Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации
Исследованы пути повышения прочностных свойств в двухфазном титановом сплаве Ti−6Al−4V интенсивной пластической деформацией (ИПД) и термомеханической обработкой. Установлено, что интенсивное измельчение структуры в сплаве на стадии равноканального углового прессования (РКУП) дает основной вклад в ег...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Datum: | 2004 |
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2004
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168094 |
| 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: | Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации / Л.Р. Саитова, И.П. Семенова, Г.И. Рааб, Р.З. Валиев // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 19-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-168094 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Саитова, Л.Р. Семенова, И.П. Рааб, Г.И. Валиев, Р.З. 2020-04-21T17:58:16Z 2020-04-21T17:58:16Z 2004 Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации / Л.Р. Саитова, И.П. Семенова, Г.И. Рааб, Р.З. Валиев // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 19-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.−z https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168094 Исследованы пути повышения прочностных свойств в двухфазном титановом сплаве Ti−6Al−4V интенсивной пластической деформацией (ИПД) и термомеханической обработкой. Установлено, что интенсивное измельчение структуры в сплаве на стадии равноканального углового прессования (РКУП) дает основной вклад в его прочность. Показано, что изменение исходной микроструктуры перед РКУП оказывает значительное влияние на последующее структурообразование и механические свойства. Низкотемпературная экструзия РКУП-заготовок приводит к дополнительному измельчению структуры, накоплению дефектов кристаллической решетки, что обусловливает в итоге упрочнение сплава почти на 40% по сравнению с отожженным состоянием. The methods of strength enhancement in two-phase titanium alloy Ti−6Al−4V using severe plastic deformation (SPD) and thermomechanical treatment have been investigated. It was established that structure refinement by ECAP enabled to enhance greatly the alloy strength. The change of the initial structure before ECAP is shown to have a great effect on the consequent structure formation and mechanical properties. Low-temperature extrusion of ECAP-billets results in an additional structure refinement, accumulation of crystalline lattice defects, which enabled to increase the strength of the alloy by about 40% in comparison with the annealed state ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации Підвищення механічних властивостей сплавів Ti−6Al−4V методами рівноканального кутового пресування і подальшої пластичної деформації Improvement of mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy by methods of equalchannel angular pressing followed by plastic deformation Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации |
| spellingShingle |
Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации Саитова, Л.Р. Семенова, И.П. Рааб, Г.И. Валиев, Р.З. |
| title_short |
Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации |
| title_full |
Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации |
| title_fullStr |
Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации |
| title_full_unstemmed |
Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации |
| title_sort |
повышение механических свойств сплава ti−6al−4v способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации |
| author |
Саитова, Л.Р. Семенова, И.П. Рааб, Г.И. Валиев, Р.З. |
| author_facet |
Саитова, Л.Р. Семенова, И.П. Рааб, Г.И. Валиев, Р.З. |
| publishDate |
2004 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Підвищення механічних властивостей сплавів Ti−6Al−4V методами рівноканального кутового пресування і подальшої пластичної деформації Improvement of mechanical properties of Ti-6Al-4V alloy by methods of equalchannel angular pressing followed by plastic deformation |
| description |
Исследованы пути повышения прочностных свойств в двухфазном титановом сплаве Ti−6Al−4V интенсивной пластической деформацией (ИПД) и термомеханической обработкой. Установлено, что интенсивное измельчение структуры в сплаве на стадии равноканального углового прессования (РКУП) дает основной вклад в его прочность. Показано, что изменение исходной микроструктуры перед РКУП оказывает значительное влияние на последующее структурообразование и механические свойства. Низкотемпературная экструзия РКУП-заготовок приводит к дополнительному измельчению структуры, накоплению дефектов кристаллической решетки, что обусловливает в итоге упрочнение сплава почти на 40% по сравнению с отожженным состоянием.
