Исследование параметров холодной прокатки ультрамелкозернистого титана

УДК 621.771.016:669.295 DOI: 10.14529/теМ60315

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОГО ТИТАНА

В.П. Шумейко, Е.А. Горячев

Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

Целью работы является достижение усталостно-прочностных свойств упрочнением сплава ВТ1-0 холодной обработкой давлением.

Холодная прокатка является распространённым методом упрочнения материалов и сплавов. Интерес к холодной прокатке в качестве деформационной схемы связан с тем, что прокатка является всесторонне исследованным процессом, который к тому же широко используется на практике.

Полученные методом интесивной пластической деформации ультрамелкозернистые заготовки (диаметром 40 мм и более) были подвержены прокатке на стане с многовалковыми калибрами конструкции ЧПИ. В ходе прокатки были изготовлены стандартные цилиндрические образцы для исследования механических свойств на растяжение и проведения испытаний на усталостную прочность. Экспериментальные данные указывают на повышение прочностных характеристик наноструктурного титана в результате холодной прокатки.

Проведены пластометрические исследования на пластометре конструции ЧПИ-2 по методике, разработанной на кафедре машин и технологий обработки материалов давлением ЮУрГУ. После пласто-метрических исследований образцов были проведены испытания по определению сопротивления деформации, временного сопротивления и твердости по Бринеллю.

Дробность деформации повышает предел текучести при всех степенях нагружения. Повышение а02 и твердости свидетельствует об измельчении зерна.

Исследование пластичности титана ВТ1-0 при дробном нагружении показало, что с увеличением числа ступеней нагружения пластичность титана возрастает.

Эксперименты показали отсутствие значительного влияния отпуска на промежуточных ступенях нагружения на временное сопротивление и твердость титана.

Ключевые слова: ультамелкозернистый, равноканальное угловое прессование, наноструктурный, холодная прокатка, калибр, пластометр, сплав.

Развитие современных отраслей промышленности предъявляет всё более высокие требования к качеству материалов и эксплуатационным свойствам изделий. Важной с этой точки зрения является разработка новых подходов к созданию перспективных материалов, обеспечивающих высокий уровень свойств. В связи с этим в последние годы большое внимание учёных вызывают нанострук-турные материалы, обладающие уникальной структурой и свойствами [1].

Очень актуальна эта проблема в медицине. На данном этапе необходимо найти более надёжные материалы для изготовления новых импланта-тов, протезов и инструментов для замены поврежденных частей тела человека. Современные хирургия и стоматология нуждаются в металлах и сплавах с высокой химической инертностью и адекватной механической прочностью.

Сейчас для этих целей используют лёгкие и прочные титановые сплавы. Однако до сих пор не найдено решение оптимального соотношения прочностных характеристик, которыми обладают легированные марки титановых сплавов, с максимальной биологической совместимостью (чему полностью соответствует чистый титан).

Имплантология отдает предпочтение титану из-за его преимуществ по сравнению с другими

металлами [2]. Проведённые эксперименты свидетельствуют о практически полной биологической совместимости титана и некоторых его сплавов с живой тканью, а так же титан не вызывает аллергических реакций. Титан очень мало ионизируется в физиологических растворах. Продукты его коррозии нетоксичны. Кроме того, они обычно не распространяются по всему организму, концентрируясь вблизи имплантата. В отличие от нержавеющих сталей и кобальтовых сплавов, многоцикловые характеристики титана не понижаются при контакте с солевыми средами, включая физиологические растворы [2].

Поэтому разработка и исследование новых эффективных методов обеспечивающих повышение механических свойств коммерчески чистого титана является весьма актуальной задачей для медицинского материаловедения.

Сплав ВТ5, широко применяемый в медицине в данное время, содержит ванадий, содержание которого в человеческом организме недопустимо.

Целью данной работы является достижение усталостно-прочностных свойств упрочнением сплава ВТ1-0, который не содержит вредных веществ, методами холодной обработки давлением.

Интенсивная пластическая деформация (ИПД) приводит к формированию ультрамелко-

зернистых неравновесных структур, которая оказывает значительное, а иногда коренное влияние на деформационное поведение и механические свойства металлов и сплавов. В процессе последующей пластической деформации происходит изменение исходного наноструктурного состояния. Характер этих изменений определяется схемой и условиями деформации [1]. На данный момент наноструктуры получены в чистых металлах, многих славах и сталях. Структурные элементы наноматериалов, полученных ИПД, имеют малый размер зёрен и большую протяженность неравновесных границ зёрен.

