Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки
Приведены результаты механических испытаний титановых лент, изготовленных путем прокатки порошка. Полученные данные свидетельствуют о преимуществах асимметричной прокатки по сравнению с симметричной. Установлено, что после асимметричной прокатки сырая прочность полос в 5 раз выше. После спекания мех...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2016
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122751 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки / К.А. Гогаев, В.С. Воропаев, Ю.Н. Подрезов, Я.И. Евич, В.И. Даниленко // Физика и техника высоких давлений. — 2016. — Т. 26, № 3-4. — С. 5-19. — Бібліогр.: 20назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-122751 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гогаев, К.А. Воропаев, В.С. Подрезов, Ю.Н. Евич, Я.И. Даниленко, В.И. 2017-07-19T13:38:34Z 2017-07-19T13:38:34Z 2016 Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки / К.А. Гогаев, В.С. Воропаев, Ю.Н. Подрезов, Я.И. Евич, В.И. Даниленко // Физика и техника высоких давлений. — 2016. — Т. 26, № 3-4. — С. 5-19. — Бібліогр.: 20назв. — рос. 0868-5924 PASC: 62.20.−x https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122751 Приведены результаты механических испытаний титановых лент, изготовленных путем прокатки порошка. Полученные данные свидетельствуют о преимуществах асимметричной прокатки по сравнению с симметричной. Установлено, что после асимметричной прокатки сырая прочность полос в 5 раз выше. После спекания механические свойства порошковых полос сопоставимы с аналогами, полученными прокаткой компактного материала. Дополнительный подкат с использованием асимметричной прокатки позволил изготовить деформированные ленты, которые по прочности и пластичности превосходят аналогичные изделия, полученные по традиционной технологии. Проанализирована роль сдвиговых деформаций в формировании контактов для изделий порошкового генезиса. Рассмотрены преимущества и недостатки асимметричной прокатки, а также место этой схемы деформирования в общей методологии интенсивной пластической деформации (ИПД). Наведено результати механічних випробувань титанових стрічок, виготовлених шляхом прокатки порошку. Отримані дані свідчать про переваги асиметричної прокатки у порівнянні з симетричною. Встановлено, що після асиметричної прокатки сира міцність смуг у 5 разів вище. Після спікання механічні властивості порошкових смуг співставні з аналогами, отриманими прокаткою компактного матеріалу. Додатковий підкат з використанням асиметричної прокатки дозволив виготовити деформовані стрічки, які за міцністю та пластичністю переважають аналогічні вироби, що отримані за традиційною технологією. Проаналізовано роль зсувних деформацій у формуванні контактів для виробів порошкового генезису. Розглянуто переваги та недоліки асиметричної прокатки, а також місце цієї схеми деформування в загальній методології інтенсивної пластичної деформації (IПД). The results of mechanical tests of titanium strips obtained by rolling of a powder are reported. The obtained data demonstrate the advantage of asymmetric rolling as compared to the symmetric one. It is found that after asymmetric rolling, the «green» strength of the strips is 5 times higher. After the sintering, the mechanical properties of powder strips are comparable with those obtained by rolling of compacts. Additional rolling by using of an asymmetric scheme gives an opportunity to obtain deformed tapes characterized by strength and ductility exceeding those of similar tapes obtained by the conventional technology. The role of shear deformation in the formation of contacts in the products of powder genesis is analyzed. The advantages and disadvantages of asymmetric rolling are discussed. The place of this scheme in general methodology of severe plastic deformation is determined. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки Production of highstrength titanic strips by consolidation of powder using technology of asymmetrical rolling Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки |
| spellingShingle |
Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки Гогаев, К.А. Воропаев, В.С. Подрезов, Ю.Н. Евич, Я.И. Даниленко, В.И. |
| title_short |
Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки |
| title_full |
Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки |
| title_fullStr |
Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки |
| title_full_unstemmed |
Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки |
| title_sort |
получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки |
| author |
Гогаев, К.А. Воропаев, В.С. Подрезов, Ю.Н. Евич, Я.И. Даниленко, В.И. |
| author_facet |
Гогаев, К.А. Воропаев, В.С. Подрезов, Ю.Н. Евич, Я.И. Даниленко, В.И. |
| publishDate |
2016 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Production of highstrength titanic strips by consolidation of powder using technology of asymmetrical rolling |
| description |
Приведены результаты механических испытаний титановых лент, изготовленных путем прокатки порошка. Полученные данные свидетельствуют о преимуществах асимметричной прокатки по сравнению с симметричной. Установлено, что после асимметричной прокатки сырая прочность полос в 5 раз выше. После спекания механические свойства порошковых полос сопоставимы с аналогами, полученными прокаткой компактного материала. Дополнительный подкат с использованием асимметричной прокатки позволил изготовить деформированные ленты, которые по прочности и пластичности превосходят аналогичные изделия, полученные по традиционной технологии. Проанализирована роль сдвиговых деформаций в формировании контактов для изделий порошкового генезиса. Рассмотрены преимущества и недостатки асимметричной прокатки, а также место этой схемы деформирования в общей методологии интенсивной пластической деформации (ИПД).
