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

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.

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)

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)

     

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: 21.12.2024).