Распространенным методам интенсивной пластической деформации является метод равнока-нального углового прессования (РКУП) (рис. 1).

ИПД РКУ-прессование основано на деформации массивных образцов простым сдвигом. Заготовка неоднократно продавливается в специальной оснастке через два канала с одинаковыми поперечными сечениями, пересекающимися обычно под углом 90° [1]. РКУ прессование позволяет получать в массивных образцах технически чистого титана ВТ1-0 ультрамелкозернистую структуру с размером зерен 0,3 мкм, что приводит к более высоким значениям пределов прочности и текучести ^о,2 = 770 МПа, ств = 790 МПа по сравнению с исходным крупнозернистым (КЗ) титаном.

Ещё одним способом ИПД является всесторонняя ковка (рис. 2).

Данный процесс обычно сопровождается динамической рекристаллизацией. Всесторонняя ков-

Рис. 1. Метод РКУ-прессования

ка основана на использовании многократного повторения: осадка - протяжка со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия.

Так как обработку начинают с высоких температур, (0,3-0,6)7Ш, и обеспечивается небольшая удельная нагрузка на инструмент, такой способ позволяет получать наноструктурное состояние в хрупких материалах [1].

Полученные метом ИПД ультрамелкозернистые заготовки (диаметром от 40 мм и более) были

Рис. 2. Всесторонняя ковка

подвержены обработке давлением в холодном состоянии для получения заданных прочностных свойств.

Холодная прокатка является распространённым методом упрочнения материалов и сплавов. Интерес к холодной прокатке в качестве деформационной схемы связан с тем, что прокатка является всесторонне исследованным процессом, который к тому же широко используется на практике.

Для исследования режимов холодной деформации наноструктурного титана перспективным является прокатка на станах с четырёхсторонним обжатием, конструкции ЧПИ [3].

Прокатка с четырёхсторонним обжатием осуществляется в калибрах, образованных четырьмя валками, оси которых расположены в одной вертикальной плоскости (рис. 3).

В ходе прокатки были изготовлены стандартные цилиндрические образцы для исследования механических свойств на растяжение и проведения испытаний на усталостную прочность. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Данные таблицы указывают на повышение прочностных характеристик НС титана в результате холодной прокатки.

Так же разработана схема безкалиберной прокатки на гладкой бочке прокатного стана с диаметром валков 320 мм.

Механические свойства полученных образцов представлены в табл. 2.

Данные таблицы показывают более высокие характеристики прочности и пластичности НС титана в сравнении с КЗ при равной степени деформации, а так же более высокое суммарное упрочнение КЗ титана при резком снижении пластичности.

Прокаткой в калибрах образованных четырьмя валками показала возможность осуществления холодной упрочняющей обработки с суммарной степенью деформации до е = 90 %. Получены образцы сечением 14 мм с удовлетворительным качеством поверхности. Однако, для получения более стабильных условий деформирования необходимо провести исследования сопротивления деформации УМЗ титана.

С этой целью проведены пластометрические исследования на пластометре конструкции ЧПИ-2 по методике, разработанной на кафедре МиТОМД ЮУрГУ.

После пластометрических исследований образцов были проведены испытания по определе-

Рис. 3. Схемы прокатки в четырехвалковых калибрах

Таблица 1

Механические свойства титана в исходном, НС (РКУП) и холодном состояниях

Материал ов, МПа о0 2, МПа 5, % а_1, МПа

Исходный 560 430 35 250

НС 765 670 23 310

НС + холодная прокатка 1010 900 17,5 460

Таблица 2

Механические свойства КЗ и НС титана в процессе холодной прокатки

Состояние ов, МПа о0 2, МПа 5, %

КЗ 790 750 9

НС 1010 900 13

нию сопротивления деформации, временного сопротивления и твердости по Бринеллю. Результаты исследования механических свойств холодно-деформированного титана при однократном на-гружении приведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, при увеличении степени деформации при однократном нагружении до 20 % условный предел текучести (о02) интенсивно растет с 605,6 % МПа (е = 2,8 %) до 808,2 МПа (е = 19 %),при дальнейшем увеличении степени деформации рост с02 приоставливатся.