Наведено результати механічних випробувань титанових стрічок, виготовлених шляхом прокатки порошку. Отримані дані свідчать про переваги асиметричної прокатки у порівнянні з симетричною. Встановлено, що після асиметричної прокатки сира міцність смуг у 5 разів вище. Після спікання механічні властивості порошкових смуг співставні з аналогами, отриманими прокаткою компактного матеріалу. Додатковий підкат з використанням асиметричної прокатки дозволив виготовити деформовані стрічки, які за міцністю та пластичністю переважають аналогічні вироби, що отримані за традиційною технологією. Проаналізовано роль зсувних деформацій у формуванні контактів для виробів порошкового генезису. Розглянуто переваги та недоліки асиметричної прокатки, а також місце цієї схеми деформування в загальній методології інтенсивної пластичної деформації (IПД).
The results of mechanical tests of titanium strips obtained by rolling of a powder are reported. The obtained data demonstrate the advantage of asymmetric rolling as compared to the symmetric one. It is found that after asymmetric rolling, the «green» strength of the strips is 5 times higher. After the sintering, the mechanical properties of powder strips are comparable with those obtained by rolling of compacts. Additional rolling by using of an asymmetric scheme gives an opportunity to obtain deformed tapes characterized by strength and ductility exceeding those of similar tapes obtained by the conventional technology. The role of shear deformation in the formation of contacts in the products of powder genesis is analyzed. The advantages and disadvantages of asymmetric rolling are discussed. The place of this scheme in general methodology of severe plastic deformation is determined.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122751 |
| citation_txt |
Получение высокопрочных титановых лент путем консолидации порошка с использованием технологии асимметричной прокатки / К.А. Гогаев, В.С. Воропаев, Ю.Н. Подрезов, Я.И. Евич, В.И. Даниленко // Физика и техника высоких давлений. — 2016. — Т. 26, № 3-4. — С. 5-19. — Бібліогр.: 20назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT gogaevka polučenievysokopročnyhtitanovyhlentputemkonsolidaciiporoškasispolʹzovaniemtehnologiiasimmetričnoiprokatki AT voropaevvs polučenievysokopročnyhtitanovyhlentputemkonsolidaciiporoškasispolʹzovaniemtehnologiiasimmetričnoiprokatki AT podrezovûn polučenievysokopročnyhtitanovyhlentputemkonsolidaciiporoškasispolʹzovaniemtehnologiiasimmetričnoiprokatki AT evičâi polučenievysokopročnyhtitanovyhlentputemkonsolidaciiporoškasispolʹzovaniemtehnologiiasimmetričnoiprokatki AT danilenkovi polučenievysokopročnyhtitanovyhlentputemkonsolidaciiporoškasispolʹzovaniemtehnologiiasimmetričnoiprokatki AT gogaevka productionofhighstrengthtitanicstripsbyconsolidationofpowderusingtechnologyofasymmetricalrolling AT voropaevvs productionofhighstrengthtitanicstripsbyconsolidationofpowderusingtechnologyofasymmetricalrolling AT podrezovûn productionofhighstrengthtitanicstripsbyconsolidationofpowderusingtechnologyofasymmetricalrolling AT evičâi productionofhighstrengthtitanicstripsbyconsolidationofpowderusingtechnologyofasymmetricalrolling AT danilenkovi productionofhighstrengthtitanicstripsbyconsolidationofpowderusingtechnologyofasymmetricalrolling |
| first_indexed |
2025-11-25T10:06:24Z |
| last_indexed |
2025-11-25T10:06:24Z |
| _version_ |
1850512238849294336 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
© К.А. Гогаев, В.С. Воропаев, Ю.Н. Подрезов, Я.И. Евич, В.И. Даниленко, 2016
PASC: 62.20.−x
К.А. Гогаев, В.С. Воропаев, Ю.Н. Подрезов, Я.И. Евич, В.И. Даниленко
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОПРОЧНЫХ ТИТАНОВЫХ ЛЕНТ ПУТЕМ
КОНСОЛИДАЦИИ ПОРОШКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ
АСИММЕТРИЧНОЙ ПРОКАТКИ
Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины
Статья поступила в редакцию 26 сентября 2016 года
Приведены результаты механических испытаний титановых лент, изготовленных
путем прокатки порошка. Полученные данные свидетельствуют о преимуществах
асимметричной прокатки по сравнению с симметричной. Установлено, что после
асимметричной прокатки сырая прочность полос в 5 раз выше. После спекания
механические свойства порошковых полос сопоставимы с аналогами, полученными
прокаткой компактного материала. Дополнительный подкат с использованием
асимметричной прокатки позволил изготовить деформированные ленты, которые
по прочности и пластичности превосходят аналогичные изделия, полученные по
традиционной технологии. Проанализирована роль сдвиговых деформаций в фор-
мировании контактов для изделий порошкового генезиса. Рассмотрены преиму-
щества и недостатки асимметричной прокатки, а также место этой схемы де-
формирования в общей методологии интенсивной пластической деформации
(ИПД).
Ключевые слова: титановые полосы, порошок, асимметричная прокатка, проч-
ность, пластичность
Наведено результати механічних випробувань титанових стрічок, виготовлених
шляхом прокатки порошку. Отримані дані свідчать про переваги асиметричної
прокатки у порівнянні з симетричною. Встановлено, що після асиметричної про-
катки сира міцність смуг у 5 разів вище. Після спікання механічні властивості по-
рошкових смуг співставні з аналогами, отриманими прокаткою компактного ма-
теріалу. Додатковий підкат з використанням асиметричної прокатки дозволив
виготовити деформовані стрічки, які за міцністю та пластичністю переважа-
ють аналогічні вироби, що отримані за традиційною технологією. Проаналізовано
роль зсувних деформацій у формуванні контактів для виробів порошкового генези-
су. Розглянуто переваги та недоліки асиметричної прокатки, а також місце цієї
схеми деформування в загальній методології інтенсивної пластичної деформації
(IПД).
