Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов

Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов

Проведен анализ важных факторов, влияющих на структурообразование и технологичность метода равноканального углового прессования (РКУП). Впервые разработан и исследован метод РКУП conform для получения наноструктурных (НС) длинномерных полуфабрикатов из технического титана. В рамках проведенных иссле...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2007
Автор: Рааб, Г.И.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2007
Назва видання:Физика и техника высоких давлений
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70370
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов / Г.И. Рааб // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 3. — С. 89-96. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-70370
record_format dspace
spelling irk-123456789-703702014-11-04T03:01:55Z Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов Рааб, Г.И. Проведен анализ важных факторов, влияющих на структурообразование и технологичность метода равноканального углового прессования (РКУП). Впервые разработан и исследован метод РКУП conform для получения наноструктурных (НС) длинномерных полуфабрикатов из технического титана. В рамках проведенных исследований создана экспериментальная установка для РКУП conform заготовок длиной до 3 m и сечением до 7.5 × 7.5 mm. Отработаны элементы технологии получения НС технически чистых титановых полуфабрикатов с уровнем предела прочности до значений, близких к 1000 MPa, и пластичности более 10%. There has been performed an analysis of significant factors that influence structure formation and technological effectiveness of the method of equal-channel angular pressing (ECAP). For the first time there was developed and investigated the method of ECAP conform for producing nanostructured (NS) long-sized semiproducts made of CP Ti. Within the framework of the investigations conducted there was constructed a pilot unit for ECAP conform billets having length up to 3 m and section up to 7.5 mm. There were developed elements of the technology for producing nanostructured CP Ti semiproducts with a level of ultimate strength up to the values close to 1000 MPa and ductility more than 10%. 2007 Article Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов / Г.И. Рааб // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 3. — С. 89-96. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 62.20.Fe http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70370 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Проведен анализ важных факторов, влияющих на структурообразование и технологичность метода равноканального углового прессования (РКУП). Впервые разработан и исследован метод РКУП conform для получения наноструктурных (НС) длинномерных полуфабрикатов из технического титана. В рамках проведенных исследований создана экспериментальная установка для РКУП conform заготовок длиной до 3 m и сечением до 7.5 × 7.5 mm. Отработаны элементы технологии получения НС технически чистых титановых полуфабрикатов с уровнем предела прочности до значений, близких к 1000 MPa, и пластичности более 10%.
format Article
author Рааб, Г.И.
spellingShingle Рааб, Г.И.
Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов
Физика и техника высоких давлений
author_facet Рааб, Г.И.
author_sort Рааб, Г.И.
title Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов
title_short Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов
title_full Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов
title_fullStr Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов
title_full_unstemmed Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов
title_sort разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов
publisher Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate 2007
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70370
citation_txt Разработка методов интенсивной пластической деформации для получения длинномерных наноструктурных титановых полуфабрикатов / Г.И. Рааб // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 3. — С. 89-96. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv AT raabgi razrabotkametodovintensivnojplastičeskojdeformaciidlâpolučeniâdlinnomernyhnanostrukturnyhtitanovyhpolufabrikatov
