、高密度パルス電流の印加前、印加後における双晶境界の長さを示したグラフである。図18のように、{11-22}双晶境界の長さと{10-12}双晶境界の長さのいずれも高密度パルス電流の印加によって増加していることが分かった。 Furthermore, the total length of the twin boundaries was determined from FIG. FIG. 18 is a graph showing the length of the twin boundary before and after the application of high-density pulsed current. As shown in FIG. 18, it was found that both the length of the {11-22} twin boundary and the length of the {10-12} twin boundary were increased by the application of high-density pulsed current.
また、試験片について平均結晶粒度を測定した。ここで、結晶粒度は、結晶粒と等面積の円の直径とする。図19は、高密度パルス電流の印加前、印加後における結晶粒度を示したグラフである。高密度パルス電流の電流密度は12.5A/mm2とし、印加時間は100ms、200ms、300msとし、パルス数は1とした。図19のように、高密度パルス電流の印加により結晶粒度が小さくなり、結晶粒が微細化していることが分かった。 In addition, the average crystal grain size of the test pieces was measured. Here, the crystal grain size is defined as the diameter of a circle having the same area as the crystal grain. FIG. 19 is a graph showing the crystal grain size before and after application of a high-density pulsed current. The current density of the high-density pulsed current was 12.5 A/mm 2 , the application time was 100 ms, 200 ms, and 300 ms, and the number of pulses was 1. As shown in FIG. 19, it was found that the application of high-density pulsed current reduced the crystal grain size and made the crystal grains finer.
図20は、高密度パルス電流の印加前と印加後のGND密度のマップ像である。高密度パルス電流の電流密度および印加時間は図17と同様である。図20のように、高密度パルス電流の印加後は、印加前に比べてGND密度が増加していることが分かった。また、平均GND密度は、高密度パルス電流の印加前が2.3×1014m-2、印加後が3.8×1014m-2であった。 FIG. 20 is a map image of the GND density before and after the application of a high-density pulse current. The current density and application time of the high-density pulse current are the same as in FIG. 17. As shown in FIG. 20, it was found that the GND density increased after the application of the high-density pulsed current compared to before the application. Further, the average GND density was 2.3×10 14 m −2 before application of the high-density pulse current and 3.8×10 14 m −2 after application.
図17~図20から、Tiに高密度パルス電流を印加することによって降伏応力が向上するのは、結晶粒が微細化したり、転位密度が増加したりするためであると考えられる。また、延性が向上するのは、双晶が増加するためであると考えられる。 From FIGS. 17 to 20, it is thought that the reason why the yield stress is improved by applying a high-density pulsed current to Ti is because the crystal grains become finer and the dislocation density increases. Further, it is thought that the reason for the improvement in ductility is due to the increase in the number of twins.
SUS316からなる試験片に高密度パルス電流を印加し、その後、試験片について引張試験を行い、降伏応力(MPa)と延性(%)を測定した。また、比較のため、高密度パルス電流を印加しない場合の降伏応力と延性を測定した。試験片の元素組成は、詳細には次の通りである。Cが0.05wt%、Siが0.26wt%、Mnが1.3wt%、Pが0.028wt%、Sが0.03wt%、Niが10.1wt%、Crが17.09wt%、Moが2.01wt%、残りがFeである。 A high-density pulsed current was applied to a test piece made of SUS316, and then a tensile test was performed on the test piece to measure yield stress (MPa) and ductility (%). For comparison, the yield stress and ductility were measured without applying high-density pulsed current. The detailed elemental composition of the test piece is as follows. C is 0.05wt%, Si is 0.26wt%, Mn is 1.3wt%, P is 0.028wt%, S is 0.03wt%, Ni is 10.1wt%, Cr is 17.09wt%, Mo is 2.01 wt%, and the rest is Fe.
図11、12は、降伏応力と延性の測定結果を示した図である。図11は、高密度パルス電流の印加時間を5msとし、電流密度を200~400A/mm2で変化させた場合である。図12は、高密度パルス電流の電流密度を400A/mm2とし、印加時間を5~10msで変化させた場合である。 11 and 12 are diagrams showing the measurement results of yield stress and ductility. FIG. 11 shows the case where the high-density pulsed current is applied for 5 ms and the current density is varied from 200 to 400 A/mm 2 . FIG. 12 shows the case where the current density of the high-density pulsed current is 400 A/mm 2 and the application time is varied from 5 to 10 ms.