Ключовi слова: титанові стрічки, порошок, асиметрична прокатка, міцність, плас-
тичність
Поскольку наиболее распространенные схемы ИПД: равноканальное уг-
ловое прессование (РКУП) [1,2] и винтовая экструзия [3] – имеют
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
6
существенные ограничения в промышленном применении из-за сравнитель-
но малого размера получаемых изделий, в последние годы значительно воз-
рос интерес к разработке промышленных комбинированных схем ИПД.
Среди них особое место занимает схема асимметричной прокатки, которая
позволяет создать в образце сложное напряженное состояние, где интенсив-
ный сдвиг совмещен с редукцией образца, характерной для традиционной
прокатки. При такой схеме деформирования суперпозиция трансляционной
и ротационной мод возникает непосредственно в процессе прокатки. Проис-
ходит включение дополнительного канала размножения дислокаций, что
позволяет значительно повысить концентрацию дефектов, которые прини-
мают участие в структурообразовании.
Первые работы в этом направлении [4,5] продемонстрировали несомнен-
ную перспективность комбинированных схем ИПД. Однако существенного
выигрыша в механических свойствах по сравнению с традиционными схе-
мами обнаружено не было, что свидетельствовало о необходимости тща-
тельного подбора параметров деформирования. Лишь в последние годы по-
явились работы, которые продемонстрировали значительное преимущество
технологии асимметричной прокатки. Жу с сотр. [6] на титановых образцах,
продеформированных по этой схеме, получили рекордно высокую проч-
ность, которая сочетается с большой равномерной деформацией. Аномально
высокие свойства сырых (неспеченных) лент из прокатанного порошкового
титана были продемонстрированы в работах [7,8].
Цель работы – познакомить читателей с нашими последними данными по
механическому поведению титановых лент, полученных асимметричной
прокаткой из порошковых и компактных титановых образцов, и продемон-
стрировать преимущества этой схемы деформирования.
Cуть технологии асимметричной прокатки заключается в деформирова-
нии полосы с использованием валков одинакового диаметра, которые вра-
щаются с различными скоростями V2 > V1, или деформирование валков раз-
ного диаметра, когда при одинаковой радиальной скорости разница в
окружных скоростях реализуется за счет разного диаметра валков. Это при-
водит к появлению в очаге деформации противоположно направленных сил
контактного трения, которые вызывают в пластической области дополни-
тельные сдвиговые деформации, благодаря чему значительно снижается
усилие прокатки, более равномерно распределяется давление по длине очага
деформации, улучшается качество проката.
Методом асимметричной прокатки с использованием валков разного
диаметра были продеформированы титановые образцы двух видов: одни
были сформованы из титанового порошка ПТЭС с последующей комбина-
цией спекания и уплотняющих прокаток, другие представляли собой прямо-
угольные деформированные титановые заготовки, полученные методом
РКУП. На различных технологических этапах полуфабрикаты испытывали
на одноосное растяжение или четырехточечный изгиб и проводили сравни-
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
7
тельный анализ механического поведения образцов, полученных по разным
схемам. После завершения всех операций процесса деформирования сравни-
вали механические свойства титановых полос с существующими аналогами,
полученными по другим технологиям.
Изучение режимов формова-
ния порошковых заготовок и
последующих уплотняющих
прокаток спеченных порошко-
вых полос проводили на стане
ДУО, используя валки с калиб-
ровкой (рис. 1). Это позволяло
формовать и уплотнять порош-
ковую полосу в условиях как
симметричной, так и асиммет-
ричной прокатки без изменения
геометрических параметров
очагов деформации. Данный
стан применяли и при дефор-
мировании титановых загото-
вок, полученных методом
РКУП. Коэффициент рассогла-
сования при асимметричной
прокатке составлял 1.25.
В работах М.Б. Штерна с сотр. [9–11] для компактирования порошка ис-
пользована технология винтовой экструзии, разработанная в ДонФТИ
НАНУ Я.Е. Бейгельзимером с сотр. [3]. В наших работах [5,7] показано, что
асимметричная прокатка по сравнению с симметричной позволяет получать
более плотные заготовки, обладающие повышенной прочностью в неспе-
ченном состоянии. Следующий шаг совершенствования этой схемы был
направлен на увеличение нормальных контактных напряжений, что достига-
лось предварительным сжатием валкового узла нажимными винтами. Отсчет
предварительного сжатия вели от нулевого зазора между валками с шагом
0.5 оборота нажимного винта. Фиксацию общего усилия прокатки осу-
ществляли с помощью месдоз, установленных под нажимными винтами.
Проведен сравнительный анализ влияния этого фактора на силовые пара-
метры прокатки и свойства полос, полученных симметричной и асиммет-
ричной прокаткой.
Эксперименты по фиксации общего усилия при предварительном сжатии
валкового узла и усилий прокатки показали, что уменьшение зазора между
валками за счет предварительного сжатия валкового узла нажимным винтом
приводит к росту усилия прокатки (рис. 2). Величина общего усилия при
асимметричной прокатке меньше, чем при симметричной прокатке для
идентичных условий. При этом разница усилий слабо изменяется с увеличе-
Рис. 1. Схема калибровки валков стана ДУО:
1, 2 − калибры соответственно для симмет-
ричной и асимметричной прокатки
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
8
нием усилия сжатия винтов. Это можно объяснить сохранением геометриче-
ских параметров очага деформации и соответственно сохранением величины
промежуточной зоны, в которой действуют тангенциальные напряжения,
определяющие сдвиговые деформации, отвечающие за реализацию ротаци-
онного механизма деформации.
