The Effect of the Stress-Strain State During Rotary Forging on the Microstructure and Properties of the Ti–39nb–7zr Titanium Alloy

G. Zh. Mukanov; V. P. Kuznetsov

doi:10.17804/2410-9908.2024.6.091-106

G. Zh. Mukanov, V. P. Kuznetsov

THE EFFECT OF THE STRESS-STRAIN STATE DURING ROTARY FORGING ON THE MICROSTRUCTURE AND PROPERTIES OF THE Ti–39Nb–7Zr TITANIUM ALLOY

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.6.091-106

The paper studies the effect of the stress-strain state of a hot-rolled Ti–39Nb–7Zr titanium alloy bar on its microstructure and properties during rotary forging. Rotary forging is considered as a promising method for severe plastic deformation, which provides the formation of an ultrafine-grained structure, uniform distribution of plastic strain, and improvement of the alloy properties.

To determine the stress-strain state, a finite element model is developed; namely, the workpiece geometry is completely reconstructed, the materials and their properties are determined, a finite element grid is generated, the model solver is tuned, the boundary conditions and loads are assigned. The simulation is carried out by the finite element method enabling us to take into account complex three-dimensional tool trajectories and strain distribution during rotary forging. The mechanical properties of the material are determined experimentally and used to construct a model of hardening. The simulation takes into account the material behavior under pre-deformation heating to 450 °C.

The simulation results show that the maximum strains in the rotary-forged bar reach 955 MPa in the tool–bar contact zone. The analysis of the specimen cross-section reveals concentric zones with a uniform stress distribution and residual longitudinal compressive stresses s⁰_yy = 200 MPa. The longitudinal stress distribution demonstrates high stresses in the tool–bar contact zone and a stress gradient from the contact zone to the specimen periphery.

The study of the alloy microstructure after rotary forging discovers the presence of significant plastic strains and a high dislocation density in the surface zone. The material microhardness increases to 350 HV in the surface zone, as compared to 250 HV in the central part of the specimen. Rotary forging forms a texture and the anisotropy of the mechanical properties, this being supported by the measurements of the elastic modulus varying from 70 to 90 GPa through the bar cross-section.

The study aims at developing a multicomponent dynamic 3D model designed to simulate rotary forging of a Ti–39Nb–7Zr titanium alloy bar using the Ansys Mechanical software. A bar made from the Ti–39Nb–7Zr biocompatible alloy by hot rolling in the β region at the VSMPO-AVISMA Corporation is used as the test material.

Acknowledgement: Funding from the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Ural Federal University, the State Assigment № 075-03-2024-009/4 of 11.04.2024 (FEUZ-2024-0020)

Keywords: β-titanium alloys, rotary forging, finite element simulation, plastic deformation, mechanical properties

References:

