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F. Warchomicka:
"Microstructural behaviour of near β-titanium alloys during thermomechanical processes";
Supervisor, Reviewer: H.P. Degischer, C. Sommitsch; Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie (E308), 2008; oral examination: 06-13-2008.

Structural applications of near beta titanium alloys gradually increasing in the aerospace industry because of their high specific mechanical properties. A good corrosion resistance and a wide range of microstructures can be obtained by thermomechanical processes. Furthermore, they have relatively good workability due to the low beta transus temperature. Careful process control and profound knowledge of the influence of processing parameters on the microstructure are of significant importance for the properties of titanium alloy. In this work the microstructural behaviour of two near beta titanium alloys, Ti-10V-2Fe-3Al and Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr, are investigated under isothermal heat treatment and hot working conditions in the range of temperatures near to the beta transus temperature.
Isothermal heat treatments are carried out to determine alpha phase stabilization and the change of the microstructural features. Heat treatments at temperatures 730-850°C between 0 to 4 hours show that the equilibrium of the alpha phase content is reached within around 500 seconds. The alpha phase dissolution is described by the Avrami theory. Coarsening, Ostwald ripening and dissolution of alpha grains are observed after reaching the phase equilibrium.
Compression tests are carried out by means of a Gleeble 1500 machine in order to determine the flow behaviour of the alloys at 0.01, 0.1 and 1s^-1 constant strain rates and temperatures in both alpha + beta and beta field (T_β±40°C). Constitutive equations are determined from an empirical approach to describe relationship of the flow stress to temperature and strain rate, at certain strains. The apparent energy of activation obtained is 134kJ/mol for Ti-10-2-3 and 275kJ/mol for Ti-5-5-5-3-1 in the alpha + beta field at 0.7 of true strain, in steady state. In the beta single phase field, the apparent activation energy for deformation is 148kJ/mol for Ti-5-5-5-3-1.
Deformed microstructure is analyzed at different zones of the sample by quantitative analysis of interrupted compression tests. They are correlated with the local effective strain and strain rate determined by Deform 2D simulations of compressed samples. Deformation occurred mainly in the β phase, where continuous dynamic recrystallization seems to be the mechanism of restoration. Finally, microstructural features as a function of the Zener-Hollomon parameter (Z) are derived

Metastabile Beta-Titanlegierungen werden vorwiegend in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, weil sie hohe spezifische mechanische Eigenschaften sowie gute Korrosionsbeständigkeit zeigen. Auf Grund der niedrigen Beta-Transus Temperatur lassen sich metastabile Beta-Titanlegierungen gut verformen. Die Kenntnis des Einflusses von Umformungsparametern auf das Gefüge des Materiales ist nötig für die Entwicklung von sekundären Formgebungsprozessen, die gewünschte Eigenschaftsprofile hervorbringen. In der vorliegenden Arbeit wird die Gefügeänderung nach verschiedenen Wärmebehandlungen und Warmumformung in der Nähe von der Umwandlungstemperatur von zwei Legierungen, Ti-10V-2Fe-3Al und Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr, analysiert.
Um die Stabilität der Alpha-Phase zu bestimmen, wurden isotherme Wärmebehandlungen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass der Alpha-Phasenanteil nach 500 Sekunden das Gleichgewicht erreicht. Die Auflösung der Alpha-Phase wird mit der Avrami-Theorie beschrieben. Nach Erreichen des Gleichgewichtszustandes wird Ostwald-Reifung, Vergröberung und Auflösung von Alpha-Körner beobachtet.
Um die Deformationsmechanismen der Werkstoffe zu analysieren wurden mit einer Gleeble 1500 Druckversuche in der Nähe der Beta-Transus Temperatur (T_β±40°C) und bei 0,01, 0,1 und 1s^-1 durchgeführt. Die Fließspannungen bei hohem Verformungsgrad (>0.7) und die Verformungsparameter werden mit konstitutiven Gesetzen zusammengefasst. Die berechneten Aktivierungsenergien sind: 134kJ/mol für Ti-10-2-3 und 275kJ/mol für Ti-5-5-5-3-1 in Alpha + Beta Bereich, und 148kJ/mol für Ti-5-5-5-3-1 im Beta Bereich.
Die Gefügeänderungen der Werkstoffe nach der Verformung werden mittels Bildanalyse quantifiziert. 2D Finite-Elemente-Simulationen mit DEFORM 2D wurden durchgeführt, um die lokale Dehnungs- und Temperaturverteilung in der Probe zu ermitteln. Die Verformung erfolgt hauptsächlich in der Beta-Phase, wo vermutlich kontinuierliche dynamische Rekristallisation stattfindet. Schließlich werden die Parameter der Mikrostrukturentwicklung als Funktion der Zener-Hollomon-Parameter (Z) dargestellt.

hot deformation, titanium alloys, microstructure