0 4 8 12 16
0
100
200
300
1
2
P
to
ta
l,
k
N
P
compr
, kN
Рис. 2. Зависимость общего усилия при прокатке от усилия предварительного сжа-
тия валков: 1, 2 − общее усилие соответственно при симметричной и асимметрич-
ной прокатке
Рис. 3. Разрушение листа титана вследствие перепрессовки при симметричной про-
катке
Одной из особенностей прокатки порошковых объектов является измене-
ние объема деформируемого листа. При прокатке сыпучих тел угол прокат-
ки устанавливается самопроизвольно. Он зависит от свойств порошка и
условий прокатки, при этом его величина в несколько раз (особенно при
прокатке гранул) превышает угол тонколистовой прокатки компактного ма-
териала. При симметричной прокатке изменение угловых параметров на
обоих валках соответствует их зеркальному отражению. Плоскость раздела
зон отставания и опережения при вертикальной прокатке параллельна плос-
кости по линии центров валков.
При исследовании силовых параметров процесса асимметричной прокат-
ки порошков [7] были установлены различия как в конфигурации очага де-
формации при замерах нормальных контактных напряжений на каждом из
валков, так и в величине самих нормальных контактных напряжений на вал-
ках большого Db и меньшего Ds диаметров. При всех соотношениях диамет-
ров валков, начиная с Db/Ds = 1.12 и выше, максимальное контактное нор-
мальное напряжение на ведомом (меньшем) валке всегда больше, чем на ве-
дущем (большем). Проведенный в работе [12] анализ эпюр нормального
контактного напряжения для асимметричной прокатки с рассогласованием
1.32 и 1.42 показал, что с ростом величины рассогласования происходит
увеличение дуги контакта (соответственно 17 и 22 deg) и протяженности
промежуточной зоны (2.8 и 8 deg), в которой тангенциальные составляющие
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
9
направлены навстречу. Рост промежуточной зоны ведет к увеличению про-
валов на суммарной эпюре нормального контактного напряжения и, как
следствие, к уменьшению общего давления прокатки.
Согласно данным, приведенным в работе [13], параметры очага деформа-
ции при асимметричной прокатке определяются геометрией валков и степе-
нью их рассогласования. Величина промежуточной зоны, в которой дей-
ствуют тангенциальные напряжения, формирующие сдвиговые деформации,
ответственные за реализацию их ротационного механизма, зависит только от
геометрических параметров очага деформации.
При выбранной геометрии прокатки повлиять на уплотнение полосы
можно за счет изменения трансляционного механизма деформации, который
определяется нормальными контактными напряжениями. Сравнительный
анализ процесса уплотнения полос при симметричной и асимметричной
прокатке [7] показывает, что при традиционной (симметричной) прокатке
требуется большее максимальное контактное нормальное напряжение для
получения лент такой же плотности. При асимметричной прокатке эффект
снижения контактного давления проявляется как на большом, так и на ма-
лом валках. Это приводит к уменьшению общего усилия прокатки по асим-
метричной схеме. Данные, приведенные на рис. 2, подтверждают наши
предыдущие результаты и свидетельствуют о выигрыше в силовых парамет-
рах процесса деформирования при использовании метода асимметричной
прокатки.
Недостатком использования процесса симметричной прокатки по сравне-
нию с асимметричной является ограничение по максимальной плотности
формуемой полосы. Уменьшение зазора между валками позволяет увели-
чить плотность проката при симметричной прокатке, однако может приве-
сти к «перепрессовке» [14] и вызвать образование трещин, а в некоторых
случаях – полную деструкцию полосы (рис. 3). Подобное явление можно
объяснить возникновением растягивающих напряжений при уширении, ко-
торые превышают прочность сырой порошковой полосы. Асимметричная
прокатка требует меньших усилий, не вызывающих разрушения лент при
прочих равных условиях формования, что позволяет избежать явления «пе-
репрессовки» проката.
Сравнение плотности неспеченных прокатанных полос показало, что по-
сле асимметричной прокатки плотность полос превышает плотность полос,
полученных традиционным способом. Максимальная плотность при асим-
метричной прокатке достигается при меньших усилиях.
Фрактографические исследования поверхностей разрушения сырых по-
рошковых полос, сформованных симметричной и асимметричной прокат-
кой, свидетельствуют, что разрушение в обоих случаях происходит по меж-
частичному механизму (рис. 4). В образцах, полученных симметричной про-
каткой, форма частиц порошка практически не изменяется, и наблюдается
остаточная пористость (рис. 4,а). Применение асимметричной прокатки
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
10
приводит к значительной деформации частиц порошка в направлении про-
катки под действием тангенциальных напряжений, а также к уменьшению
пористости проката (рис. 4,б).
а б
Рис. 4. Структура поверхности разрушения проката, сформованного симметричной
(а) и асимметричной (б) прокаткой
Как показали исследования влия-
ния величины предварительного сжа-
тия валков на механические свойства
сырого проката (рис. 5), при всех ре-
жимах деформирования свойства ма-
териала, сформованного асимметрич-
ной прокаткой, значительно выше.