Временное сопротивление (о0,2) в случае однократного нагружения до 20 % существенно не меняется, при дальнейшем нагружении с02 возрастает с 748,8 МПа при е = 20,1 % до 897, МПа при е = 59,5 %. По аналогичной закономерности изменяется твердость по Бринеллю.

Как видно из табл. 4, дробность деформации повышает предел текучести при всех степенях нагружения. Повышение с02 и твердости свидетельствует об измельчении зерна. Временное сопротивление при дробном деформировании значительно растет при е > 50 %. Так, если при

е = 50,4 % св = 802,4 МПа при однократном нагру-жении, то при шестикратном нагружении до 52,9 % временное сопротивление достигает 992,8 МПа.

Твердость по Бринеллю при дробном нагруже-нии изменяется аналогично временному сопротивлению, при однократном шестикратном нагруже-нии( е = 50 %) НВ возрастает с 236 до 292. То есть можно говорить об измельчении зерна.

Исследование пластичности титана ВТ1-0 при дробном нагружении показало, что с увеличением числа ступеней нагружения пластичность титана возрастает. Если при однократном нагружении макротрещины появляются при е = 48,6 %, то при пятикратном нагружении разрушение наблюдается при е = 78,7 %.

Было исследовано влияние отжига при многократном нагружении на отдельных стадиях нагру-жения с целью сохранности величины зерна и его влияние на механические характеристики титана ВТ1-0.

По данным табл. 3 построена кривая зависимости условного предела текучести в функции степени деформации. График кривой приведен на рис. 4.

Таблица 3

Результаты исследования механических свойств холоднодеформированного титана

при однократном нагружении

№ п/п Деформация е, % Предел текучести с02, МПа Предел прочности св, МПа Твердость, НВ

1 2,8 605 ,6 693,6 204

2 9,8 696,8 717,4 211

3 9,9 690,1 785,4 231

4 10,2 669,7 697,0 205

5 14,4 793,5 714,0 210

6 17,4 729,4 702 208

7 19,0 808,2 731, 215

8 19,4 801,5 758,2 223

9 20,1 796,8 748,0 220

10 21,1 775,4 737,8 217

11 41,1 800,9 799,0 235

12 50,4 792,2 802,4 236

13 58,8 801,6 829,6 244

14 59,5 821,7 897,6 264

Таблица 4

Влияние дробности нагружения на механические свойства холоднодеформированного титана

№ п/п Деформация 8, % Количество ударов Предел текучести а02, МПа Предел прочности ав, МПа Твердость, НВ

1 10,0 1 685,5 733,3 216

2 10,0 2 708,8 720,8 212

3 19,9 1 795,5 743,8 219

4 20,1 4 804,4 744,6 219

5 50,4 1 792,2 802,4 236

6 52,9 6 833,4 998,8 292

7 56,6 1 805,2 843,2 248

8 55,8 3 880,1 867,0 255

'Г V V Деформация в

Рис. 4. График зависимости предела текучести от степени деформации

Рис. 5. График функции о = агъ

По методике, разработанной на кафедре МиТОМД, получена формула для вычисления а02 имеющая вид:

°0,2 = + а(1008)6.

Методы интерполяции и аппроксимации применяются при обработке экспериментальных ре-

зультатов. Задача интерполяции вычислить значения исследуемой функциональной зависимости между опорными точками. При этом часто строится функция, проходящая через опорные точки. Однако если экспериментальные данные зашумле-ны, такой подход не имеет смысла. В этом случае

используются методы аппроксимации, в которых строится функция, наилучшим образом проходящая через эти точки. Критерий - минимум суммы квадратов отклонений. Могут использоваться и другие критерии, например максимум функции правдоподобия.

Для построения функциональной зависимости воспользуемся программой МЛТЪАВ. Данные эспе-риментальной зависимости предела текучести от величины относительной деформации берём из табл. 3.

Программа аппроксимирует исходные точки графиком функции с = аеь.

Коэффициенты а и Ь вычисляются по методу наименьших квадратов. Чтобы свести вычисления к решению линейной системы уравнений выполняется предварительное логарифмирование исходных данных.