The methods of strength enhancement in two-phase titanium alloy Ti−6Al−4V using severe plastic deformation (SPD) and thermomechanical treatment have been investigated. It was established that structure refinement by ECAP enabled to enhance greatly the alloy strength. The change of the initial structure before ECAP is shown to have a great effect on the consequent structure formation and mechanical properties. Low-temperature extrusion of ECAP-billets results in an additional structure refinement, accumulation of crystalline lattice defects, which enabled to increase the strength of the alloy by about 40% in comparison with the annealed state
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/168094 |
| citation_txt |
Повышение механических свойств сплава Ti−6Al−4V способами равноканального углового прессования и последующей пластической деформации / Л.Р. Саитова, И.П. Семенова, Г.И. Рааб, Р.З. Валиев // Физика и техника высоких давлений. — 2004. — Т. 14, № 4. — С. 19-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT saitovalr povyšeniemehaničeskihsvoistvsplavati6al4vsposobamiravnokanalʹnogouglovogopressovaniâiposleduûŝeiplastičeskoideformacii AT semenovaip povyšeniemehaničeskihsvoistvsplavati6al4vsposobamiravnokanalʹnogouglovogopressovaniâiposleduûŝeiplastičeskoideformacii AT raabgi povyšeniemehaničeskihsvoistvsplavati6al4vsposobamiravnokanalʹnogouglovogopressovaniâiposleduûŝeiplastičeskoideformacii AT valievrz povyšeniemehaničeskihsvoistvsplavati6al4vsposobamiravnokanalʹnogouglovogopressovaniâiposleduûŝeiplastičeskoideformacii AT saitovalr pídviŝennâmehaníčnihvlastivosteisplavívti6al4vmetodamirívnokanalʹnogokutovogopresuvannâípodalʹšoíplastičnoídeformacíí AT semenovaip pídviŝennâmehaníčnihvlastivosteisplavívti6al4vmetodamirívnokanalʹnogokutovogopresuvannâípodalʹšoíplastičnoídeformacíí AT raabgi pídviŝennâmehaníčnihvlastivosteisplavívti6al4vmetodamirívnokanalʹnogokutovogopresuvannâípodalʹšoíplastičnoídeformacíí AT valievrz pídviŝennâmehaníčnihvlastivosteisplavívti6al4vmetodamirívnokanalʹnogokutovogopresuvannâípodalʹšoíplastičnoídeformacíí AT saitovalr improvementofmechanicalpropertiesofti6al4valloybymethodsofequalchannelangularpressingfollowedbyplasticdeformation AT semenovaip improvementofmechanicalpropertiesofti6al4valloybymethodsofequalchannelangularpressingfollowedbyplasticdeformation AT raabgi improvementofmechanicalpropertiesofti6al4valloybymethodsofequalchannelangularpressingfollowedbyplasticdeformation AT valievrz improvementofmechanicalpropertiesofti6al4valloybymethodsofequalchannelangularpressingfollowedbyplasticdeformation |
| first_indexed |
2025-11-25T20:31:34Z |
| last_indexed |
2025-11-25T20:31:34Z |
| _version_ |
1850524421219942400 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
19
PACS: 81.40.−z
Л.Р. Саитова, И.П. Семенова, Г.И. Рааб, Р.З. Валиев
ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВА Ti−6Al−4V
СПОСОБАМИ РАВНОКАНАЛЬНОГО УГЛОВОГО ПРЕССОВАНИЯ
И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
Институт физики перспективных материалов,
Уфимский государственный авиационный технический университет
ул. К. Маркса, 12, г. Уфа, 450000, Россия
Исследованы пути повышения прочностных свойств в двухфазном титановом
сплаве Ti−6Al−4V интенсивной пластической деформацией (ИПД) и термомехани-
ческой обработкой. Установлено, что интенсивное измельчение структуры в
сплаве на стадии равноканального углового прессования (РКУП) дает основной
вклад в его прочность. Показано, что изменение исходной микроструктуры перед
РКУП оказывает значительное влияние на последующее структурообразование и
механические свойства. Низкотемпературная экструзия РКУП-заготовок приво-
дит к дополнительному измельчению структуры, накоплению дефектов кристал-
лической решетки, что обусловливает в итоге упрочнение сплава почти на 40% по
сравнению с отожженным состоянием.