Прочность неспеченных полос, по-
лученных асимметричной прокаткой,
выше, чем у изготовленных по тради-
ционной технологии, в 3–5 раз, а при
максимальных сжимающих усилиях
на валках – более чем в 10 раз. Эти
самые прочные, сырые полосы спека-
ли при температуре 1000°C, после чего подвергали уплотняющей симмет-
ричной прокатке c обжатиями 20, 40 и 60% для устранения остаточной по-
ристости. Полученные полосы снова отжигали при температуре спекания
1000°C в течение 1 h. Вырезанные из них образцы испытывали на одноосное
растяжение. В табл. 1 представлены основные механические характеристики
полос: σ001, σ02 – пределы соответственно упругости и текучести, σalt – мак-
симальное напряжение, δunif – равномерная деформация, – относительное
сужение.
Данные таблицы свидетельствуют, что повторная уплотняющая прокатка
позволяет улучшить механические свойства материала, при этом возрастают
и прочность, и пластичность полос. Следует отметить, что механические
Рис. 5. Результаты испытаний на изгиб
сырых полос, сформованных асиммет-
ричной (1) и симметричной (2) прокат-
кой
0 4 8 12 16
0
10
20
30
40
50
60
70
2
1
M
P
a
P
compr
, kN
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
11
свойства растут с увеличением степени деформации и достигают максимума
при обжатии в пределах 20–40%. Дальнейшее повышение обжатия до 60%
не приводит к улучшению механических характеристик. По комплексу ме-
ханических свойств в оптимальных структурных состояниях исследуемые
образцы не уступают компактному титану, полученному по традиционным
технологиям, для которого σ02 ~ 300 MPa, а δ ~ 26%.
Таблица 1
Механические свойства титанового проката после уплотняющей прокатки
Дополнительная
деформация, %
σ001 σ02 σalt δunif
MPa %
0 233 273.5 349 30 55
20 259 281.4 359.5 36.9 74.2
40 269 303 379.5 28 76
60 268.5 290.8 373.4 28.8 66.1
Далее нами были проанализированы возможности использования асим-
метричной прокатки для изготовления деформированных порошковых тита-
новых полос. Для этого такие же, как в предыдущем эксперименте, сырые
порошковые титановые полосы, полученные асимметричной прокаткой,
спекали при температуре 1000C. Затем образцы повторно подвергали сим-
метричной и асимметричной прокатке. Степень деформации для обеих схем
составила 73%. Полученные тонкие (0.35 m) деформированные титановые
полосы испытывали на одноосное растяжение в продольном и поперечном
направлениях.
Таблица 2
Механические свойства деформированной ( = 73%) титановой полосы
Схема прокатки,
направление
alt σ02 σ001 δunif δtotal
MPa %
Симметричная,
продольное
поперечное
720
669
670
618
630
600
1.45
0.23
2.15
0.23
Асимметричная,
продольное
поперечное
780
700
745
682
719
655
4.9
2.4
7.76
2.4
Результаты механических испытаний представлены в табл. 2. Из таблицы
видно, что прочность полос, продеформированных асимметричной прокат-
кой, выше, чем у продеформированных симметричной прокаткой. Это сви-
детельствует о целесообразности применения схемы асимметричной про-
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
12
катки для получения порошковых титановых полос. Если такую схему ис-
пользовать только на стадии формования порошковой полосы, а в дальней-
шем деформирование осуществлять с помощью симметричной прокатки, то
свойства полученных изделий лишь приближаются к свойствам литых ком-
пактных полос. Для достижения сопоставимых свойств в этом случае требу-
ется меньше дополнительных прокаток, чем при традиционной порошковой
технологии [15]. Если же асимметричная прокатка используется на стадиях
как формования порошковой полосы, так и упрочняющих прокаток, то ее
механические свойства превышают характеристики не только аналога, изго-
товленного по традиционной порошковой технологии, но и компактных ти-
тановых полос, полученных из литого материала.
Преимущества использования асимметричной прокатки при деформиро-
вании порошковых полос демонстрируют результаты фрактографического
анализа.
а б
в г
Рис. 6. Поверхность разрушения порошковых титановых полос, испытанных на
одноосное растяжение при использовании прокатки: а, б − симметричной соответ-
ственно в продольном и поперечном направлениях; в, г − асимметричной соответ-
ственно в продольном и поперечном направлениях
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
13
На поверхности излома образцов, докатанных по симметричной схеме
(рис. 6,а,б), хотя и обнаружено преимущественно ямочное разрушение, но
явно прослеживаются следы пор и участки межчастичного разрушения, сви-
детельствующие о порошковом генезисе структуры прокатанных лент. При
использовании асимметричной прокатки разрушение образца, испытанного
в продольном направлении (рис. 6,в), практически полностью ямочное внут-
рикристаллитное. Обнаруженное различие в формировании излома объясня-
ется тем, что после спекания при 1000C физический контакт между поро-
шинками в полуфабрикатах сформирован не полностью и последующая
низкотемпературная деформация симметричной прокаткой не приводит к
его дальнейшему усовершенствованию.
При асимметричной прокатке происходит дальнейшее совершенствова-
ние контакта. Причиной, как и на стадии консолидации, является наличие
сдвиговой компоненты деформации, характерной для данной схемы прокат-
ки. Интересно, что образец, изготовленный по этой схеме в поперечном
направлении прокатки, проявляет некоторую склонность к межчастичному
разрушению (рис. 6,г). Это, по-видимому, связано с тем, что сдвиговая де-
формация развивается вдоль направления прокатки и локализованный сдвиг
происходит в первую очередь в межчастичных границах, расположенных в
этом же направлении. Важно, что при асимметричной прокатке не только
прочностные, но и пластические характеристики оказываются выше, чем у
компактного титана.