Результаты расчетов представлены на рис. 5. Из рис. 5 видно, что график функции с = аеЬ с достаточной степенью точности описывает

экспериментальные данные, приведенные на рис. 4.

Для получения более высокой степени упрочнения при суммарной деформации е > 90 % возможен способ дозированной деформации прокаткой с переменным обжатием.

Литература

1. Валиев, Р.З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией / Р.З. Валиев, И.В. Александров. - М.: Логос, 2000. - 272 с.

2. Валиев, Р.З. Разработка наноструктурного титана медицинского применения / Р.З. Валиев, В.В. Столяров, В.В. Латыш // New Technologies for the 21 Century. - 2001. - № 5. - С. 19.

3. Прокатка малопластичных металлов с многосторонним обжатием / Л.А. Барков, В.Н. Выд-рин, В.В. Пастухов, В.Н. Чернышев. - Челябинск: Металлургия. Челябинское отделение, 1988. - 304 с.

Шумейко Валентина Павловна, студент кафедры машин и технологий обработки материалов давлением, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; ShumeikoVP@gmail.com.

Горячев Евгений Александрович, доцент кафедры машин и технологий обработки материалов давлением, Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск; goriachevea@susu.ru.

Поступила в редакцию 20 июня 2016 г.

DOI: 10.14529/met160315

INVESTIGATION OF COLD ROLLING PARAMETERS OF ULTRAFINE GRAINED TITANIUM

V.P. Shumeyko, ShumeikoVP@gmail.com,

E.A. Goryachev, goriachevea@susu.ru

South Ural State University, Chelyabinsk, Russian Federation

The objective of the work was achieving fatigue and strength properties of commercial titanium VT1-0 by hardening in cold working process.

Cold rolling is a common method of hardening of materials and alloys. The interest to cold rolling as a deformation scheme is due to the fact that rolling process is fully explored and widely used in practice.

Ultra-fine grained blanks (diameter 40 mm and above) received by severe plastic deformation process were rolled on CNC (computerized numerical control) cluster mill. Standard cylindrical samples for determining tensile and compression properties and fatigue-strength test were made by rolling. Experimental data show an increase of strength characteristics of nanostructural titanium as a result of cold rolling.

Samples were also investigated with the CNC-2 plastometer by the method developed by the Machines and Technology of Material Deformation Processes Department of the South Ural State University. After plastomet-ric research the samples were tested to determine deformation resistance, tensile strength and Brinell hardness.

Divisibility of deformation increases yield point for all stressing degrees. Increase of a02 and hardness is a witness of grain refinement.

The plasticity research of commercial titanium under divisional stress shows that plasticity of titanium increases with increasing number of stress degrees.

Tests showed no significant effect of tempering at intermediate stress degrees on tensile strength and hardness of titanium.

Keywords: ultrafine-grained; equal channel angular pressing; nanostructural titanium; cold rolling; groove; plastometer; alloy.

References

1. Valiev R.Z., Aleksandrov I.V. Nanostrukturnye materialy, poluchennye intensivnoy plasticheskoy defor-matsiey [Nanostructural Materials Obtained by Severe Plastic Deformation]. Moscow, Logos Publ., 2000. 272 p.

2. Valiev R.Z., Stolyarov V.V., Latysh V.V. [Development of Nanostructural Titanium for Medical Applications]. New Technologies for the 21 Century, 2001, no. 5, p. 19.

3. Barkov L.A., Vydrin V.N., Pastukhov V.V., Chernyshev V.N. Prokatka maloplastichnykh metallov s mno-gostoronnim obzhatiem [Rolling of Low-Plasticity Metals with Multi-Side Reduction]. Chelyabinsk, Metallurgiya Publ., Chelyabinsk Branch, 1988. 304 p.

Received 20 June 2016

ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ

FOR CITATION

Шумейко, В.П. Иследование параметров холодной прокатки ультрамелкозернистого титана / В.П. Шумейко, Е.А. Горячев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Металлургия». - 2016. - Т. 16, № 3. - С. 104-110. DOI: 10.14529/теШ0315

Shumeyko V.P., Goryachev E.A. Investigation of Cold Rolling Parameters of Ultrafine Grained Titanium. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Metallurgy, 2016, vol. 16, no. 3, pp. 104-110. (in Russ.) DOI: 10.14529/met160315