Изучение влияния режимов радиально-сдвиговой прокатки на температурно-деформационные условия процесса обработки алюминия АД0

Проведен анализ влияния режимов деформации на условия процесса радиально-сдвиговой прокатки (РСП) алюминия технической чистоты АД0. На основе моделирования методом конечных элементов (МКЭ) получено изменение температуры при различных углах подачи и вытяжках в первом и последнем проходах. Увеличение угла подачи незначительно повышает колебания температуры в поверхностном слое за счет роста частного обжатия, но несущественно влияет на общий деформационный разогрев в процессе РСП. Температуру окончания деформации возможно контролировать с помощью варьирования степени обжатия. При этом необходимо учитывать исходную температуру нагрева, размеры получаемого конечного проката и вытяжку за проход. Размер заготовки оказывает существенное влияние на тепловые изменения в процессе РСП. В последнем проходе, когда диаметральные размеры составляют 20–14 мм, деформационный разогрев практически полностью компенсируется охлаждением прутка при контакте с окружающей средой и инструментом и начинает преобладать с повышением коэффициента вытяжки больше 1,2. Анализ накопленной степени деформации (ε_н) при различных режимах деформации показал, что разница значений ε_н по поперечному сечению прутка уменьшается при увеличении угла подачи. Сопоставление полученных данных с твердостью и микроструктурой прокатанных образцов АД0 показывает, что величина ε_н оказывает значительное влияние на изменение структуры и свойств до определенного значения, что подтверждается полученным распределением микротвердости по поперечному сечению прутков. Механические свойства полученных прутков соответствуют свойствам алюминия технической чистоты в нагартованном состоянии (σ_в ~ 115 МПа, σ_0,2 ~ 110 МПа, δ ~ 1 %, HV ~ 40÷43).

алюминий, радиально-сдвиговая прокатка, моделирование методом конечных элементов, пластическая деформация, угол подачи, коэффициент вытяжки, режимы деформации

1. Totten G.E., MacKenzie D.S. Handbook of aluminium. Vol. 1. Physical metallurgy and processes. N.Y.: Marcel Dekker Inc., 2003.

2. Белецкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы (Состав, свойства, технология, применение): Справочник. Киев: КОМИНТЕХ, 2005.

3. Williams J.C., Starke E.A. Progress in structural materials for aerospace systems. Acta Mater. 2003. Vol. 51. No. 19. P. 5775—5799. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2003.08.023.

4. Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы: Справочник. М.: Металлургия, 1984.

5. Арчакова З.Н., Балахонцев Г.А., Басова И.Г. и др. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справочник. М.: Металлургия, 1984.

6. Kliauga A.M., Sordi V.L., De Vincentis N.S., Bolmaro R.E., Schell N., Brokmeier H.-G. Severe plastic deformation by equal channel angular pressing and rolling: the influence of the deformation path on strain distribution. Adv. Eng. Mater. 2018. Vol. 20. No. 4. Paper 1700055. https://doi.org/10.1002/adem.201700055.

7. Verlinden B., Chen E., Duchêne L., Habraken A.M. Transient yielding during compression tests on ECAP’ed AA1050 aluminium. Mater. Sci. Forum. 2011. Vols. 667—669. P. 955—960. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.667-669.955.

8. Saito Y., Utsunomiya H., Tsuji N., Sakai T. Novel ultra-high straining process for bulkmaterials—development of the accumulative roll-bonding (ARB) process. Acta Mater. 1999. Vol. 47. No. 2. P. 579—583. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(98)00365-6.

9. Lanjewar H., Naghdy S., Vercruysse F., Kestens L.A.I., Verleysen P. Severe plastically deformed commercially pure aluminum: Substructure, micro-texture and associated mechanical response during uniaxial tension. Mater. Sci. Eng. A. 2019. Vol. 764. Paper 138195. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138195.

10. Verleysen P., Lanjewar H. Dynamic high pressure torsion: A novel technique for dynamic severe plastic deformation. J. Mater. Process. Technol. 2020. Vol. 276. Paper 116393. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116393.

11. Vu V.Q., Prokof’eva O., Toth L.S., Usov V., Shkatulyak N., Estrin Y., Kulagin R., Varyukhin V., Beygelzimer Y. Obtaining hexagon-shaped billets of copper with gradient structure by twist extrusion. Mater. Charact. 2019. Vol. 153. P. 215—223. https://doi.org/10.1016/j.matchar.2019.04.042.