В наших работах [16,17], посвященных влиянию степени деформации на
равномерную деформацию unif титана, полученного по литейной техноло-
гии, было показано, что в сильнодеформированных титановых листах вели-
чина unif не превышает 1.5% из-за сильной структурной и кристаллографи-
ческой анизотропии. В материалах, полученных методами ИПД, такое влия-
ние значительно меньше, и, как показал Р.З. Валиев [18], в этом случае
сильнодеформированный титан может демонстрировать достаточно боль-
шую величину unif. Ж. Жу с сотр. [6] показал, что компактный титан, про-
деформированный асимметричной прокаткой до большой степени деформа-
ции, демонстрирует не только высокое упрочнение, но и сравнительно
большую равномерную деформацию (δunif = 6%). Из данных, представлен-
ных в табл. 2, видно, что после асимметричной прокатки порошкового тита-
на равномерная деформация существенно выше, чем после симметричной.
Для образцов, испытанных в продольном направлении, ее величина близка к
значениям, полученным Ж. Жу на компактном титане.
Характеристика равномерной деформации является критериальным па-
раметром для оценки деформационной способности листов (deformoability)
на стадии предания листовым изделиям сложной формы (путем штамповки,
глубокой вытяжки и т.п.). Поэтому возможность управления этой характе-
ристикой за счет совершенствования схемы прокатки имеет важное практи-
ческое значение.
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
14
Эти соображения, а также результаты упомянутой работы Ж. Жу с сотр.
[6] и наши экспериментальные данные, полученные на порошковых лентах,
предопределили направленность последующего эксперимента с использова-
нием асимметричной прокатки. Нами было проведено сравнение механиче-
ских свойств на образцах титана литейного генезиса, отвечающих составу
сплава ВТ1-0, прокатанных по асимметричной и симметричной схемам.
Чтобы не повторять результаты работы [6], мы изменили исходные условия
и вместо рекристаллизованного титана прокатывали прямоугольные образ-
цы 14 14 150 mm, подвергнутые РКУП при комнатной температуре за 6
проходов по схеме BC [18].
Именно такие образцы были исследованы нами ранее [19] при анализе
влияния степени деформации симметричной прокаткой на механические
свойства титановых полос, предварительно подвергнутых РКУП. В этой ра-
боте механические испытания проводили на растяжение и сжатие в трех
различных направлениях. Результаты настоящей работы позволяют допол-
нить полученные ранее данные благодаря применению дополнительной
асимметричной схемы прокатки и увеличению степени деформации. В экс-
периментах, описанных в [19], образец высотой 14 mm разрезали вдоль
длинной оси на заготовки 8 и 6 mm и деформировали методом симметрич-
ной прокатки до толщины 4 mm, относительная деформация составляла
соответственно 33 и 50%, а истинная деформация е = 0.40 и 0.7. В предлага-
емом эксперименте 2 образца высотой 14 mm прокатывали до толщины
4 mm: один – по симметричной, а другой – по асимметричной схеме. Отно-
сительная деформация = 71.5%, истинная деформация е = 1.25. Результаты
испытаний на сжатие представлены в табл. 3.
Как видно из таблицы, испытания на одноосное сжатие подтверждают
выводы предыдущей работы о том, что механическое поведение образцов,
продеформированных по комбинированной схеме, такое же, как у рекри-
сталлизованных образцов, продеформированных прокаткой до разных сте-
пеней деформации [19]. При увеличении степени деформации предел теку-
чести постоянно повышается, причем наибольший рост демонстрируют об-
разцы, сжатые в направлении Z. Коэффициенты линейного упрочнения θVI в
направлениях Х и Z постоянно снижаются с ростом деформации, что связано
с увеличением анизотропии. В направлении Y этот параметр изменяется сла-
бее ввиду незначительного варьирования поперечных размеров листа.
Новые данные по симметричной и асимметричной прокатке находятся в
полном соответствии с предыдущими результатами и лишь дополняют об-
щую картину. Как было показано нами в работе [17], в деформированных
материалах низок показатель линейного упрочнения при сжатии – предвест-
ник их быстрой локализации при растяжении. В отличие от РКУП-образца,
для которого значения показателя упрочнения высоки и по всем направле-
ниям соизмеримы с пределом текучести [17,20], в образцах после дополни-
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
15
тельной прокатки эти показатели резко падают, достигая при больших де-
формациях отрицательных значений.
Таблица 3
Обобщенные результаты параметров упрочнения образцов титана,
продеформированных РКУП и дополнительно прокатанных до разных
степеней деформации
Деформирование
Направление
сжатия
Механические свойства,
MPa
02 10 θVI
РКУП
e = 0.4
X 742 910 530
Y 769 890 500
Z 998 1065 –
e = 0.7
X 665 930 195
Y 865 1015 400
Z 1200 1298 –
Дополнительная
прокатка,
e = 1.25
симметричная
X 788 950 –500
Y 874 1129 703
Z 1154 1231 –
асимметричная
X 727 847 –400
Y 771 928 226
Z 1170 1207 –
Примечание. Направления сжатия: X, Y – соответственно вдоль и перпендику-
лярно направлению прокатки, Z – вдоль направления редукции.