Chui, P., Jing, R., Zhang, F., Li, J., and Feng, T. Mechanical properties and corrosion behavior of β-type Ti–Zr–Nb–Mo alloys for biomedical application. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 842, 155693. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155693.
Kim, K.M., Kim, H.Y., and Miyazaki, S. Effect of Zr content on phase stability, deformation behavior, and Young’s modulus in Ti–Nb–Zr alloys. Materials, 2020, 13 (2) 476. DOI: 10.3390/ma13020476.
Lee, T., Lee, S., Kim, I.-S., Moon, Y.H., Kim, H.S., and Park, C.H. Breaking the limit of Young’s modulus in low-cost Ti–Nb–Zr alloy for biomedical implant applications. Journal of Alloys and Compounds, 2020, 828, 154401. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.154401.
Illarionov, A., Mukanov, G., Stepanov, S., Kuznetsov, V., Karelin, R., Andreev, V., Yusupov, V., and Korelin, A. Microstructure and physico-mechanical properties of biocompatible titanium alloy Ti–39Nb–7Zr after rotary forging. Metals, 2024, 14 (5), 497. DOI: 10.3390/met14050497.
Han, X., Zeng, F., Zhuang, W., Hua, L., Hu, Y., and Wang, Z. An innovative rotary rolling-forging process for manufacturing fork ring with extreme geometry. Journal of Materials Processing Technology, 2023, 322, 118160. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2023.118160.
Chuvildeev, V.N., Kopylov, V.I., Nokhrin, A.V., Bakhmetev, A.M., Tryaev, P.V., Tabachkova, N.Yu., Chegurov, M.K., Kozlova, N.A., Mikhailov, A.S., Ershova, A.V., Gryaznov, M.Yu., Shadrina, Ya.S., Likhnitskii, K.V., Stepanov, S.P., and Myshlyaev, M.M. Enhancement of the strength and the corrosion resistance of a PT–7M titanium alloy using rotary forging. Russian Metallurgy (Metally), 2021, 2021, 600–610. DOI: 10.1134/S0036029521050050.
Andreev, V.A. A technology for manufacturing round long semi-finished products from titanium-nickelide-based shape-memory alloys by warm rotary forging. In: Perspektivnye materialy i tekhnologii [Promising Materials and Technologies, ed., V.V. Rubanik]. BGU Publ., Minsk, 2021, pp. 504–516. (In Russian).
Han, X.H. and Hua, L. Effect of process parameters on wear in cold rotary forging by using 3D FE numerical simulation. Ironmaking & Steelmaking, 2013, 40 (1), 50–60.
Lopatin, N.V. Effect of hot rolling by screw mill on microstructure of a Ti–6Al–4V titanium alloy. International Journal of Material Forming, 2013, 6 (4), 459–465. DOI: 10.1007/s12289-012-1099-2.
Loyda, A., Reyes, LA., Hernández-Muñoz, G.M., García-Castillo, F.A., and Zambrano-Robledo, P. Influence of the incremental deformation during rotary forging on the microstructure behaviour of a nickel-based superalloy. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 97, 2383–2396. DOI: 10.1007/s00170-018-2105-8.
Zhang, S.-H., Zhang, H.-Y., Song, H.-W., and Cheng, M. FEM simulation of hot forging process to predict microstructure evolution. AIP Conference Proceedings, 2013, 1532 (1), 262–268. DOI: 10.1063/1.4806833.
Yuan, S., Wang, X., Liu, G., and Chou, D. The precision forming of pin parts by cold-drawing and rotary-forging. Journal of Materials Processing Technology, 1999, 86 (1–3), 252–256. DOI: 10.1016/S0924-0136(98)00321-5.
Han, X. and Hua, L. 3D FE modelling of contact pressure response in cold rotary forging. Tribology International, 2013, 57, 115–123. DOI: 10.1016/j.triboint.2012.07.012.
Zheng, Y., Liu, D., Yang, Y., Zhang, Z., Li, X., and Zhang, R. Microstructure evolution of Ti–6Al–4V with periodic thermal parameters during axial closed die rolling process. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 735, 996–1009. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.11.197.
Zheng, Y., Liu, D., Yang, Y., Ren, L., Zhang, Z., and Gao, G. Investigation on metal flow during the hot axial closed die rolling process for titanium alloy discs. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 87, 2445–2458. DOI: 10.1007/s00170-016-8650-0.
Han, X., Hu, Y., and Hua, L. Cold orbital forging of gear rack. International Journal of Mechanical Sciences, 2016, 117, 227–242. DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.09.007.
Xuan, T.D., Sheremetyev, V.A., Kudryashova, A.A., Galkin, S.P., Andreev, V.A., Prokoshkin, S.D., and Brailovski, V. Influence of the combined radial shear rolling and rotary forging on the stress-strain state of the small diameter bar stock of titanium-based alloys. Izvestiya Vuzov. Non-Ferrous Metallurgy, 2020, 2, 22–31. (In Russian). DOI: 10.17073/0021-3438-2020-2-22-31.
Illarionov, A.G., Grib, S.V., and Yurovskikh, A.S. Scientific approaches to the development of titanium-based alloys for medical implants. Solid State Phenomtna, 2020, 299, 462–467. DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.299.462.
Gadala, M.S. Finite Elements for Engineers with Ansys Applications, Cambridge University Press, Cambridge, 2020, 626 p.

Г. Ж. Муканов, В. П. Кузнецов

ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ РОТАЦИОННОЙ КОВКЕ НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ТИТАНОВОГО СПЛАВА Ti–39Nb–7Zr

Настоящая работа посвящена исследованию влияния напряженно-деформированного состояния горячекатаного прутка из титанового сплава Ti–39Nb–7Zr на микроструктуру и свойства при ротационной ковке. Ротационная ковка рассматривается как перспективный метод интенсивной пластической деформации, обеспечивающий формирование ультрамелкозернистой структуры, равномерное распределение пластической деформации и улучшение свойств сплава.