first_indexed 2025-07-05T19:38:08Z
last_indexed 2025-07-05T19:38:08Z
_version_ 1836837019293057024
fulltext Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3 89 PACS: 62.20.Fe Г.И. Рааб РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДЛИННОМЕРНЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ ТИТАНОВЫХ ПОЛУФАБРИКАТОВ Институт физики перспективных материалов при Уфимском государственном авиа- ционном техническом университете ул. К. Маркса, 12, г. Уфа, 450000, Россия E-mail: giraab@mail.ru Статья поступила в редакцию 15 мая 2007 года Проведен анализ важных факторов, влияющих на структурообразование и техно- логичность метода равноканального углового прессования (РКУП). Впервые разра- ботан и исследован метод РКУП conform для получения наноструктурных (НС) длинномерных полуфабрикатов из технического титана. В рамках проведенных исследований создана экспериментальная установка для РКУП conform заготовок длиной до 3 m и сечением до 7.5 × 7.5 mm. Отработаны элементы технологии по- лучения НС технически чистых титановых полуфабрикатов с уровнем предела прочности до значений, близких к 1000 MPa, и пластичности более 10%. Введение Традиционные промышленные процессы обработки металлов давлением (ОМД), использующие горячую и/или холодную деформацию, направлены преимущественно на формообразование. При этом важным является техно- логичность процессов, а уровень механических свойств получаемых полу- фабрикатов и изделий формируют термической обработкой или деформиро- ванием в определенных условиях на финишных стадиях. Как правило, ме- таллические материалы после вышеотмеченных обработок имеют крупно- зернистую и/или субзеренную структуру. Вместе с тем известно [1,2], что их НС-состояния с зернами размером менее 1 μm и особым состоянием границ мо- гут в 2−3 раза повысить прочность технически чистых металлов и в 1.5−2 раза − сплавов в сочетании с достаточно высокой пластичностью. На практике при формировании НС-состояний в металлических объемных материалах наибо- лее широкое распространение получили методы интенсивной пластической деформации (ИПД) [2]. В последние годы научно-прикладные исследования этих методов с целью получения НС-полуфабрикатов с высоким комплек- сом физико-механических свойств в технически чистых металлах и сплавах формируются в одно из новых направлений ОМД. Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3 90 В ряд перспективных методов ИПД следует поставить РКУП. Этот метод имеет технологические преимущества в плане достигаемых высоких уровня и однородности разовых деформаций и производительности процесса, на- пример для случая использования схемы conform [3,4]. Благодаря преиму- ществам РКУП conform появляется возможность создания промышленных высокопроизводительных технологий получения длинномерных НС- полуфабрикатов. В данной работе показаны методические подходы при анализе парамет- ров получения методом РКУП металлических НС-полуфабрикатов, в том числе и длинномерных. В качестве исследуемого материала использовали технически чистый титан марки ВТ1-0. Метод РКУП conform Известные исследования метода РКУП conform проведены с использова- нием технически чистого пластичного алюминия и носят преимущественно научный характер, связанный с изучением эффективности структурообразо- вания. Применение в качестве объекта исследований титана инициирует ин- новационную составляющую работ в связи с заинтересованностью стомато- логических компаний в высокопрочных титановых материалах, повышаю- щих качество и расширяющих номенклатуру имплантантов. НС технически чистые марки титана отвечают этим требованиям в виду того, что обладают пределом прочности порядка 1000−1300 MPa и пластичностью более 10%, сравнимыми с соответствующими свойствами легированных сплавов и даже более высокими. Кроме того, он менее токсичен в физиологической среде. В отожженном состоянии технический титан при комнатной температуре проявляет довольно высокую пластичность (δ = 25−30%), что позволяет подвергать его холодной обработке, приводящей к ряду известных экономи- ческих преимуществ. Однако следует учитывать, что титан при этом