Обращает на себя внимание, что после асимметричной прокатки образцы
демонстрируют более низкие, чем после симметричной, значения предела
текучести и деформирующего напряжения при 10% деформации (10) по
всем направлениям сжатия. Более того, при испытаниях на растяжение
(рис. 7) номинальные кривые нагружения образца, продеформированного
симметричной прокаткой, выше, чем у подвергнутого асимметричной про-
катке.
В табл. 4 представлены результаты механических испытаний на растяже-
ние исследованных образцов. Здесь кроме стандартных механических ха-
рактеристик (02 – предел текучести, alt – предел прочности, δunif – равно-
мерное удлинение, − относительное сужение) представлены значения па-
раметров деформационного упрочнения: ist – истинное напряжение в мо-
мент разрушения, еfr – истинная деформация разрушения, а также значения
модуля пластичности N, который рассчитывается из истинной диаграммы
нагружения по формуле
ist alt fr unif
i iN e e ,
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
16
где alt
i и unif
ie – истинные значения соответственно предела прочности и
равномерной деформации в момент шейкообразования.
Таблица 4
Механические характеристики исследованных образцов, испытанных на
одноосное растяжение
Схема деформи-
рования
02 alt ist
еfr , % N, MPa
δunif,
%
02/N
MPa
РКУП 582 685 1139 0.98 60.4 544 4.5 0.81
РКУП + СП 890 960 1468 0.93 62.5 546.2 3 0.61
РКУП + АСП 809 890 1520 1.25 71.3 558.8 2.7 0.62
Примечание. СП, АСП – соответственно симметричная и асимметричная про-
катка.
Следует обратить внимание, что
образец, подвергнутый только
РКУП, существенно уступает по
прочности дополнительно прокатан-
ным образцам. Что касается равно-
мерного удлинения, то для обоих
типов прокатки его величина при-
мерно одинакова (δunif ~ 3%) и не-
сколько ниже, чем после РКУП
(δunif = 4.5%). Спад диаграммы
(рис. 7) на стадии шейкообразования
у РКУП-образца значительно менее
пологий, чем у дополнительно про-
катанных, что косвенно свидетель-
ствует о существенно более высоком
коэффициенте линейного упрочнения при растяжении. Это подтверждается
расчетом модуля пластичности. Хотя рассчитанные значения для всех ис-
следованных случаев примерно одинаковы: N ~ 550 MPa, отношение этой
величины к пределу текучести у образца, подвергнутого только РКУП, су-
щественно выше и приближается к единице, что, как показано нами в работе
[17], свидетельствует о малой склонности РКУ-титана к локализации. У об-
разцов, дополнительно продеформированных симметричной или асиммет-
ричной прокаткой, это отношение значительно ниже: N ~ 0.6, поэтому об-
разцы, находящиеся в таких структурных состояниях, локализуются быст-
рее.
Совокупность данных, полученных при одноосных растяжении и сжатии,
свидетельствует о том, что в описанном случае дополнительная симметрич-
ная или асимметричная прокатка в равной мере понижает деформационную
Рис. 7. Номинальные кривые растяжения
деформированных образцов титана: 1 −
РКУП; 2 − РКУП + симметричная про-
катка, е = 1.25; 3 − РКУП + асимметриче-
ская прокатка, е = 1.25
0.00 0.05 0.10 0.15
0
200
400
600
800
1000
1
2
3
,
M
P
a
e
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
17
способность ИПД-образца. С другой стороны, максимальная нагрузка про-
катных образцов существенно выше, чем у подвергнутых РКУП, что под-
тверждает известное положение о положительном влиянии прокатки именно
на этот параметр.
Все эксперименты (сжатие по трем плоскостям и одноосное растяжение)
указывают на более низкие значения напряжения после асимметричной про-
катки. Это принципиальное отличие полученных результатов от данных ра-
боты [6] можно объяснить несколько иными параметрами асимметричной
прокатки по сравнению с используемыми в цитируемой работе. Однако есть
и другое объяснение, более важное с точки зрения развития теории ИПД.
Напомним, что при интенсивной деформации, например прессовании углом,
прирост упрочнения наблюдается лишь на первых проходах. Так, после
прессования по схеме ВC прирост происходит только по достижении 6 про-
ходов (по два в трех взаимно перпендикулярных направлениях), а последу-
ющие проходы практически не влияют на повышение прочности. По-
видимому, интенсивные сдвиговые деформации по всем направлениям при-
водят к насыщению упрочнения уже на стадии РКУП. При асимметричной
прокатке также реализуется сдвиговая компонента, поэтому будучи реали-
зованной в образце, где вклад этой компоненты в упрочнение исчерпан, ее
положительное действие нивелируется настолько, что продеформированный
по данной схеме материал начинает проигрывать по комплексу свойств даже
обычной прокатке.
Таким образом, представленные результаты механических испытаний
свидетельствуют о несомненной перспективности использования метода
асимметричной прокатки для получения титановых полос. Однако следует
учитывать, что при использовании данной схемы распределение напряже-
ний деформаций значительно сложнее, чем при симметричной прокатке.
Для получения оптимальных структур и максимальных механических ха-
рактеристик требуется тщательный выбор параметров деформирования, ос-
нованный на глубоком понимании процессов, происходящих в очаге дефор-
мации при такой схеме ИПД.
1. В.М. Сегал, В.И. Резников, В.И. Копылов, Д.А. Павлик, В.Ф. Малышев, Процессы
пластического структурирования металлов, Навука і тэхніка, Минск (1994).