図11、12の結果、高密度パルス電流を印加しない場合に比べて降伏応力と延性の両方が向上しているのは、電流密度200~400A/mm2で印加時間5ms、電流密度400A/mm2で印加時間5~10msの場合であった。したがって、パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が、900~4500(A・ms/mm2)であれば、降伏応力と延性とを同時に向上できるものと考えられる。 As shown in Figures 11 and 12, both yield stress and ductility are improved compared to when no high-density pulsed current is applied at a current density of 200 to 400 A/ mm2 , an application time of 5 ms, and a current density of 400 A/mm. 2 , the application time was 5 to 10 ms. Therefore, it is considered that if the product of the current density (A/mm 2 ) and application time (ms) of the pulse current is 900 to 4500 (A・ms/mm 2 ), yield stress and ductility can be improved at the same time. It will be done.
次に、パルス数を1~6の間で変えて降伏応力と延性を測定し比較した。図13は、電流密度400A/mm2、印加時間5msの場合である。図10のように、パルス数が1~6ではいずれも高密度パルス電流を印加しない場合に比べて降伏応力と延性の両方が向上していた。この結果、パルス数は1~10が好ましいと考えられる。 Next, the yield stress and ductility were measured and compared by changing the number of pulses between 1 and 6. FIG. 13 shows the case where the current density was 400 A/mm 2 and the application time was 5 ms. As shown in FIG. 10, when the number of pulses was 1 to 6, both yield stress and ductility were improved compared to when no high-density pulsed current was applied. As a result, it is considered that the number of pulses is preferably 1 to 10.
図21は、試験片について、EBSDにより求めた結晶方位マップ像および結晶粒界のマップ像である。図21(a)は、高密度パルス電流の印加前における結晶方位マップ像であり、図21(b)は高密度パルス電流の印加前の結晶粒界のマップ像、図21(c)、(d)は高密度パルス電流の印加後の結晶粒界のマップ像である。また、図21(c)、(d)は電流密度400A/mm2、印加時間5msであり、図21(c)はパルス数1、図21(d)はパルス数2である。 FIG. 21 shows a crystal orientation map image and a grain boundary map image obtained by EBSD for the test piece. FIG. 21(a) is a map image of crystal orientation before application of high-density pulsed current, and FIG. 21(b) is a map image of grain boundaries before application of high-density pulsed current. d) is a map image of grain boundaries after application of high-density pulsed current. Further, in FIGS. 21(c) and 21(d), the current density was 400 A/mm 2 and the application time was 5 ms, and FIG. 21(c) had one pulse, and FIG. 21(d) had two pulses.
図22は、EBSDにより平均結晶粒度を求めた結果を示したグラフである。図22中、S1は高密度パルス電流の印加前、S2は高密度パルス電流の印加後であって電流密度200A/mm2、印加時間5ms、パルス数1の場合、S3は高密度パルス電流の印加後であって電流密度400A/mm2、印加時間5ms、パルス数1の場合、S4は高密度パルス電流の印加後であって電流密度400A/mm2、印加時間5ms、パルス数2の場合である。以下、図23~25においてもS1~S4は同様の意味である。 FIG. 22 is a graph showing the results of determining the average grain size by EBSD. In FIG. 22, S1 is before the application of the high-density pulsed current, S2 is after the application of the high-density pulsed current, and when the current density is 200A/mm 2 , the application time is 5ms, and the number of pulses is 1, S3 is the time after the application of the high-density pulsed current. S4 is after the application of a high-density pulsed current, when the current density is 400 A/mm 2 , the application time is 5 ms, and the number of pulses is 1 . It is. Hereinafter, in FIGS. 23 to 25, S1 to S4 have the same meaning.
図21、22のように高密度パルス電流の印加によって結晶粒が微細化することが分かった。また、電流密度が高いほど結晶粒の微細化が進むことが分かった。 As shown in FIGS. 21 and 22, it was found that the application of high-density pulsed current made the crystal grains finer. It was also found that the higher the current density, the more refined the crystal grains become.
