Структурное состояние и деформации заготовки из алюминиевого сплава в начальной стадии прессования

Выявлены особенности строения зон недостаточной проработки металла в нестационарной стадии прессования. В условиях ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод» (Россия) на прессе номинальным усилием 120 МН выполнено прессование слитка из контейнера диаметром 800 мм с получением прутка диаметром 355,6 мм. Материал слитка – алюминиевый сплав АД33 (ГОСТ 4784) – аналог сплава 6061 по стандарту ASTM системы Al–Mg–Si. Относительное обжатие в таком процессе составляло 80 %, а коэффициент вытяжки – 5,06. Дальнейшее исследование включало изучение макроструктуры, микроструктуры вдоль радиальной координаты, определение среднего размера зерна вдоль радиальной координаты, испытания механических свойств при комнатной и повышенной температурах. Установлено, что макроструктура выходной части прутка – мелкозернистая, однородная, плотная, неметаллические и интерметаллидные включения отсутствуют. Однако по поперечному сечению выявлена разноструктурность: в центре структура демонстрирует слабодеформированное состояние, сохраняя рисунок строения дендритных ячеек, унаследованных от литья; на периферии структура имеет строчечное строение, ее составляющие малого размера и равномерно распределены. Получены значения прочностных свойств при повышенных температурах и выполнено сравнение с известными из литературы данными. Материал в опытах оказался прочнее почти в 2 раза, что говорит о его неполном разупрочнении. Также выполнено сравнение пластических свойств. В расчетной части с помощью программного модуля DEFORM-2D проведено численное моделирование прессования с малым коэффициентом вытяжки. Выявлено, что металл на периферии подвергается большей степени деформации с самого начала процесса. Отслеживание ситуации по шагам показало, что на первом шаге деформации локализованы вблизи отверстия матрицы, на втором – наблюдалось образование жесткой зоны в окрестности стыка матрицы и рабочей втулки контейнера. В периферийной области установился слой металла со степенью деформации 1,75–2,00. В то же время в центре этот диапазон снизился до 0,75–1,00, т.е. значения оказались практически в 2 раза меньше. На третьем шаге периферийный слой с повышенным уровнем деформации имеет клинообразную форму, на четвертом – периферийный (с повышенной степенью деформации) слой имеет равную толщину вдоль оси прессования, что говорит о наступлении стационарной стадии. Для переднего конца прутка на периферии показатель пластической деформации выше, чем для центральной части. Это подтверждает результаты структурного анализа, где было показано, что в центральной части может сохраняться литая структура, в то время как на периферии возникают все признаки наличия деформированного состояния. Таким образом, если возникает необходимость использования этой части заготовки в качестве материала с необходимым уровнем свойств, то придется применить технологическую операцию с увеличением накопленной степени деформации. При запланированной повторной обработке прессованием создаются условия для проработки областей металла, недостаточно деформированных при первичной обработке.

1. Bauser M., Sauer G., Siegert K. Extrusion. 2nd Ed. Ohio: ASM International, 2006.

2. Sukunthakan Ngernbamrung, Yudai Suzuki, Norio Takatsuji, Kuniaki Dohda. Investigation of surface cracking of hot-extruded AA7075 billet. Procedia Manufacturing. 2018;15:217—224. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2018.07.212

3. Логинов Ю.Н. Прессование как метод интенсивной деформации металлов и сплавов. Екатеринбург: УрФУ, 2016. 156 с.

4. Mayén J., Abúndez A., Pereyra I., Colín J., Blanco A., Serna S. Comparative analysis of the fatigue short crack growth on Al 6061-T6 alloy by the exponential crack growth equation and a proposed empirical model. Engineering Fracture Mechanics. 2017;177:203-217. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2017.03.036

5. Shinobu Kaneko, Kenji Murakami, Tetsuo Sakai. Effect of the extrusion conditions on microstructure evolution of the extruded Al—Mg—Si—Cu alloy rods. Materials Science and Engineering: A. 2009; 500:8—15. https://doi.org/10.1016/j.msea.2008.09.057

6. Телешов В.В., Снегирева Л.А., Захаров В.В. О влиянии некоторых технологических факторов на структуру и свойства крупногабаритных прессованных полуфабрикатов. Технология легких сплавов. 2022;1:10—21. (In Russ).