Введение
Титановый сплав Ti−6Al−4V широко применяется в различных отраслях
промышленности в качестве конструкционного материала благодаря высо-
ким значениям удельной прочности и коррозионной стойкости. Прочност-
ные свойства сплава можно повысить за счет использования традиционных
методов термической и термомеханической обработок. Однако материалы,
подвергнутые упрочняющему воздействию, обычно обладают пониженной
пластичностью, которая наряду с прочностью является одной из опреде-
ляющих характеристик конструкционного материала.
Известно, что создание в сплаве специальной ультрамелкозернистой
(УМЗ) структуры с размером зерен менее 1 µm может привести к значитель-
ному повышению механических свойств [1,2]. Перспективным способом
формирования УМЗ-структуры в металлах и сплавах без изменения исход-
ных геометрических размеров заготовок является РКУП [1−3]. Но создание
в двухфазном сплаве Ti−6Al−4V УМЗ-структуры − достаточно сложная за-
дача. Это связано, во-первых, с его низкой деформируемостью, что требует
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
20
использования для РКУП повышенных температур, увеличенных углов ос-
настки [4,5]. Более того, существенное влияние на механическое поведение та-
ких сплавов оказывают соотношение и размер фазовых составляющих, морфо-
логия выделяющихся в процессе обработки метастабильных фаз.
В настоящей статье представлены результаты исследований влияния
РКУП и термомеханической обработки на особенности формирования мик-
роструктуры в двухфазном сплаве медицинского назначения Ti−6Al−4V ELI
(extra-low interstitial), ее взаимосвязи с механическими свойствами.
Материалы и методы исследования
Для проведения исследований были использованы заготовки из сплава
Ti−6Al−4V ELI c пониженным содержанием кислорода диаметром 40 mm
следующего состава, %: Ti – основа, Al – 6.0; V – 4.2; Fe – 0.2; С – 0.001; О2 –
0.11; N2 – 0.0025; Н2 – 0.002. Температура полиморфного превращения со-
ставляет 960°С. Заготовки подвергали РКУП на оснастке с углом пересече-
ния каналов ϕ = 120° при температуре 600°С по маршруту Вс [4,5]. Много-
цикловую экструзию заготовок проводили при 300°C с коэффициентом вы-
тяжки λ = 4.9.
Структура сплава в состоянии поставки представляла собой смешанную
структуру, состоящую из глобулярных выделений первичных зерен α-фазы
в пластинчатой (α + β) матрице (рис. 1,а). Размер зерен α-фазы в попереч-
ном сечении заготовки составляет 5−10 µm, в продольном – 20−25 µm. Одну
из заготовок подвергали термической обработке с целью получения одно-
родной тонкопластинчатой структуры (рис. 1,б). Заготовку нагревали в β-об-
ласти (1000°С) в течение 40 min с закалкой в воду, последующее старение
проводили при 675°C в течение 4 h [6].
Микроструктуру заготовок исследовали методами оптической металло-
графии и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Механические
испытания на растяжение проводили при комнатной (20°С) температуре на
машине «Instron» со скоростью 1 mm/min. Образцы для испытаний с диа-
метром рабочей части 3 mm были вырезаны из центральной части прутка в
направлении его продольной оси.
а б
Рис. 1. Микроструктура сплава Ti−6Al−4V ELI: а − в состоянии поставки; б − после
закалки при 1000°C и старения при 675°C в течение 4 h
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
21
Результаты исследования и их обсуждение
При РКУП целостность заготовок с исходной пластинчатой структурой
была сохранена после 2 проходов с общей накопленной деформацией е = 1.4,
а заготовки со смешанной структурой выдержали 4 прохода (е = 2.8), что
связано с их более высокой пластичностью, обусловленной глобулярной со-
ставляющей α-фазы.
