Анализ температурно-деформационных условий прокатки алюминиевого сплава Al–Mg–Sc на основе моделирования методом конечных элементов

   Рассмотрены особенности радиально-сдвиговой прокатки (РСП) алюминиевого сплава Al–Mg–Sc. Реализовано моделирование процесса РСП методом конечных элементов в программе «QForm 3D» с варьированием коэффициента вытяжки за проход и скорости прокатки. На основе полученных результатов проведено исследование температурного поля прутка в очаге деформации с учетом цикличности деформации и конфигурации траекторий течения. Установлено, что температурное поле в очаге деформации определяется существенными различиями в геометрии траекторий течения металла в поверхностных слоях и осевой зоне. При варьировании коэффициента вытяжки от 1,6 до 2,4 разогрев происходит неравномерно от центра к поверхности. Наибольшее увеличение температуры происходит для области, которая находится на расстоянии ~ 0,3R от поверхности. Для осевой зоны изменение температуры в очаге деформации происходит плавно и с незначительной разницей по величине (5–10 °С). Наибольшие колебания температуры отмечены на поверхности прутка – это объясняется деформационным разогревом максимальной интенсивности и одновременным контактом с холодным инструментом при каждом цикле деформации. При снижении скорости прокатки наблюдается картина распределения температурного поля прутка в очаге деформации с превышением температуры центральных слоев по сравнению с поверхностью. Из-за длительного времени контакта прутка с валком на поверхности происходят колебания температуры до 40–50 °С при каждом цикле деформации. При увеличении скорости прокатки амплитуда колебаний температуры на поверхности уменьшается, а  деформационный разогрев возрастает. Полученные данные о связи управляющих технологических параметров с изменением температурного поля заготовки могут быть полезны при проектировании технологических режимов прокатки.

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. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение): Справочник / В. М. Белецкий, Г. А. Кривов. – Киев: КОМИНТЕХ, 2005 / Beletskii V. M., Krivov G. A. Aluminum alloys (composition, properties, technology, application): Handbook. Kiev: KOMINTEKh, 2005 (In Russ.).

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. Бронз А. В. Сплав 1570С — материал для герметичных конструкций перспективных многоразовых изделий РКК «ЭНЕРГИЯ» / А. В. Бронз [и др.] // Косм. техника и технологии. – 2014. – No. 4 (7). – C. 62—67 / Bronz A. V., Efremov V. I., Plotnikov A. D., Chernyavskii A. G. Alloy 1570S is a material for sealed structures of promising reusable products of RSC ENERGIA. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii. 2014. No. 4 (7). P. 62—67 (In Russ.).

5. Hirsch J. Aluminium sheet fabrication and processing. In: Fundamentals of aluminium metallurgy: production, processing and applications. Cambridge, UK: Woodhead Publ. Ltd., 2011. Р. 719—746. https://doi.org/10.1533/9780857090256.3.719

6. Kleiner M., Chatti S., Klaus A. Metal forming techniques for lightweight construction. J. Mater. Process. Technol. 2006. Vol 177. No. 1—3. P. 2—7. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2006.04.085.

7. Добаткин С. В. Механические свойства субмикрокристаллических сплавов Al—Mg (АМг6) и Al—Mg—Sc (01570) / С. В. Добаткин [и др.] // Технол. легких сплавов. – 2010. – No. 1. – C. 74—84 / Dobatkin S. V., Zakharov V. V., Perevezentsev V. N., Rostova T. D., Kopylov V. N., Raab G. I. Mechanical properties of submicrocrystalline alloys Al—Mg (AMg6) and Al—Mg—Sc (01570). Tekhnologiya legkikh splavov. 2010 No. 1. P. 74—84 (In Russ.).