интен- сивно упрочняется со снижением пластических свойств. В этой связи осо- бый интерес вызывает разработка процесса формирования НС-состояния титана при комнатной температуре. Поэтому оценка деформируемости ти- тана в условиях интенсивной многоцикловой холодной обработки методом РКУП становится актуальной. В основу таких оценок легли подходы Ураль- ской научной школы [5]. Используя адекватность схем деформации и харак- тера разрушения при РКУП и кручении в условиях локализованного сдвига, предлагаем методику оценки деформируемости при РКУП. Сущность мето- дики проиллюстрирована на рис. 1. По результатам испытания образцов кручением определяется интенсив- ность деформации сдвига, которая сопоставляется с интенсивностью накап- ливаемой деформации при РКУП. Кручение в обычных условиях позволяет воссоздать условия, близкие к РКУП. Особенно это относится к зоне заго- товки, близкой к внутреннему углу пересечения каналов. В данной зоне от- мечается наличие даже растягивающих напряжений [6], а ведь известно, что Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3 91 Плоскость сдвига при РКУП Плоскость сдвига при кручении Образец Свободная поверхность Рис. 1. Схема методологического подхода для оценки деформируемости материа- лов при РКУП трещины начинают развиваться именно в этой области заготовок. Оценка деформируемости по предложенной методике после каждого цикла РКУП позволяет оптимизировать процесс структурообразования и получать безде- фектные образцы в условиях многоцикловой обработки. В итоге разрабо- танный подход с достаточно высокой степенью сходимости позволяет про- гнозировать деформируемость материалов при РКУП (табл. 1). Практиче- ское использование методики представлено в виде номограммы на рис. 2. Анализируя технологические особенности титана, следует отметить его высо- кую адгезионную активность, которая создает трудности при его обработке методами ОМД. Трибологические аспекты процесса РКУП титана при ком- натной температуре были исследованы нами ранее [7] и использованы при разработке процесса РКУП conform. Однако контактные условия холодной ИПД титана требуют улучшения и дальнейшего изучения. Таблица 1 Результаты исследования запаса пластичности меди М1 и титана ВТ1-0 и рекомендуемый угол пересечения каналов при их обработке* Накопленная дефор- мация при РКУП е Угол закрутки φ, grad Интенсивность де- формации Λр Угол пересечения каналов ψ, grad М1 ВТ1-0 М1 ВТ1-0 М1 ВТ1-0 М1 ВТ1-0 0 81 73 6.3 3.3 90 0.8 78 60 4.7 1.7 90 110 3.2 73 53 3.2 1.3 90 120 * Размеры поперечного сечения заготовки 7.5 × 7.5 mm. Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3 92 Другими важными аспектами при получении НС-материалов являются характер, суммарный уровень и одно- родность накапливаемой деформации в условиях многоцикловой обработки. Это одни из наиболее необходимых параметров и факторов, заметно влияющих на формирование НС зерен- ного типа, повышенный уровень и изо- тропность механических свойств. В ряде работ [2,8] показано, что измене- ние направления главных осей дефор- мации при РКУП на 90° или на проти- воположное, осуществленное за счет кантовки заготовки между циклами обработки, приводит к более быстрому формированию НС, в том числе и в титане. Проведенные нами теоретиче- ские и практические исследования и полученные результаты, подтвер- ждающие положительное воздействие суммарно немонотонных деформа- ций, позволили разработать ряд новых схем, приводящих к интенсификации процесса формирования НС-состояний материалов [9]. Уровень накопленной деформации оказывает решающее воздействие на фрагментацию структуры. Применительно к методам интенсивной деформации установлено, что процесс фрагментации, прочность НС- материала и плотность дислокаций зависят от геометрии очага деформа- ции и характера его изменения [10] (рис. 3). В условиях стабильной гео- метрии очага и отношения его площади к его объему (удельной поверх- ности очага деформации ΔΑ), например, как при РКУП или кручении заготовок под гидростатическим давлением, фрагментация структуры с накоплением деформации затухает. При уровне накопленной деформа- ции е = 3−4 и немонотонном воздействии возможно формирование НС- состояний материалов, в частности в титане. Однако повышение