На рис. 2 представлена микроструктура сплава Ti−6Al−4V ELI после
РКУП без предварительной термообработки. После деформации наряду с
измельчением зерен α-фазы появляются тонкие (∼ 50 nm) микродвойники.
Отдельные зерна первичной α-фазы фрагментируются с образованием суб-
зерен с малоугловыми разориентировками границ (рис. 2,б).
На рис. 3,а показана типичная микроструктура заготовок с исходной гло-
булярно-пластинчатой структурой после РКУП и теплой экструзии с λ = 4.9.
Видно, что зеренно-субзеренная структура, сформировавшаяся после РКУП,
претерпевает дополнительное измельчение. Размер зерен/субзерен α-фазы
варьируется в пределах от 200 до 500 nm. В структуре присутствуют двой-
ники, отдельные зерна имеют высокую плотность дислокаций, на дифракци-
онных картинах увеличивается количество точечных рефлексов и их азиму-
тальное размытие, что свидетельствует о высоких внутренних напряжениях.
а б
Рис. 2. Микроструктура сплава Ti−6Al−4V ELI с исходной глобулярно-пластинчатой
структурой после РКУП: а − дробление пластин; б − образование субзерен α-фазы
а б
Рис. 3. Микроструктура сплава Ti−6Al−4V ELI с исходной глобулярно-пластинчатой
(а) и пластинчатой (б) структурами после РКУП и экструзии
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
22
В заготовке с исходной пластинчатой структурой после РКУП и экстру-
зии наблюдаются интенсивная фрагментация пластин α-фазы и их частичная
глобуляризация. При этом структура преимущественно субзеренная с высоки-
ми внутренними напряжениями и большим количеством двойников (рис. 3,б).
Исследование механических свойств сплава показало, что после РКУП
наблюдается упрочнение примерно на 20% за счет интенсивного измельче-
ния структуры (табл. 1). Экструзия заготовок способствовала дополнитель-
ному упрочнению еще на 20% за счет фрагментации структуры, процессов
скольжения, двойникования и увеличения плотности дислокаций.
Как известно, прочность металлических сплавов может быть охарактери-
зована пределом текучести σ0.2, величину которого можно представить в виде
суперпозиции нескольких механизмов упрочнения: +σ∆+σ∆+σ=σ defs.s2.0 b
s.phσ∆+ (где σs.s, σb, σdef, σs.ph − соответственно твердорастворное, поликри-
сталлическое (зернограничное), дислокационное и многофазное упрочнение) [8].
Оценка их количественного соотношения с некоторыми упрощениями
[7,8] позволяет выявить роль действующих механизмов упрочнения сплава.
Исходными данными для таких расчетов послужили химический состав
сплава, количественные параметры структуры, соотношение фаз, получен-
ные экспериментально (табл. 2).
Вклад твердорастворного упрочнения σs.s, обусловленный растворенными
в сплаве легирующими элементами и примесями, можно считать величиной,
постоянной для всех состояний сплава. Вклад зернограничного упрочнения
Таблица 1
Механические свойства сплава Ti−6Al−4V ELI в различных состояниях
Состояние σb, MPa σ0.2, MPa δ, % ψ, %
Исходное 940 840 16 45
РКУП, 120°, 600°C, 4 прохода 1090 1030 9 40
РКУП, 120°, 600°C, 4 прохода +
+ экструзия 300°C, λ = 4.9 1300 1230 8 35
Предварительная термообработка +
+ РКУП, 120°, 600°C, 2 прохода +
+ экструзия 300°C, λ = 4.9
1360 1250 12 39
Таблица 2
Анализ компонентов упрочнения сплава Ti−6Al−4V ELI
Теоретическое значение предела текучести σ0.2, MPa
компоненты упрочненияСостояние
σs.s ∆σb ∆σdef ∆σs.ph
сумма
Σσ0.2
Экспериментальное
значение предела
текучести σ0.2, MPa
Исходное
(отжиг) 150 − 830 840
РКУП 500 20 1200 1030
РКУП +
+ экструзия
550
520 100
130
1300 1230
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
23
составляет до 40% от общей прочности, он обусловлен образованием барьеров
для движения дислокаций в виде новых границ зерен и субзерен в процессе
РКУП [7,8]. Последующая экструзия за счет дислокационного механизма уп-
рочнения вносит дополнительный вклад в повышение предела текучести сплава.