12. Faregh S.S.H., Hassani A. Stress and strain distribution in twist extrusion of AA6063 aluminum alloy. Int. J. Mater. Form. 2018. Vol. 11. No. 2. P. 175—184. https://doi.org/10.1007/s12289-017-1340-0.

13. Zhu Q.F., Zhao Z.H., Zuo Y.B., Li L., Cui J.Z. The structure evolution of a 99.995 percent high purity aluminum during multi-forging process in room temperature. Mater. Sci. Forum. 2014. Vol. 794—796. P. 876—881. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.794-796.876.

14. Galkin S.P., Romantsev B.A., Kharitonov E.A. Putting into practice innovative potential in the universal radial-shear rolling process. CIS Iron Steel Rev. 2014. No. 9. P. 35—39.

15. Galkin S.P., Kharitonov E.A., Romanenko V.P. Screw rolling for pipe-blank production. Steel Trans. 2009. Vol. 39. No. 8. P. 700—703. https://doi.org/10.3103/S096709120908018X.

16. Valeev I.S., Valeeva A.K., Fazlyakhmetov R.F., Khalikova G.R. Effect of radial-shear rolling on structure of aluminum alloy D16 (Al—4.4Cu—1.6Mg). Inorg. Mater. Appl. Res. 2015. Vol. 6. No. 1. P. 45—48. https://doi.org/10.1134/S2075113315010153.

17. Shurkin P.K., Akopyan T.K., Galkin S.P., Aleshchenko A.S. Effect of radial shear rolling on the structure and mechanical properties of a new-generation high-strength aluminum alloy based on the Al—Zn—Mg—Ni—Fe system. Metal Sci. Heat Treat. 2019. Vol. 60. No. 11—12. P. 764—769. https://doi.org/10.1007/s11041-019-00353-x.

18. Stefanik A., Szota P., Mróz S., Bajor T., Dyja H. Properties of the AZ31 magnesium alloy round bars obtained in different rolling processes. Arch. Metall. Mater. 2015. Vol. 60. No. 4. P. 3002—3005. https://doi.org/10.1515/amm-20150479.

19. Galkin S.P., Romantsev B.A., Ta D.X., Gamin Yu.V. Resource-saving technology for production of round bars from used shaft of rolling railroad stock. Chernye Metally. 2018. No. 4. P. 20—27.

20. Skripalenko M.M., Romantsev B.A., Kaputkina L.M., Galkin S.P., Skripalenko M.N., Cheverikin V.V. Study of transient and steady-state stages during two-high and threehigh screw rolling of a 12Kh18N10T steel workpiece. Metallurgist. 2019. Vol. 63. No. 3—4. P. 366—375. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00832-9.

21. Karpov B.V., Patrin P.V., Galkin S.P., Kharitonov E.A., Karpov I.B. Radial-shear rolling of titanium alloy VT-8 bars with controlled structure for small diameter ingots (≤ 200 mm). Metallurgist. 2018. Vol. 61. No. 9—10. P. 884—890. https://doi.org/10.1007/s11015-018-0581-6.

22. Sheremetyev V., Kudryashova A., Cheverikin V., Korotitskiy A., Galkin S., Prokoshkin S., Brailovski V. Hot radial shear rolling and rotary forging of metastable beta Ti18Zr—14Nb (at.%) alloy for bone implants: Microstructure, texture and functional properties. J. Alloy. Compd. 2019. Vol. 800. P. 320—326. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.041.

23. Sheremet’ev V.A., Kudryashova A.A., Dinh X.T., Galkin S.P., Prokoshkin S.D., Brailovskii V. Advanced technology for preparing bar from medical grade Ti—Zr—Nb superelastic alloy based on combination of radial-shear rolling and rotary forging. Metallurgist. 2019. Vol. 63. No. 1—2. P. 51—61. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00793-z.

24. Lopatin N.V., Salishchev G.A., Galkin S.P. Mathematical modeling of radial-shear rolling of the VT6 titanium alloy under conditions of formation of a globular structure. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2011. Vol. 52. No. 5. P. 442—447. https://doi.org/10.3103/S1067821211050075.

25. Romancev B.A., Goncharuk A.V., Aleshchenko A.S., Gamin Y.V. Production of hollow thick-walled profiles and pipes made of titanium alloys by screw rolling. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 5. P. 522—526. https://doi.org/10.3103/S1067821215050132.

26. Diez M., Kim H.-E., Serebryany V., Dobatkin S., Estrin Y. Improving the mechanical properties of pure magnesium by three-roll planetary milling. Mater. Sci. Eng. A. 2014. Vol. 612. P. 287—292. https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.06.061.