Для определения напряженно-деформированного состояния разработана конечно-элементная модель, а именно: произведено полное воссоздание геометрии заготовки, определение материалов и их свойств, генерация сетки конечных элементов, настройка решателя модели и назначение граничных условий и нагрузок. Моделирование проводилось с использованием метода конечных элементов, что позволило учесть сложные трехмерные траектории движения инструментов и распределение деформаций в процессе РК. Механические свойства материала были определены экспериментально и использованы для построения модели упрочнения. При моделировании учитывалось поведение материала при нагреве перед деформацией на температуру 450 °C.

Результаты моделирования показали, что максимальные напряжения в прутке после ротационной ковки достигают 955 МПа в зоне контакта с инструментом. Анализ поперечного сечения образца выявил концентрические зоны с равномерным распределением напряжений и остаточные продольные сжимающие напряжения s⁰_yy = 200 МПа. Продольное распределение напряжений демонстрирует высокие напряжения в зоне контакта ковочного инструмента и градиент напряжений от зоны контакта к периферии образца.

Исследование микроструктуры сплава после ротационной ковки показало наличие значительных пластических деформаций и высокую плотность дислокаций в поверхностной зоне. Микротвердость материала увеличилась до 350 HV в поверхностной зоне, по сравнению с 250 HV в центральной части образца. Ротационная ковка приводит к формированию текстуры и анизотропии механических свойств, что подтверждается измерениями модуля упругости, который варьируется от 70 до 90 ГПа по сечению прутка.

Цель работы заключалась в разработке многокомпонентной динамической 3D-модели для моделирования процессов ротационной ковки прутка из титанового сплава Ti–39Nb–7Zr с использованием программного пакета Ansys Mechanical. В качестве материала исследования использовался горячекатаный в β-области пруток из биосовместимого сплава Ti–39Nb–7Zr, произведенный на ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА».

Благодарность: Работа выполнена в молодежной лаборатории модификации поверхностей материалов ФГАОУ ВО «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» в рамках соглашения с Министерством науки и высшего образования № 075-03-2024-009/4 от 11.04.2024 (номер темы FEUZ-2024-0020)

Ключевые слова: β-титановые сплавы, ротационная ковка, конечно-элементное моделирование, пластическая деформация, механические свойства

Библиография:

Mechanical properties and corrosion behavior of β-type Ti–Zr–Nb–Mo alloys for biomedical application / P. Chui, R. Jing, F. Zhang, J. Li, T. Feng // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 842. – P. 155693. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155693.
Kim K. M., Kim H. Y., Miyazaki S. Effect of Zr content on phase stability, deformation behavior, and Young’s modulus in Ti–Nb–Zr alloys // Materials. – 2020. – Vol. 13 (2). – P. 476. – DOI: 10.3390/ma13020476.
Breaking the limit of Young’s modulus in low-cost Ti–Nb–Zr alloy for biomedical implant applications / T. Lee, S. Lee, I.-S. Kim, Y. H. Moon, H. S. Kim, C. H. Park // Journal of Alloys and Compounds. – 2020. – Vol. 828. – P. 154401. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.154401.
Microstructure and physico-mechanical properties of biocompatible titanium alloy Ti–39Nb–7Zr after rotary forging / A. Illarionov, G. Mukanov, S. Stepanov, V. Kuznetsov, R. Karelin, V. Andreev, V. Yusupov, and A. Korelin // Metals. – 2024. – Vol. 14 (5). – P. 497. – DOI: 10.3390/met14050497.
An innovative rotary rolling-forging process for manufacturing fork ring with extreme geometry / X. Han, F. Zeng, W. Zhuang, L. Hua, Y. Hu, Z. Wang // Journal of Materials Processing Technology. – 2023. – Vol. 322. – P. 118160. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2023.118160.
Enhancement of the strength and the corrosion resistance of a PT–7M titanium alloy using rotary forging / V. N. Chuvildeev, V. I. Kopylov, A. V. Nokhrin, A. M. Bakhmetyev, P. V. Tryaev, N. Yu. Tabachkova, M. K. Chegurov, N. A. Kozlova, A. S. Mikhailov, A. V. Ershova, M. Yu. Gryaznov, Ya. S. Shadrina, K. V. Likhnitskii, S. P. Stepanov, M. M. Myshlyaev // Russian Metallurgy (Metally). – 2021. – Vol. 2021. – P. 600–610. – DOI: 10.1134/S0036029521050050.
Андреев В. А. Технология производства круглых длинномерных полуфабрикатов из сплавов на основе никелида титана с эффектом памяти формы методом тёплой ротационной ковки // Перспективные материалы и технологии / под ред. В. В. Рубаника. – Минск : Издательский центр БГУ, 2021. – С. 504–516.
Han X. H., Hua L. Effect of process parameters on wear in cold rotary forging by using 3D FE numerical simulation // Ironmaking & Steelmaking. – 2013. – Vol. 40 (1). – P. 50–60.
Lopatin N. V. Effect of hot rolling by screw mill on microstructure of a Ti–6Al–4V titanium alloy // International Journal of Material Forming. – 2013. – Vol. 6 (4). – P. 459–465. – DOI: 10.1007/s12289-012-1099-2.
Influence of the incremental deformation during rotary forging on the microstructure behaviour of a nickel-based superalloy/ A. Loyda, L. A. Reyes, G. M. Hernández-Muñoz, F. A. García-Castillo, P. Zambrano-Robledo // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 97. – P. 2383–2396. – DOI: 10.1007/s00170-018-2105-8.
FEM simulation of hot forging process to predict microstructure evolution / S.-H. Zhang, H.-Y. Zhang, H.-W. Song, M. Cheng // AIP Conference Proceedings. – 2013. – Vol. 1532 (1). – P. 262–268. – DOI: 10.1063/1.4806833.
The precision forming of pin parts by cold-drawing and rotary-forging / S. Yuan, X. Wang, G. Liu, D. Chou // Journal of Materials Processing Technology. – Vol. 86 (1–3). – P. 252–256. – DOI: 10.1016/S0924-0136(98)00321-5.
Han X., Hua L. 3D FE modelling of contact pressure response in cold rotary forging // Tribology International. – 2013. – Vol. 57. – P. 115–123. – DOI: 10.1016/j.triboint.2012.07.012.
Microstructure evolution of Ti–6Al–4V with periodic thermal parameters during axial closed die rolling process / Y. Zheng, D. Liu, Y. Yang, Z. Zhang, X. Li, R. Zhang // Journal of Alloys and Compounds. – 2018. – Vol. 735. – P. 996–1009. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.11.197.
Investigation on metal flow during the hot axial closed die rolling process for titanium alloy discs / Y. Zheng, D. Liu, Y. Yang, L. Ren, Z. Zhang, G. Gao // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 87. – P. 2445–2458. – DOI: 10.1007/s00170-016-8650-0.
Han X., Hu Y., Hua L. Cold orbital forging of gear rack // International Journal of Mechanical Sciences. – 2016. – Vol. 117. – P. 227–242. – DOI: 10.1016/j.ijmecsci.2016.09.007.
Влияние комбинации радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки на напряженно-деформированное состояние прутковой заготовки малого диаметра из титановых сплавов / Т. Д. Суан, В. А. Шереметьев, А. А. Кудряшова, С. П. Галкин, В. А. Андреев, С. Д. Прокошкин, В. Браиловский // Известия Вузов. Цветная металлургия. – 2020. – № 2. – С. 22–31. – DOI: 10.17073/0021-3438-2020-2-22-31.
Illarionov A. G., Grib S. V., Yurovskikh A. S. Scientific approaches to the development of titanium-based alloys for medical implants // Solid State Phenomtna. – 2020. – Vol. 299. – P. 462–467. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/SSP.299.462.
Gadala M. S. Finite Elements for Engineers with Ansys Applications. – Cambridge : Cambridge University Press, 2020. – 626 p.

Библиографическая ссылка на статью

Mukanov G. Zh., Kuznetsov V. P. The Effect of the Stress-Strain State During Rotary Forging on the Microstructure and Properties of the Ti–39nb–7zr Titanium Alloy // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 6. - P. 91-106. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.6.091-106. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_464.html
(accessed: 21.01.2025).