図23は、C、Cr、Niの各元素、および化合物Cr23C6のマップ像である。図23(a)はS1の場合、(b)はS3の場合、(c)はS3の場合であり、S1~S3は図22と同様の意味である。図23のように、高密度パルス電流の印加によってCr23C6が溶解することが分かった。 FIG. 23 is a map image of the elements C, Cr, and Ni, and the compound Cr 23 C 6 . 23(a) shows the case of S1, (b) shows the case of S3, and (c) shows the case of S3, and S1 to S3 have the same meanings as in FIG. 22. As shown in FIG. 23, it was found that Cr 23 C 6 was dissolved by applying a high-density pulsed current.
図24は、SUS316の結晶相のマップ像である。図24(a)はS1の場合、(b)はS2の場合、(c)はS3の場合、(d)はS4の場合である。また、図25は、S1~S4の各場合においてデルタフェライト相の割合を示したグラフである。図24、25のように、高密度パルス電流の印加によってデルタフェライト相が増加することが分かった。また、電流密度が高いほど、パルス数が多いほど、デルタフェライト相の割合が増加することが分かった。 FIG. 24 is a map image of the crystal phase of SUS316. 24(a) is the case of S1, (b) is the case of S2, (c) is the case of S3, and (d) is the case of S4. Further, FIG. 25 is a graph showing the proportion of the delta ferrite phase in each case of S1 to S4. As shown in FIGS. 24 and 25, it was found that the delta ferrite phase increases by applying a high-density pulsed current. It was also found that the higher the current density and the greater the number of pulses, the more the proportion of the delta ferrite phase increases.
図21~25から、SUS316に高密度パルス電流を印加することによって降伏応力が向上するのは、結晶粒が微細化するためであると考えられる。また、延性が向上するのは、炭化物Cr23C6の溶解とデルタフェライト相形成のためであると考えられる。 From FIGS. 21 to 25, it is considered that the reason why the yield stress is improved by applying a high-density pulsed current to SUS316 is that the crystal grains become finer. Further, it is considered that the ductility is improved due to the dissolution of carbide Cr 23 C 6 and the formation of delta ferrite phase.
Ti-6Al-4Vからなる試験片に高密度パルス電流を印加し、その後、試験片について引張試験を行い、降伏応力(MPa)と延性(%)を測定した。また、比較のため、高密度パルス電流を印加しない場合の降伏応力と延性を測定した。試験片の元素組成は、詳細には次の通りである。Alが6.15wt%、Vが4.00wt%、Feが0.15wt%、Cが0.016wt%、Oが0.18wt%、Nが0.007wt%、Yが0.0004wt%未満、残りがTiである。 A high-density pulsed current was applied to a test piece made of Ti-6Al-4V, and then a tensile test was performed on the test piece to measure yield stress (MPa) and ductility (%). For comparison, the yield stress and ductility were measured without applying high-density pulsed current. The detailed elemental composition of the test piece is as follows. Al is 6.15wt%, V is 4.00wt%, Fe is 0.15wt%, C is 0.016wt%, O is 0.18wt%, N is 0.007wt%, Y is less than 0.0004wt%, The rest is Ti.
図14~16は、降伏応力と延性の測定結果を示したグラフ、表であり、図14、15は比較例として示すものである。図14は、高密度パルス電流の電流密度を270A/mm2、印加時間を10msとした場合である。図15は、高密度パルス電流の電流密度を240A/mm2、印加時間を20msとした場合である。図16は、高密度パルス電流の電流密度を80A/mm2、印加時間を200msとした場合である。 14 to 16 are graphs and tables showing the measurement results of yield stress and ductility, and FIGS. 14 and 15 are shown as comparative examples. FIG. 14 shows the case where the current density of the high-density pulse current was 270 A/mm 2 and the application time was 10 ms. FIG. 15 shows the case where the current density of the high-density pulse current was 240 A/mm 2 and the application time was 20 ms. FIG. 16 shows a case where the current density of the high-density pulse current is 80 A/mm 2 and the application time is 200 ms.