8. Уазырханова Г. К. Cтруктура и механические свойства алюминиевых сплавов АМц и АМг6 после пластической деформации / Г. К. Уазырханова [и др.] // Вестн. Караганд. ун-та. Cер. Физика. – 2017. – No. 3 (87). – С. 38—47 / Uazyrkhanova G. K., Rakhadilov B. K., Vieleba V. K., Uazyrkhanova Zh. K. Structure and mechanical properties of AMts and AMg6 aluminum alloys after plastic deformation. Vestnik Karagandinskogo universiteta. Cer. Fizika. 2017. No. 3 (87). P. 38—47 (In Russ.).

9. Sitdikov O., Avtokratova E., Sakai T., Tsuzaki K., Kaibyshev R., Watanabe Y. Effect of processing temperature on microstructure development during ECAP of Al—Mg—Sc alloy. Mater. Sci. Forum. 2008. Vol. 584—586. P. 481—486. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.584-586.481.

10. Sitdikov O., Sakai T., Avtokratova E., Kaibyshev R., Kimura Y., Tsuzaki K. Grain refinement in a commercial Al—Mg—Sc alloy under hot ECAP conditions. Mater. Sci. Eng. A. 2007. Vol. 444. No. 1—2. P. 18—30. https://doi.org/10.1016/j.msea.2006.06.081.

11. Филатов Ю. А. Сплавы системы Al—Mg—Sc как особая группа деформируемых алюминиевых сплавов / Ю. А. Филатов. – Технол. легких сплавов. – 2014. – No. 2. – С. 34—41 / Filatov Yu. A. Alloys of the Al—Mg—Sc system as a special group of wrought aluminum alloys. Tekhnologiya legkikh splavov. 2014. No. 2. P. 34—41 (In Russ.)

12. Han X., Wang S., Wei B., Pan S., Liao G., Li W. Wei Y. Influence of Sc addition on precipitation behavior and properties of Al—Cu—Mg alloy. Acta Metall. Sin. (Engl. Lett.). 2021. https://doi.org/10.1007/s40195-021-01328-9.

13. Buranova Yu., Kulitskiy V., Peterlechner M., Mogucheva A., Kaibyshev R., Divinski S. V., Wilde G. Al₃ (Sc,Zr)-based precipitates in Al—Mg alloy: Effect of severe deformation. Acta Mater. 2017. Vol. 124. P. 210—224. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.10.064.

14. Lathabai S., Lloyd P. G. The effect of scandium on the microstructure, mechanical properties and weldability of a cast Al—Mg alloy. Acta Mater. 2002. Vol. 50. No. 17. P. 4275—4292. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(02)00259-8.

15. Arbuz A., Kawalek A., Ozhmegov K., Dyja H., Panin E., Lepsibayev A., Sultanbekov S., Shamenova R. Using of radialshear rolling to improve the structure and radiation resistance of zirconium-based alloys. Materials. 2020. Vol. 13. No. 19. Paper 4306. https://doi.org/10.3390/ma13194306.

16. Патрин П. В. Оценка технологических возможностей радиально-сдвиговой прокатки сортового проката из жаропрочного сплава ХН73МБТЮ / П. В. Патрин [и др.] // Сталь. – 2020. – No. 1. – С. 18—21 / Patrin P. V., Karpov B. V., Aleshchenko A. S., Galkin S. P. Capability process assessment of radial-displacement rolling of heat-resistant alloy HN73MBTYU. Steel Transl. 2020. Vol. 50. No. 1. P. 42—45 (In Russ.).

17. 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. P. 51—61. DOI:10.1007/s11015-019-00793-z.

18. Stefanik A., Szota P., Mróz S. Analysis of the effect of rolling speed on the capability to produce bimodal-structure AZ31 alloy bars in the three-high skew rolling mill. Arch. Metall. Mater. 2020. Vol. 65. No. 1. P. 329—335. DOI: 10.24425/amm.2020.131734.

19. Galkin S. P., Aleschenko A. S., Romantsev B. A., Gamin Yu. V., Iskhakov R. V. Effect of preliminary deformation of continuously cast billets by radial-shear rolling on the structure and properties of hot-rolled chromium-containing steel pipes. Metallurgist. 2021. Vol. 65. P. 185—195. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01147-4.