ΔΑ при РКУП за счет уменьшения геометрических размеров НС-заготовок при- водит к повышению уровня прочности с характерным затуханием скоро- сти роста прочности. Для случаев, когда происходит изменение ΔΑ в сторону увеличения от цикла к циклу (например, при волочении), проч- ность продолжает расти при заметно меньшем уровне накапливаемой деформации. Так, после РКУП при прочих близких условиях круглая (диаметром 20 mm) титановая заготовка имеет прочность 750 MPa, раз- мер зерен ~ 280 nm, а квадратная (7.5 × 7.5 mm) − 830 MPa, размер зерен ~ 240 nm. Холодное волочение НС-титана с квадратного (7.5 × 7.5 mm) профиля на круглый (диаметром 5 mm) с суммарно накопленной дефор- Рис. 2. Номограмма для экспресс- анализа технологической пластично- сти материалов перед РКУП и выбо- ра угла пересечения каналов: ϕ – угол закрутки образца в момент раз- рушения, ψ – рекомендуемый угол пересечения каналов, Λр – интенсив- ность деформации сдвига Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3 93 мацией е = 0.9 позволяет полу- чить прочность 1000 MPa и раз- мер зерен около 200 nm. Очевидно, что однородность накапливаемой деформации соот- ветственно влияет на однород- ность структуры и механических свойств. Исследование процесса РКУП conform методом конечных элементов с использованием па- кета Deform 3D было представле- но нами в [6], где показано, что для стадии устойчивого течения однородность деформации тита- новых заготовок после одного цикла составляет е = 0.8 ± 0.04. Поэтому при формировании НС- состояний методом РКУП conform следует ожидать однородного уровня свойств в получаемых длинномер- ных полуфабрикатах. Представленный выше анализ и комплексный подход к проблеме форми- рования НС-материалов позволили создать экспериментальную установку и разработать опытную технологию получения длинномерных НС-полуфаб- рикатов методом РКУП conform (рис. 4, табл. 2). Конструктивное исполне- ние устройства и способ обработки технического титана защищены между- народными патентами. а б Рис. 4. Принципиальная схема (а) и общий вид (б) экспериментальной установки для РКУП conform Рис. 3. Выявленные тенденции влияния накопленной деформации на показатели предела прочности и плотности дислока- ций в процессах ИПД: 1 − РКУП крупнога- баритной заготовки (ΔА = const); 2 − РКУП малогабаритной заготовки, полученной из крупногабаритной НС-заготовки (е ~ 4, ΔА = const); 3 − волочение малогабарит- ной заготовки, полученной из крупнога- баритной НС-заготовки (е ~ 4, ΔА = var) Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3 94 Таблица 2 Технические характеристики экспериментальной установки Параметры Значения Марка материала обрабатываемых заготовок Ti, Сu, Ni, Fe и др. Длина обрабатываемых заготовок, m 1−3 Поперечное сечение, mm до □ 7.5 × 7.5 Температура обработки, °C 20 Скорость обработки, mm/s 20−100 Крутящий момент, N·m 8000 Мощность привода, kW 5.5 Регистрируемые 1. Крутящий момент 2. Температура формообразующих вставок 3. Скорость обработки Управляемые Скорость обработки Использование предложенной методики для оценки деформируемости технического титана при комнатной температуре в условиях РКУП позволи- ло определить максимально возможное воздействие за цикл обработки. При этом рекомендуемый угол пересечения каналов методом conform составил 120°. В качестве подсмазочного покрытия рекомендуются бораты в сочета- нии со смазкой Росойл-А. На основе результатов исследований и проведен- ного анализа для реализации процесса РКУП conform были выбраны мар- шруты прессования с кантовкой заготовки относительно ее продольной оси на 90° в условиях 4−6-цикловой обработки, позволяющей накапливать де- формацию е ≥ 3. Исследования проводили на двух типоразмерах длинномерных образцов сечениями 5.2 × 5.2 и 7.5 × 7.5 mm. Сравнение характеристик свойств НС- титана после обработки методом РКУП conform (табл. 3) показало, что после шести циклов обработки прочность титана достигает значений, близких к 1000 MPa при пластичности более 10%. Общий вид полученных длинномер- ных заготовок диаметром 5 mm и длиной до 2−3 m представлен на рис. 5. Анализ температурных полей оснастки и заготовки показал, что деформаци- онный разогрев при скорости 30 mm·s−1 повышает температуру заготовки