図14~16の結果、いずれの場合も降伏応力と延性が向上していた。しかし、図14の場合は降伏応力の増加率が3.9%、延性の増加率が10.2%、図15の場合は降伏応力の増加率が2.7%、延性の増加率が10.8%であったのに対し、図16の場合は降伏応力の増加率が8.0%、延性の増加率が26.5%であり、降伏応力と延性の増加率が図14、15の場合に比べて著しく大きかった。したがって、パルス電流の電流密度(A/mm2)と印加時間(ms)の積が、15000~17000(A・ms/mm2)であれば、降伏応力と延性を大きく向上させることができると考えられる。 As shown in FIGS. 14 to 16, the yield stress and ductility were improved in all cases. However, in the case of Figure 14, the rate of increase in yield stress is 3.9% and the rate of increase in ductility is 10.2%, and in the case of Figure 15, the rate of increase in yield stress is 2.7%, and the rate of increase in ductility is 10%. .8%, whereas in the case of Fig. 16, the increase rate of yield stress was 8.0% and the increase rate of ductility was 26.5%, and the increase rate of yield stress and ductility was was significantly larger than in the case of Therefore, if the product of the current density (A/mm 2 ) and the application time (ms) of the pulse current is 15,000 to 17,000 (A・ms/mm 2 ), the yield stress and ductility can be greatly improved. Conceivable.
図26は、試験片について、EBSDにより求めた結晶方位マップ像である。図26(a)は高密度パルス電流の印加前、(b)は印加後である。電流密度は80A/mm2、印加時間は200msとした。また、図27は、結晶粒度の分布を示したグラフである。図27(a)は高密度パルス電流の印加前、図27(b)は印加後であり、電流密度および印加時間は図26(b)と同様である。図27(a)のように、高密度パルス電流の印加前では、α相の平均結晶粒度は4.2μm、β相の平均結晶粒度は2.7μm、各相合わせた平均結晶粒度は4.0μmであった。これに対し、図27(b)のように、高密度パルス電流の印加後では、α相の平均結晶粒度は3.7μm、β相の平均結晶粒度は2.4μm、全体の平均結晶粒度は3.1μmであった。図26、27から、高密度パルス電流の印加によって結晶粒が微細化することが分かった。 FIG. 26 is a crystal orientation map image obtained by EBSD for the test piece. FIG. 26(a) shows the state before application of the high-density pulsed current, and FIG. 26(b) shows the state after application. The current density was 80 A/mm 2 and the application time was 200 ms. Moreover, FIG. 27 is a graph showing the distribution of crystal grain size. FIG. 27(a) shows the state before application of the high-density pulsed current, and FIG. 27(b) shows the state after application, and the current density and application time are the same as in FIG. 26(b). As shown in FIG. 27(a), before the high-density pulse current is applied, the average grain size of the α phase is 4.2 μm, the average grain size of the β phase is 2.7 μm, and the average grain size of each phase combined is 4.2 μm. It was 0 μm. On the other hand, as shown in FIG. 27(b), after the application of high-density pulsed current, the average grain size of the α phase is 3.7 μm, the average grain size of the β phase is 2.4 μm, and the overall average grain size is It was 3.1 μm. From FIGS. 26 and 27, it was found that the application of high-density pulsed current made the crystal grains finer.
図28は、GND密度のマップ像であり、図28(a)は高密度パルス電流の印加前、(b)は印加後である。電流密度および印加時間は図26(b)と同様である。また、図29は、GND密度の分布を示したグラフであり、図29(a)は高密度パルス電流の印加前、(b)は印加後である。図29(a)のように、高密度パルス電流の印加前では、α相の平均GND密度は1.92×1015m-2、β相の平均GND密度は0.20×1015m-2、全体の平均GND密度は1.81×1015m-2であった。これに対し、図29(b)のように、高密度パルス電流の印加後では、α相の平均GND密度は2.55×1015m-2、β相の平均GND密度は0.23×1015m-2、全体の平均GND密度は2.33×1015m-2であった。図28、29から、高密度パルス電流の印加によって転位密度が増加することが分かった。 FIG. 28 is a map image of the GND density, in which FIG. 28(a) is before application of a high-density pulse current, and FIG. 28(b) is after application. The current density and application time are the same as in FIG. 26(b). Moreover, FIG. 29 is a graph showing the distribution of GND density, in which FIG. 29(a) is before application of the high-density pulse current, and FIG. 29(b) is after application. As shown in FIG. 29(a), before the high-density pulse current is applied, the average GND density of the α phase is 1.92×10 15 m −2 and the average GND density of the β phase is 0.20×10 15 m − 2 , the overall average GND density was 1.81×10 15 m −2 . On the other hand, as shown in FIG. 29(b), after applying a high-density pulse current, the average GND density of the α phase is 2.55×10 15 m −2 and the average GND density of the β phase is 0.23× 10 15 m −2 , and the overall average GND density was 2.33×10 15 m −2 . From FIGS. 28 and 29, it was found that the dislocation density increased by applying a high-density pulsed current.
