Abstract

Cryogenic cooling is becoming an attractive method for machining difficult-to-cut materials to extend their machinability. However, it’s a challenging task to analyze the effect of cryogenic cooling on the machining. In order to better understand the various physical phenomena in the cryogenic cutting process, cryogenic impact test, and tensile test of titanium alloy Ti–6Al–4V were undertaken in this work. The impact and tensile properties of Ti–6Al–4V alloy in the temperature range of 20 to − 196 °C were investigated. Later on, the macroscopic and microscopic morphology of the produced fractures were analyzed. Findings have depicted a decreasing impact toughness and an increase of tensile and yield strength of Ti–6Al–4V alloy in the temperature range from 20 to − 196 °C. The impact fracture appeared as a tendency of becoming material brittle. Meanwhile, three kinds of zones of shear-lip, fiber, and radiation were found on the fracture morphology. Those zones correspond to the shear fracture zone, crack initiation zone, and crack extension zone, respectively. With the temperature decrease, the proportion of fiber zone was decreased, while a gradual increase in the radiation zone was observed. Besides, the fiber zone was observed for the macroscopic morphology of the fracture under the temperature of − 196 °C. Some dimples were found in the tensile fracture at − 196 °C indicating the ability of Ti–6Al–4V alloy to deform plastically under such low temperature. This work is a fundamental support to analyze the behavior of Ti–6Al–4V alloy under cryogenic cooling conditions.

Graphic Abstract

中文翻译：

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Ti–6Al–4V合金在20至-196°C温度范围内的力学性能演变

摘要

低温冷却正成为一种有吸引力的方法，用于加工难以切割的材料以扩展其可加工性。但是，分析低温冷却对加工的影响是一项艰巨的任务。为了更好地了解低温切削过程中的各种物理现象，本工作进行了钛合金Ti-6Al-4V的低温冲击试验和拉伸试验。研究了Ti-6Al-4V合金在20至196°C温度范围内的冲击和拉伸性能。随后，分析了所产生裂缝的宏观和微观形态。研究结果表明，在20至196°C的温度范围内，Ti-6Al-4V合金的冲击韧性降低，拉伸强度和屈服强度提高。冲击断裂表现为材料变脆的趋势。同时，在断裂形态上发现了剪切唇，纤维和辐射三种区域。这些区域分别对应于剪切断裂区，裂纹萌生区和裂纹扩展区。随着温度的降低，纤维区的比例减少，而辐射区逐渐增加。此外，在-196°C的温度下观察到了纤维区的宏观形貌。在− 196°C的拉伸断裂中发现了一些凹痕，表明Ti-6Al-4V合金在如此低的温度下具有塑性变形的能力。这项工作为分析Ti-6Al-4V合金在低温冷却条件下的行为提供了基础支持。这些区域分别对应于剪切断裂区，裂纹萌生区和裂纹扩展区。随着温度的降低，纤维区的比例减少，而辐射区逐渐增加。此外，在-196°C的温度下观察到了纤维区的宏观形貌。在− 196°C的拉伸断裂中发现了一些凹坑，表明Ti–6Al–4V合金在这样的低温下具有塑性变形的能力。这项工作为分析Ti-6Al-4V合金在低温冷却条件下的行为提供了基础支持。这些区域分别对应于剪切断裂区，裂纹萌生区和裂纹扩展区。随着温度的降低，纤维区的比例减少，而辐射区逐渐增加。此外，在-196°C的温度下观察到了纤维区的宏观形貌。在− 196°C的拉伸断裂中发现了一些凹坑，表明Ti–6Al–4V合金在这样的低温下具有塑性变形的能力。这项工作为分析Ti-6Al-4V合金在低温冷却条件下的行为提供了基础支持。同时观察到辐射区逐渐增加。此外，在-196°C的温度下观察到了纤维区的宏观形貌。在− 196°C的拉伸断裂中发现了一些凹坑，表明Ti–6Al–4V合金在这样的低温下具有塑性变形的能力。这项工作为分析Ti-6Al-4V合金在低温冷却条件下的行为提供了基础支持。同时观察到辐射区逐渐增加。此外，在-196°C的温度下观察到了纤维区的宏观形貌。在− 196°C的拉伸断裂中发现了一些凹坑，表明Ti–6Al–4V合金在这样的低温下具有塑性变形的能力。这项工作为分析Ti-6Al-4V合金在低温冷却条件下的行为提供了基础支持。

图形摘要