Заключение
По результатам проведенных исследований установлено, что использова-
ние РКУП в комбинации с термической и термомеханической обработками
позволяет получить в сплаве Ti−6Al−4V ELI с пониженным содержанием
кислорода УМЗ-структуру. При этом прочность достигает значений σb =
= 1360 МРа, что на 40% выше исходной величины, тогда как пластичность
сплава составляет не менее 8%.
Показано, что предварительная термообработка исходных заготовок с об-
разованием тонкопластинчатой микроструктуры позволяет улучшить как
прочностные, так и пластические свойства за счет интенсивного двойнико-
вания, частичной глобуляризации пластин в процессе ИПД.
Работа была выполнена при поддержке гранта А03-3.17-15 Министерства
образования Российской Федерации для поддержки научно-исследовательской
работы аспирантов вузов.
1. R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, I.V. Alexandrov, Prog. Mater. Sci. 45, 103 (2000).
2. R.Z. Valiev, Proc. NATO ARW (2000).
3. Y.G. Ko, W.S. Jung, D.H. Shin, C.S. Lee, Scripta Mater. 48, 197 (2003).
4. I.P. Semenova, G.I. Raab, L.R. Saitova, Book of abstracts 13th International confer-
ence on the strength of materials (2003), p. 378.
5. I.P. Semenova, Y.T. Zhu, G.I. Raab, T.C. Lowe, R.Z. Valiev, Ultrafine Grained Mate-
rials III, TMS (The Minerals, Metals and Materials Society) (2004), p. 463−466.
6. Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, R. Boyer, G. Welsch, E.W. Col-
lings (eds.) (1998).
7. M.I. Goldshtein, V.S. Litvinov, M.F. Bronfin, Metallophisics of high-strength alloys,
Metallurgia, Moscow (1986), p. 312.
8. A.A. Popov, Proceedings of the conference «Nanomaterials by severe plastic defor-
mation – NANOSPD2» (2002), p. 817.
L.R. Saitova, I.P. Semenova, G.I. Raab, R.Z. Valiev
IMPROVEMENT OF MECHANICAL PROPERTIES OF Ti-6Al-4V ALLOY
BY METHODS OF EQUAL-CHANNEL ANGULAR PRESSING
FOLLOWED BY PLASTIC DEFORMATION
The methods of strength enhancement in two-phase titanium alloy Ti−6Al−4V using se-
vere plastic deformation (SPD) and thermomechanical treatment have been investigated.
It was established that structure refinement by ECAP enabled to enhance greatly the alloy
Физика и техника высоких давлений 2004, том 14, № 4
24
strength. The change of the initial structure before ECAP is shown to have a great effect
on the consequent structure formation and mechanical properties. Low-temperature extru-
sion of ECAP-billets results in an additional structure refinement, accumulation of crys-
talline lattice defects, which enabled to increase the strength of the alloy by about 40% in
comparison with the annealed state.
Fig. 1. Microstructure of Ti−6Al−4V ELI alloy: а − initial state; б − after water quench-
ing at 1000°C and overaging at 675°C for 4 h
Fig. 2. Microstructure of Ti−6Al−4V ELI alloy of initial globular-plate structure after
ECAP: a − breakage of plates; б − formation of α-phase subgrains
Fig. 3. Microstructure of Ti−6Al−4V ELI alloy of initial globular-plate (а) and plate-like
(б) structure after ECAP and extrusion
|