図30は、Ti-6Al-4Vの結晶相マップ像と結晶粒界のマップとを組み合わせたマップ像であり、図30(a)は高密度パルス電流の印加前、(b)は印加後である。電流密度および印加時間は図26(b)と同様である。また、図31は、高密度パルス電流の印加前と印加後のα相、β相の割合を示したグラフである。また、図32は、結晶粒界の種類ごとに結晶粒界の長さを示したグラフである。 Figure 30 is a map image that combines the crystal phase map image and the grain boundary map of Ti-6Al-4V, and Figure 30 (a) is before application of high-density pulsed current, and (b) is after application. be. The current density and application time are the same as in FIG. 26(b). Moreover, FIG. 31 is a graph showing the ratio of α phase and β phase before and after application of high-density pulse current. Further, FIG. 32 is a graph showing the length of grain boundaries for each type of grain boundary.
図31のように、高密度パルス電流の印加することでβ相が増加することが分かった。また、図32のように、結晶粒界はどの種類も高密度パルス電流の印加によって増加しているが、特に、α相とβ相の整合界面(図32中のPBs(cоhr.))が0.4から0.9に増加していることがわかった。 As shown in FIG. 31, it was found that the β phase increases by applying a high-density pulsed current. Furthermore, as shown in Fig. 32, the grain boundaries of all types increase due to the application of high-density pulsed current, but in particular, the coherent interface between the α and β phases (PBs (cohr.) in Fig. 32) It was found that the value increased from 0.4 to 0.9.
図26-32から、Ti-6Al-4Vに高密度パルス電流を印加することによって降伏応力が向上するのは、結晶粒の微細化と転位密度の増加によるものと考えられる。また、延性が向上するのは、β相の増加とα相とβ相の整合界面の増加によるものであると考えられる。 From FIG. 26-32, it is considered that the reason why the yield stress is improved by applying a high-density pulsed current to Ti-6Al-4V is due to the refinement of crystal grains and the increase in dislocation density. Further, the improvement in ductility is thought to be due to an increase in the β phase and an increase in the number of coherent interfaces between the α phase and the β phase.
Tiからなる試験片に高密度パルス電流を印加し、その後、試験片について引張試験を行い、引張強度(MPa)と延性(%)を測定した。また、比較のため、高密度パルス電流を印加しない場合の引張強度と延性を測定した。試験片の元素組成は、詳細には次の通りである。Cが0.08wt%、Hが0.015wt%、Oが0.25wt%、Nが0.03wt%、Feが0.30wt%、残りがTiである。 A high-density pulsed current was applied to a test piece made of Ti, and then a tensile test was performed on the test piece to measure tensile strength (MPa) and ductility (%). For comparison, the tensile strength and ductility were measured without applying high-density pulsed current. The detailed elemental composition of the test piece is as follows. C is 0.08 wt%, H is 0.015 wt%, O is 0.25 wt%, N is 0.03 wt%, Fe is 0.30 wt%, and the remainder is Ti.