до 120−130°C, что необходимо учитывать при разработке оснастки и промыш- ленных технологий РКУП conform. Рис. 5. Общий вид НС титановых длинномерных заготовок, полученных методом РКУП conform после 4 циклов и последующего волочения с квадратного (7.5 × 7.5 mm) профиля на круглый (диаметр 5 mm) Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3 95 Таблица 3 Характеристики метода РКУП conform и свойства получаемого НС-титана ВТ1-0 Размеры по- перечного сечения, mm Количество циклов обра- ботки N Накопленная деформация е Предел прочности, MPa Относитель- ное удлине- ние, % Размер зерен, nm 6 4.4 960 12−13 2005.2 × 5.2 4 3 850 10−11 200 7.5 × 7.5 4 3 830 8−9 240 Выводы 1. Проведен анализ важных факторов, влияющих на структурообразова- ние и технологичность метода РКУП. 2. Впервые разработан и исследован метод РКУП conform для получения НС длинномерных полуфабрикатов из технического титана. 3. В рамках проведенных исследований создана экспериментальная уста- новка для РКУП conform заготовок длиной до 3 m и сечением до 7.5 × 7.5 mm. Отработаны элементы технологии получения таких полуфабрикатов с уров- нем предела прочности до значений, близких к 1000 MPa, и пластичностью более 10%. 4. Для получения более прочного и пластичного состояния НС-титана предпочтительнее накапливать уровень суммарной деформации е > 4. Работа проведена при поддержке проекта МНТЦ № 3208р. 1. H. Gleiter, Prog. Mater. Sci. 33, 223 (1989). 2. Р.З. Валиев, И.В. Александров, Наноструктурные материалы, полученные ин- тенсивной пластической деформацией, Логос, Москва (2000). 3. В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов, Д.А. Павлик, В.Ф. Малышев, Процессы пластического структурообразования металлов, Навука и тэхника, Минск (1994). 4. D. Green, J. Inst. Metals 99, 76 (1972). 5. А.А. Богатов, О.И. Мижирицкий, С.В. Смирнов, Ресурс пластичности металлов при обработке давлением, Металлургия, Москва (1984). 6. Г.И. Рааб, Ф.Ф. Сафин, Р.З. Валиев, КШП № 6, 41 (2006). 7. Г.И. Рааб, В.Ю. Шолом, А.Н. Абрамов, Р.З. Валиев, КШП № 5, 20 (1999). 8. V.V. Stolyarov et al., Mater. Sci. Eng. A299, 59 (2001). 9. Р.З. Валиев, Х.Ш. Салимгареев, Г.И. Рааб, Н.А. Красильников, Н.М. Амирханов, Способ комбинированной ИПД заготовок, Патент РФ № 2240197г, опубл. 2004. 10. Ф.З. Утяшев, Г.И. Рааб, ФММ 101, 311 (2006). Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 3 96 G.I. Raab DEVELOPMENT OF SEVERE PLASTIC DEFORMATION METHOD TO OBTAIN LONG-SIZED NANOSTRUCTURED TITANIUM SEMIPRODUCTS There has been performed an analysis of significant factors that influence structure for- mation and technological effectiveness of the method of equal-channel angular pressing (ECAP). For the first time there was developed and investigated the method of ECAP conform for producing nanostructured (NS) long-sized semiproducts made of CP Ti. Within the framework of the investigations conducted there was constructed a pilot unit for ECAP conform billets having length up to 3 m and section up to 7.5 mm. There were developed elements of the technology for producing nanostructured CP Ti semiproducts with a level of ultimate strength up to the values close to 1000 MPa and ductility more than 10%. Fig. 1. Scheme of methodologic approach to estimate deformability of a material under the ECAP Fig. 2. Nomograph for express analysis of technological plasticity of materials prior to the ECAP and for selection of channel intersection angle: ϕ – angle of sample twisting at a moment of fracture, ψ – recommended angle of channel intersection, Λр − intensity of shear deformation Fig. 3. Revealed tendencies of accumulated strain effect on ultimate strength and disloca- tion density values during SPD: 1 − ECAP of long-sized billet (ΔА = const); 2 − ECAP of small-sized billet obtained from the long-sized NS-billet (е ~ 4, ΔА = const); 3 − drawing of small-sized billet obtained from the long-sized NS-billet (е ~ 4, ΔА = var) Fig. 4. Schematic diagram (а) and general view (б) of experimental plant for ECAP con- form Fig. 5. General view of NS long-sized titanium billets produced by the method of ECAP conform past 4 cycles followed by drawing of square (7.5 × 7.5 mm) section for having rounds (5 mm diameter)

Схожі ресурси