2. V.I. Kopylov, Proc. of NATO ARW, Moscow, Russia (1999), p. 23.
3. Y. Beygelzimmer. V. Varyukhin, D. Orlov, in: Proc. 2nd Int. Symp., Los Alamos Na-
tional Laboratory Edition, Los Alamos (2002), pp. 234–238.
4. Е.Г. Пашинская, Физико-механические основы измельчения структуры при
комбинированной пластической деформации, Вебер, Донецк (2009).
5. К.А. Гогаев, В.С. Воропаев, Д.Г. Вербило, М.И. Даниленко, Ю.Н. Подрезов,
ФТВД 17, № 1, 103 (2007).
6. Yu. Zhu, X. Wu, G. Wu, M. Yang, M. Yang, Yu. Wei, X. Huang, PNAS 112, 14501
(2015).
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
18
7. К.А. Гогаев, В.С. Воропаев, Ю.Н. Подрезов, Д.Г. Вербило, О.С. Коряк, Порош-
ковая металлургия № 9/10, 11 (2012).
8. Ю.Н. Подрезов, Д.Г. Вербило, Я.И. Евич, ФТВД 24, № 1, 98 (2014).
9. Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн, Е. Олевский,
ФТВД 18, № 1, 69 (2008).
10. Я.Е. Бейгельзимер, О.В. Михайлов, А.С. Сынков, М.Б. Штерн, ФТВД 18, № 3, 92
(2008).
11. Я.Е. Бейгельзимер, М.Б. Штерн, Т.А. Епифанцева, А.С. Сынков, ФТВД 19, № 3,
120 (2009).
12. В.С. Воропаев, Технологические системы № 4 (61), 28 (2012).
13. К.А. Гогаев, Г.Я. Калуцкий, В.С. Воропаев, Порошковая металлургия № 5/6, 35
(2009).
14. Г.А. Виноградов, В.П. Каташинский, Теория листовой прокатки металлических
порошков и гранул, Металлургия, Москва (1979).
15. К.А. Гогаев, В.А. Назаренко, В.А. Воропаев, Ю.Н. Подрезов, Д.Г. Вербило,
А.Ю. Окунь, Порошковая металлургия № 11/12, 51 (2009).
16. Ю.Н. Подрезов, Н.И. Даниленко, Е.Н. Борисовская, Н.П. Бродниковский,
Н.В. Минаков, С.А. Фирстов, Металлофиз. новейшие технол. 26, 659 (2004).
17. Ю.Н. Подрезов, В.И. Даниленко, Н.И. Даниленко, ФТВД 25, № 2, 90 (2015).
18. R.Z. Valiev, T.G. Langdon, Progress in Materials Science 51, 881 (2006).
19. Ю.Н. Подрезов, Е.М. Борисовская, Д.Г. Вербило, В.А. Писаренко, Я.И. Евич,
В.И. Копылов, ФТВД 17, № 2, 110 (2007).
20. Ю.Н. Подрезов, В.И. Даниленко, в сб.: Электронная микроскопия и прочность
материалов, ИПМ НАН Украины, Киев (2009), вып. 16, с. 67–78.
K.O. Gogaev, V.S. Voropaev, Yu.N. Podrezov, Ya.I. Yevych, V.I. Danilenko
PRODUCTION OF HIGHSTRENGTH TITANIC STRIPS BY
CONSOLIDATION OF POWDER USING TECHNOLOGY OF
ASYMMETRICAL ROLLING
The results of mechanical tests of titanium strips obtained by rolling of a powder are re-
ported. The obtained data demonstrate the advantage of asymmetric rolling as compared
to the symmetric one. It is found that after asymmetric rolling, the «green» strength of the
strips is 5 times higher. After the sintering, the mechanical properties of powder strips are
comparable with those obtained by rolling of compacts. Additional rolling by using of an
asymmetric scheme gives an opportunity to obtain deformed tapes characterized by
strength and ductility exceeding those of similar tapes obtained by the conventional tech-
nology. The role of shear deformation in the formation of contacts in the products of
powder genesis is analyzed. The advantages and disadvantages of asymmetric rolling are
discussed. The place of this scheme in general methodology of severe plastic deformation
is determined.
Keywords: titanium strips, powder, asymmetric rolling, strength, ductility
Fig. 1. Scheme of roll grooving of the DUO mill: 1, 2 − roll grooves for the symmetric
and asymmetric rolling, respectively
Физика и техника высоких давлений 2016, том 26, № 3–4
19
Fig. 2. Preliminary compression load dependence of the total compression load: 1, 2 −
total compression load in the course of symmetric and asymmetric rolling, respectively
Fig. 3. Fracture of a titanium leaf because of overpress in the course of symmetric rolling
Fig. 4. Structure of the fracture surface of a rolled stock formed by symmetric (а) and
asymmetric (б) rolling
Fig. 5. Results of flexure tests of green stripes formed by asymmetric (1) and symmetric
(2) rolling
Fig. 6. Fracture surface of powder titanium stripes after uniaxial tensile tests after the
rolling: а, б − symmetric rolling in longitudinal and transversal direction, respectively; в,
г − asymmetric rolling in longitudinal and transversal direction, respectively
Fig. 7. Nominal elongation curves of deformed titanium samples: 1 − ECAP; 2 − ECAP +
symmetric rolling, е = 1.25; 3 − ECAP + asymmetric rolling, е = 1.25
|