図33、34は、引張強度と延性の測定結果を示したグラフである。図33は、高密度パルス電流の電流密度を160A/mm2とし、印加時間を120~170msで変化させた場合である。図34は、高密度パルス電流の電流密度を525A/mm2とし、印加時間を11.5~17msで変化させた場合である。各印加時間における2本の棒のうち左が引張強度、右が延性である。 33 and 34 are graphs showing the measurement results of tensile strength and ductility. FIG. 33 shows the case where the current density of the high-density pulse current was 160 A/mm 2 and the application time was varied from 120 to 170 ms. FIG. 34 shows the case where the current density of the high-density pulse current was 525 A/mm 2 and the application time was varied from 11.5 to 17 ms. Of the two bars at each application time, the left one shows tensile strength and the right one shows ductility.
図33、34のように、高密度パルス電流を印加しない場合に比べて引張強度と延性の両方が向上しているのは、電流密度160A/mm2で印加時間125~150ms、電流密度525A/mm2で印加時間11.5~12msの場合であった。したがって、電流密度を160A/mm2以上とし、印加時間を所定の範囲とすることで引張強度と延性を大きく向上させることができるとわかった。 As shown in Figures 33 and 34, both the tensile strength and ductility are improved compared to the case where high-density pulsed current is not applied. This was the case at mm 2 and application time of 11.5 to 12 ms. Therefore, it was found that the tensile strength and ductility can be greatly improved by setting the current density to 160 A/mm 2 or more and the application time to a predetermined range.
図35は、試験片について、EBSDにより求めた結晶方位マップ像であり、図36は結晶粒界のマップ像である。図35、36中、(a)は高密度パルス電流の印加前、(b)は高密度パルス電流の印加後であり、高密度パルス電流の電流密度は160A/mm2、印加時間は135msとし、パルス数は1とした。図35、36のように、高密度パルス電流の印加によってマルテンサイト相変態が生じることが分かった。 FIG. 35 is a crystal orientation map image obtained by EBSD for the test piece, and FIG. 36 is a map image of crystal grain boundaries. In Figures 35 and 36, (a) is before the application of the high-density pulsed current, and (b) is after the application of the high-density pulsed current, where the current density of the high-density pulsed current is 160A/mm 2 and the application time is 135ms. , the number of pulses was set to 1. As shown in FIGS. 35 and 36, it was found that application of high-density pulsed current caused martensitic phase transformation.
図37は、高密度パルス電流の印加時間(ms)と結晶粒界における双晶境界の割合(%)の関係を示したグラフである。図37のように、パルス電流を120ms以上印加することによって双晶境界の割合が増加することが分かった。 FIG. 37 is a graph showing the relationship between the application time (ms) of high-density pulsed current and the ratio (%) of twin boundaries in grain boundaries. As shown in FIG. 37, it was found that the proportion of twin boundaries increased by applying a pulse current for 120 ms or more.
図33~37から、Tiに電流密度が160A/mm2以上の高密度パルス電流を所定時間印加することによって引張強度と延性を同時に向上させることが可能であることが分かった。また、引張強度が向上するのは、マルテンサイト相変態が生じているためであると考えられる。また、延性が向上するのは、多数の双晶境界が形成されるためと考えられる。 From FIGS. 33 to 37, it was found that tensile strength and ductility can be simultaneously improved by applying a high-density pulsed current with a current density of 160 A/mm 2 or more to Ti for a predetermined period of time. Further, it is considered that the reason why the tensile strength is improved is that martensitic phase transformation occurs. Moreover, the reason for the improvement in ductility is thought to be due to the formation of a large number of twin boundaries.
Ti-6Al-7Nbからなる試験片に高密度パルス電流を印加し、その後、試験片について引張試験を行い、引張強度(MPa)と延性(%)を測定した。また、比較のため、高密度パルス電流を印加しない場合の引張強度と延性を測定した。試験片の元素組成は、詳細には次の通りである。Alが6.05wt%、Nbが6.95wt%、Taが0.34wt%、Feが0.2wt%、Nが0.03wt%、Oが0.12wt%、残りがTiである。 A high-density pulsed current was applied to a test piece made of Ti-6Al-7Nb, and then a tensile test was performed on the test piece to measure tensile strength (MPa) and ductility (%). For comparison, the tensile strength and ductility were measured without applying high-density pulsed current. The detailed elemental composition of the test piece is as follows. The content is 6.05 wt% Al, 6.95 wt% Nb, 0.34 wt% Ta, 0.2 wt% Fe, 0.03 wt% N, 0.12 wt% O, and the remainder is Ti.