20. Lezhnev S. N., Naizabekov A. B., Panin E. A., Volokitina I. E., Arbuz A. S. Graded microstructure preparation in austenitic stainless steel during radial-shear rolling. Metallurgist. 2021. Vol. 64. P. 1150—1159. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01100-5.

21. Gamin Y. V., Galkin S. P., Romantsev B. A., Koshmin A. N., Goncharuk A. V., Kadach M. V. Influence of radial-shear rolling conditions on the metal consumption rate and properties of D16 aluminum alloy rods. Metallurgist. 2021. Vol. 65. P. 650—659. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01202-0.

22. Koshmin A. N., Zinoviev A. V., Chasnikov A. Y., Grachev G. N. Investigation of the stress-strain state and microstructure transformation of electrotechnical copper buses in the deformation zone during continuous extrusion. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2021. No. 62. P. 179—189. https://doi.org/10.3103/S1067821221020085.

23. Xuan T. D., Sheremetyev V. A., Komarov V. S., Kudryashova A. A., Galkin S. P., Andreev V. A, Prokoshkin S. D., Brailovski V. Comparative study of superelastic Ti—Zr—Nb and commercial VT6 alloy billets by QForm simulation. Russ. J. Non-ferr. Met. 2021. No. 62. P. 39—47. https://doi.org/10.3103/S1067821221010168.

24. Aleshchenko A. S., Budnikov A. S., Kharitonov E. A. Metal forming study during pipe reduction on three-high rolling mills. Steel Transl. 2019. Vol. 49. P. 661—666. https://doi.org/10.3103/S0967091219100024.

25. Akopyan T. K., Gamin Y. V., Galkin S. P., Prosviryakov A. S., Aleshchenko A. S., Noshin M. A., Koshmin A. N., Fomin A. V. Radial-shear rolling of high-strength aluminum alloys: Finite element simulation and analysis of microstructure and mechanical properties. Mater. Sci. Eng. A. 2020. Vol. 786. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139424

26. Lv J., Zheng J.-H., Yardley V. A., Shi Z., Lin J. A review of microstructural evolution and modelling of aluminium alloys under hot forming conditions. Metals. 2020. Vol. 10. No. 11. Paper 1516. https://doi.org/10.3390/met10111516.

27. Kostin V. A., Grigorenko G. M. Modeling of additive process of formation of thin-walled cylindrical shells. Electrometall. Today. 2018. No. 04. P. 52—61. https://doi.org/10.15407/sem2018.04.04.

28. Павлов И. М. Теория прокатки / И. М. Павлов. – М.: Металлургиздат, 1950 / Pavlov I. M. Theory of rolling. Moscow: Metallurgizdat, 1950 (In Russ.).

29. Samusev S. V., Fadeev V. A., Sidorova T. Y. Development of effective roll-pass designs for production of longitudinally welded pipes of small and medium diameters. Metallurgist. 2020. No. 64. P. 658—664. https://doi.org/10.1007/s11015-020-01042-4.

30. Galkin S. P. Trajectory of deformed metal as basis for controlling the radial-shift and screw rolling. Steel Transl. 2004. No. 7. P. 63—66.

31. Галкин С. П. Теория и технология стационарной винтовой прокатки заготовок и прутков малопластичных сталей и сплавов: Автореф. дис. … докт. техн. наук / С. П. Галкин. – М.: МИСиС, 1998 / Galkin S. P. Theory and technology of stationary helical rolling of blanks and bars of low-ductility steels and alloys: Abstract of a thesis of the dissertation of Dr. Sci. (Eng.). Moscow: MISIS, 1998 (In Russ.).

32. Gamin Y. V., Akopyan T. K., Koshmin A. N., Dolbachev A. P., Goncharuk A. V. Microstructure evolution and property analysis of commercial pure Al alloy processed by radial-shear rolling. Archiv. Civ. Mech. Eng. 2020. Vol. 20. No. 143. https://doi.org/10.1007/s43452-020-00143-w.