7. Логинов Ю.Н., Дегтярева О.Ф. Влияние стадии распрессовки полого слитка из алюминиевого сплава на процесс последующего прессования. Кузнечноштамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2007;7:37—42.

8. Логинов Ю.Н., Антоненко Л.В. Изучение напряженно-деформированного состояния для предупреждения образования продольных трещин в прессованных трубах. Цветные металлы. 2010;5:119—122.

9. Danilin A.V., Danilin V.N., Romantsev B.A. Predicting the type of structure after pressing in products made of hard-to-form aluminum alloys based on the results of mathematical modeling. Kuznechno-shtampovochnoye proizvodstvo. Obrabotka materialov davleniyem. 2019;1:26—38. (In Russ).

10. Nadja Berndt, Philipp Frint, Marcus Böhme, Sören Müller, Martin F.-X. Wagner. On radial microstructural variations, local texture and mechanical gradients after cold extrusion of commercially pure aluminum. Materials Science and Engineering: A. 2022;850:143496. https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143496

11. Lin G., Song W., Feng D., Li K., Feng Y., Liu J. Study of microstructure and mechanical property heterogeneity throughout the wall thickness of high strength aluminum alloy thick-wall pipe. Journal of Materials Research. 2019:34(15);2736—2745. https://doi.org/10.1557/jmr.2019.127

12. Kai Zhang, Knut Marthinsen, Bjørn Holmedal, Trond Aukrust, Antonio Segatori. Through thickness variations of deformation texture in round profile extrusions of 6063-type aluminium alloy: Experiments, FEM and crystal plasticity modelling. Materials Science and Engineering: A. 2018;722:20—29. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.02.081

13. Ridha Hambli, Daniel Badie-Levet. Damage and fracture simulation during the extrusion processes. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2000;186(1):109—120. https://doi.org/10.1016/S0045-7825(99)00109-7

14. Berezhnoy V.L. Analysis and formalization of ideas about the unevenness of deformation for the technological development of pressing. Tekhnologiya legkikh splavov. 2013;1:40—57. (In Russ).

15. Li J., Wu X., Liao B., Cao L. Simulation of dynamic recrystallization in an Al—Mg—Si alloy during inhomogeneous hot deformation. Materials Today Communications. 2021;29:102810. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102810

16. Zhi Peng and Terry Sheppard. A study on material flow in isothermal extrusion by FEM simulation. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2004;12(5):745—763. https://doi.org/10.1088/0965-0393/12/5/001

17. Kai Zhang, Knut Marthinsen, Bjørn Holmedal, Trond Aukrust, Antonio Segatori. Through thickness variations of deformation texture in round profile extrusions of 6063-type aluminium alloy: Experiments, FEM and crystal plasticity modelling. Materials Science and Engineering: A. 2018;722:20—29. https://doi.org/10.1016/j.msea.2018.02.081

18. Wei Chen, Ying-ping Guan, Zhen-hua Wang. Hot deformation behavior of high Ti 6061 Al alloy. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2016;26(2):369—377. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(16)64129-8

19. Третьяков А.В., Зюзин В.И. Механические свойства металлов и сплавов при обработке давлением. М.: Металлургия, 1973. 224 с.

20. Колмогоров В.Л. Механика обработки металлов давлением: М.: Металлургия, 1986. 687 c.

21. Loginov Yu.N., Shimov G.V., Bushueva N.I. Deformations in the nonstationary stage of aluminum alloy rod extrusion process with a low elongation ratio. Obrabotka metallov (tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty) = Metal Working and Material Science. 2022;24(2):39—49. https://doi.org/10.17212/1994-6309-2022-24.2-39-49

22. Hongmei Che, Xianquan Jiang, Nan Qiao, Xiaokui Liu. Effects of Er/Sr/Cu additions on the microstructure and mechanical properties of Al—Mg alloy during hot extrusion. Journal of Alloys and Compounds. 2017;708:662—670. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.01.039