図38、39は、引張強度と延性の測定結果を示したグラフである。図38は、高密度パルス電流の電流密度を150A/mm2とし、印加時間を55~85msで変化させた場合である。図39は、高密度パルス電流の電流密度を500A/mm2とし、印加時間を6~9msで変化させた場合である。各印加時間における2本の棒の左が引張強度で右が延性である。 38 and 39 are graphs showing the measurement results of tensile strength and ductility. FIG. 38 shows the case where the current density of the high-density pulsed current is 150 A/mm 2 and the application time is varied from 55 to 85 ms. FIG. 39 shows the case where the current density of the high-density pulsed current is 500 A/mm 2 and the application time is varied from 6 to 9 ms. The left side of the two bars at each application time is the tensile strength and the right side is the ductility.
図38、39のように、高密度パルス電流を印加しない場合に比べて引張強度と延性の両方が向上しているのは、電流密度150A/mm2で印加時間60、65、75、80ms、電流密度500A/mm2で印加時間6.5~8.5msの場合であった。したがって、電流密度を150A/mm2以上とし、印加時間を所定の範囲とすることで引張強度と延性を大きく向上させることができるとわかった。 As shown in Figures 38 and 39, both the tensile strength and ductility are improved compared to the case where high-density pulsed current is not applied. The current density was 500 A/mm 2 and the application time was 6.5 to 8.5 ms. Therefore, it was found that the tensile strength and ductility can be greatly improved by setting the current density to 150 A/mm 2 or more and setting the application time to a predetermined range.
図40は、試験片について、EBSDにより求めた結晶方位マップ像であり、図41は結晶粒界のマップ像である。図40、41中、(a)は高密度パルス電流の印加前、(b)は高密度パルス電流の印加後であり、高密度パルス電流の電流密度は500A/mm2、印加時間は7msとし、パルス数は1とした。図40、41のように、高密度パルス電流の印加によってマルテンサイト相変態が生じることが分かった。 FIG. 40 is a crystal orientation map image obtained by EBSD for the test piece, and FIG. 41 is a map image of grain boundaries. In Figures 40 and 41, (a) is before the application of the high-density pulsed current, and (b) is after the application of the high-density pulsed current, where the current density of the high-density pulsed current is 500A/mm 2 and the application time is 7ms. , the number of pulses was set to 1. As shown in FIGS. 40 and 41, it was found that application of high-density pulsed current caused martensitic phase transformation.
図42は、高密度パルス電流の印加時間(ms)と結晶粒界における双晶境界の割合(%)の関係を示したグラフである。図42のように、パルス電流を6.5msより長く印加することによって双晶境界の割合が増加することが分かった。 FIG. 42 is a graph showing the relationship between the application time (ms) of high-density pulsed current and the ratio (%) of twin boundaries in grain boundaries. As shown in FIG. 42, it was found that the proportion of twin boundaries increased by applying the pulse current for longer than 6.5 ms.
図39~42から、Ti-6Al-7Nbに電流密度が150A/mm2以上の高密度パルス電流を所定時間印加することによって引張強度と延性を同時に向上させることが可能であることが分かった。また、引張強度が向上するのは、マルテンサイト相変態が生じているためであると考えられる。また、延性が向上するのは、多数の双晶境界が形成されるためと考えられる。 From FIGS. 39 to 42, it was found that tensile strength and ductility can be simultaneously improved by applying a high-density pulsed current with a current density of 150 A/mm 2 or more to Ti-6Al-7Nb for a predetermined period of time. Further, it is considered that the reason why the tensile strength is improved is that martensitic phase transformation occurs. Moreover, the reason for the improvement in ductility is thought to be due to the formation of a large number of twin boundaries.
Ti-6Al-4Vからなる試験片に高密度パルス電流を印加し、その後、試験片について引張試験を行い、引張強度(MPa)と延性(%)を測定した。また、比較のため、高密度パルス電流を印加しない場合の引張強度と延性を測定した。試験片の元素組成は、詳細には次の通りである。Alが6.0wt%、Vが3.95wt%、Feが0.2wt%、Oが0.13wt%、残りがTiである。 A high-density pulsed current was applied to a test piece made of Ti-6Al-4V, and then a tensile test was performed on the test piece to measure tensile strength (MPa) and ductility (%). For comparison, the tensile strength and ductility were measured without applying high-density pulsed current. The detailed elemental composition of the test piece is as follows. Al is 6.0 wt%, V is 3.95 wt%, Fe is 0.2 wt%, O is 0.13 wt%, and the remainder is Ti.