27. Dobatkin S., Galkin S., Estrin Y., Serebryany V., Diez M., Martynenko N., Lukyanova E., Perezhogin V. Grain refinement, texture, and mechanical properties of a magnesium alloy after radial-shear rolling. J. Alloy. Compd. 2019. Vol. 774. P. 969—979. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.09.065.

28. Ding, X.-F., Shuang, Y.-H., Liu, Q.-Z., Zhao, C.-J. New rotary piercing process for an AZ31 magnesium alloy seamless tube. Mater. Sci. Tech. (U.K.). 2018. Vol. 34. No. 4. P. 408—418. https://doi.org/10.1080/02670836.2017.1393998.

29. Akopyan T.K., Belov N.A., Aleshchenko A.S., Galkin S.P., Gamin Y.V., Gorshenkov M.V., Cheverikin V.V., Shurkin P.K. Formation of the gradient microstructure of a new Al alloy based on the Al—Zn—Mg—Fe—Ni system processed by radial-shear rolling. Mater. Sci. Eng. A. 2019. Vol. 746. P. 134—144. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.01.029.

30. Akopyan T.K., Aleshchenko A.S., Belov N.A., Galkin S.P. Effect of radial—shear rolling on the formation of structure and mechanical properties of Al—Ni and Al—Ca aluminum—matrix composite alloys of eutectic type. Phys. Metal. Metallogr. 2018. Vol. 119. No. 3. P. 241—250. https://doi.org/10.1134/S0031918X18010039.

31. Горелик С.С., Добаткин С.В., Капуткина Л.М. Рекристаллизация металлов и сплавов. 3-е изд. М.: МИСИС, 2005.

32. Fomin A.V., Aleshchenko A.S., Maslennikov I.M., Galkin S.P., Nikulin A.N. Structural and analytical evaluation of the strain intensity and its components during crossroll piercing at different feed angles. Metallurgist. 2019. Vol. 63. No. 5—6. P. 477—486. https://doi.org/10.1007/s11015-019-00848-1.

33. Kazuyuki N., Kouichi K., Chihiro H. Development and features of rotary reduction mill. ISIJ Intern. 1991. Vol. 31. No. 6. P. 620—627. https://doi.org/10.2355/isijinternational.31.620.

34. Skripalenko M.M., Galkin S.P., Sung H.J., Romantsev B.A., Huy T.B., Skripalenko M.N., Kaputkina L.M., Sidorow A.A. Prediction of potential fracturing during radial-shear rolling of continuously cast copper billets by means of computer simulation. Metallurgist. 2019. Vol. 62. No. 9—10. P. 849—856. https://doi.org/10.1007/s11015-01900728-8.

35. Deng G.Y., Zhu Q., Tieu K., Zhu H.T., Reid M., Saleh A.A., Su L.H., Ta T.D., Zhang J., Lu C., Wu Q., Sun D.L. Evolution of microstructure, temperature and stress in a high speed steel work roll during hot rolling: Experiment and modeling. J. Mater. Process. Technol. 2017. Vol. 240. P. 200—208. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.09.025.

36. Zhang Z., Liu D., Yang Y., Zheng Y., Pang Y., Wang J., Wang H. Explorative study of rotary tube piercing process for producing titanium alloy thick-walled tubes with bi-modal microstructure. Arch. Civ. Mech. Eng. 2018. Vol. 18. No. 4. P. 1451—1463. https://doi.org/10.1016/j.acme.2018.05.005.

37. QuantorForm2019. URL: https://qform3d.com (accessed: 26.11.2019).

38. Zhang Z., Liu D., Yang Y., Wang J., Zheng Y., Zhang F. Microstructure evolution of nickel-based superalloy with periodic thermal parameters during rotary tube piercing process. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019. Vol. 104. No. 9—12. P. 3991—4006. https://doi.org/10.1007/s00170019-04126-x.

39. Hallberg H., Wallin M., Ristinmaa M. Modeling of continuous dynamic recrystallization in commercialpurity aluminum. Mater. Sci. Eng. A. 2010. Vol. 527. No. 4—5. P. 1126—1134. https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.09.043.

40. Hallberg H. Influence of process parameters on grain refinement in AA1050 aluminum during cold rolling. Int. J. Mech. Sci. 2013. Vol. 66. P. 260—272. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2012.11.016.

41. Wang Y.L., Molotnikov A., Diez M., Lapovok R., Kim H.-E., Wang J.T., Estrin Y. Gradient structure produced by three roll planetary milling: Numerical simulation and microstructural observations. Mater. Sci. Eng.: A. 2015. Vol. 639. P. 165—172. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.04.078.