図43、44は、引張強度と延性の測定結果を示したグラフである。図43は、高密度パルス電流の電流密度を140A/mm2とし、印加時間を65~105msで変化させた場合である。図44は、高密度パルス電流の電流密度を310A/mm2とし、印加時間を12~20msで変化させた場合である。各印加時間における2本の棒の左が引張強度で右が延性である。 43 and 44 are graphs showing the measurement results of tensile strength and ductility. FIG. 43 shows the case where the current density of the high-density pulse current was 140 A/mm 2 and the application time was varied from 65 to 105 ms. FIG. 44 shows the case where the current density of the high-density pulse current is 310 A/mm 2 and the application time is varied from 12 to 20 ms. The left side of the two bars at each application time is the tensile strength and the right side is the ductility.
図43、44のように、高密度パルス電流を印加しない場合に比べて引張強度と延性の両方が向上しているのは、電流密度140A/mm2で印加時間75~105ms、電流密度310A/mm2で印加時間14~20msの場合であった。したがって、電流密度を140A/mm2以上とし、印加時間を所定の範囲とすることで引張強度と延性を大きく向上させることができるとわかった。 As shown in Figures 43 and 44, both the tensile strength and ductility are improved compared to the case where high-density pulsed current is not applied. This was the case when the application time was 14 to 20 ms. Therefore, it was found that the tensile strength and ductility can be greatly improved by setting the current density to 140 A/mm 2 or more and the application time to a predetermined range.
図45は、試験片について、EBSDにより求めた結晶方位マップ像であり、図46は結晶粒界のマップ像である。図45、46中、(a)は高密度パルス電流の印加前、(b)は高密度パルス電流の印加後であり、高密度パルス電流の電流密度は140A/mm2、印加時間は80msとし、パルス数は1とした。図45、46のように、高密度パルス電流の印加によってマルテンサイト相変態が生じることが分かった。 FIG. 45 is a crystal orientation map image obtained by EBSD for the test piece, and FIG. 46 is a map image of grain boundaries. In Figures 45 and 46, (a) is before the application of the high-density pulsed current, and (b) is after the application of the high-density pulsed current, where the current density of the high-density pulsed current is 140A/mm 2 and the application time is 80ms. , the number of pulses was set to 1. As shown in FIGS. 45 and 46, it was found that application of high-density pulsed current caused martensitic phase transformation.
図47は、高密度パルス電流の印加時間(ms)と結晶粒界における双晶境界の割合(%)の関係を示したグラフである。図47のように、パルス電流を75ms以上印加することによって双晶境界の割合が増加することが分かった。 FIG. 47 is a graph showing the relationship between the application time (ms) of high-density pulse current and the ratio (%) of twin boundaries in grain boundaries. As shown in FIG. 47, it was found that the ratio of twin boundaries increased by applying a pulse current for 75 ms or more.
図43~47から、Ti-6Al-4Vに電流密度が140A/mm2以上の高密度パルス電流を所定時間印加することによって引張強度と延性を同時に向上させることが可能であることが分かった。また、引張強度が向上するのは、マルテンサイト相変態が生じているためであると考えられる。また、延性が向上するのは、多数の双晶境界が形成されるためと考えられる。 From FIGS. 43 to 47, it was found that tensile strength and ductility can be simultaneously improved by applying a high-density pulsed current with a current density of 140 A/mm 2 or more to Ti-6Al-4V for a predetermined period of time. Further, it is considered that the reason why the tensile strength is improved is that martensitic phase transformation occurs. Moreover, the reason for the improvement in ductility is thought to be due to the formation of a large number of twin boundaries.
本開示は、金属材料の機械的強度や加工性の向上に利用することができる。 The present disclosure can be used to improve the mechanical strength and workability of metal materials.
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