Роль циркония в формировании структуры и свойств титановых сплавов при сверхпластической деформации

А.М.  Алимжанова; А.Ж.  Терликбаева; Б.Т. Сахова; Р.А.  Шаяхметова; Г.М. Қойшина; A.A.  Мухаметжанова; Г.К.  Малдыбаев

doi:10.51301/ejsu.2025.i2.01

Авторы

А.М. Алимжанова Қазақстан Республикасының минералдық шикізатты кешенді қайта өңдеу жөніндегі ұлттық орталығы, Қазақстан
А.Ж. Терликбаева Қазақстан Республикасының минералдық шикізатты кешенді қайта өңдеу жөніндегі ұлттық орталығы, Қазақстан
Б.Т. Сахова Қазақстан Республикасының минералдық шикізатты кешенді қайта өңдеу жөніндегі ұлттық орталығы, Қазақстан
Р.А. Шаяхметова Қазақстан Республикасының минералдық шикізатты кешенді қайта өңдеу жөніндегі ұлттық орталығы, Қазақстан
Г.М. Қойшина Satbayev University, Қазақстан
A.A. Мухаметжанова Қазақстан Республикасының минералдық шикізатты кешенді қайта өңдеу жөніндегі ұлттық орталығы, Қазақстан
Г.К. Малдыбаев Қазақстан-Британ техникалық университеті, Қазақстан

##plugins.pubIds.doi.readerDisplayName##:

https://doi.org/10.51301/ejsu.2025.i2.01

Ключевые слова:

ультра ұсақ дәнділік, қарқынды пластикалық деформация, құрылым, наноөлшемдер, аса пластикалылық, цирконий

Аннотация

Бұл жұмыста әртүрлі температуралар мен деформация жылдамдықтарында цирконийдің титан қорытпаларының аса пластикалық қасиеттеріне әсері зерттелді. Цирконийдің деформация жылдамдығына сезімталдық коэффициентіне (m), механикалық тұрақтылыққа және пластикалылыққа едәуір ықпал ететіні анықталды. Жоғары температура жағдайында цирконий бар қорытпалар белгілі бір деформация жылдамдықтарында m коэффициентінің тұрақты деңгейін көрсетеді, кейін ол күрт төмендейді. Ал цирконийсіз қорытпаларда деформация жылдамдығы артқан сайын бұл коэффициент біртіндеп азаяды. Аса пластикалық деформацияның оңтайлы температуралық және жылдамдықтық параметрлері цирконий мөлшеріне байланысты болады. Цирконийдің төмен концентрациясы бар қорытпалар орташа температура мен деформация жылдамдығында жоғары пластикалылықпен сипатталады, ал цирконийдің жоғары мөлшері бар қорытпалар біркелкі деформацияны қамтамасыз ету үшін төмен жылдамдықты талап етеді. Белгілі бір деңгейден асқан цирконий мөлшері пластикалылықтың төмендеуіне және деформацияның локализациясына әкеледі. Сонымен қатар цирконий аққыштық кернеуді арттырады, ал температураның көтерілуі бұл кернеуді азайтады, бірақ дәннің іріленуіне алып келеді, бұл механикалық қасиеттерге теріс әсер етеді. Сканерлейтін электрондық микроскопия әдісімен жүргізілген микроструктуралық талдау аса пластикалық деформациядан кейін барлық зерттелген қорытпаларда эквиаҡсы α- және β-дәндерден тұратын ұсақ дәнді құрылым қалыптасатынын көрсетті. Орташа дән өлшемі бастапқы күймен салыстырғанда артатыны анықталды, бұл динамикалық қалпына келу мен рекристаллизация процестерінің жүргенін білдіреді. Алынған нәтижелер зерттелген титан қорытпаларын аса пластикалық қалыптау технологияларында қолдануға болатынын дәлелдейді. Айқындалған заңдылықтар бұл материалдардың өнеркәсіптік қолданылуы үшін жоғары пластикалылық пен механикалық тұрақтылықты қамтамасыз ететін оңтайлы термомеханикалық өңдеу параметрлерін анықтауға мүмкіндік береді.

Библиографические ссылки

Meyers, M.A., Mishra, A. & Benson, D.J. (2006). Mechanical properties of nanocrystalline materials. Progress in Materials Science, 51, 427-556. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2005.08.003

Valiev, R.Z., Estrin, Y. & Horita, Z. (2015). Fundamentals of superior properties in bulk Nano SPD materials. Materials Re-search Letters, 4, 1-21. https://doi.org/10.1080/21663831.2015.1060543

Valiev, R.Z., Estrin, Y. & Horita, Z. (2006). Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation. JOM, 58, 33-39. https://doi.org/10.1007/s11837-006-0213-7

Valiev, R.Z., Langdon, T.G. (2010). The art and science of tailoring materials by nanostructuring for advanced properties using SPD techniques. Advanced Engineering Materials, 12, 677-691. https://doi.org/10.1002/adem.201000019

Sergueeva, A.V., Stolyarov, V.V., Valiev, R.Z. & Mukherjee, A.K. (2001). Advanced mechanical properties of pure titanium with ultrafine-grained structure. Scripta Materialia, 45, 747-752. https://doi.org/10.1016/S1359-6462(01)01089-2

Valiev, R.Z. (1995). Approach to nanostructured solids through the studies of submicron grained polycrystals. Nanostructured Materials, 6, 73. https://doi.org/10.1016/0965-9773(95)00031-3

Salishchev, G.A., Galeyev, R.M. & Valiahmetov, O.R. (1994). Dynamic recrystallization of titanium. Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Metally, (1), 125-129

Salishchev, G.A., Valiahmetov, O.R., Galeyev, R.M. & Malysheva, S.P. (1996). Formation of submicrocrystalline struc-ture in titanium during plastic deformation and its effect on me-chanical properties. Metally, (4), 86

Zherebtsov, S.V., Salishchev, G.A. & Galeyev, R.M. (2002). Formation of submicrocrystalline structure in titanium and its al-loy under severe plastic deformation. Defect and Diffusion Fo-rum, 208-209, 237-240. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/DDF.208-209.237

Zherebtsov, S.V., Galeyev, R.M. & Valiahmetov, O.R. (1999). Formation of submicrocrystalline structure in titanium alloys by severe plastic deformation. Kuznechno-Shtampovochnoe Pro-izvodstvo, (7), 17-22.

Stolyarov, V.V., Zhu, Y.T., Alexandrov, I.V., Lowe, T.C. & Valiev, R.Z. (2001). Influence of ECAP routes on the micro-structure and properties of pure Ti. Materials Science and Engi-neering A, 299, 59. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01411-8

Raab, G.I., Soshnikova, E.P. & Valiev, R.Z. (2004). Influence of temperature and hydrostatic pressure during equal channel angular pressing on the microstructures of commercial-purity Ti. Materials Science and Engineering A, 387-389, 674-677. https://doi.org/10.1016/j.msea.2004.01.137

Stolyarov, V.V., Zhu, Y.T., Lowe, T.C. & Valiev, R.Z. (2001). Microstructure and properties of pure Ti processed by ECAP and cold extrusion. Materials Science and Engineering A, 303, 82-89. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(00)01884-0

Valiev, R.Z., & Alexandrov, I.V. (2000). Nanostructured mate-rials obtained by severe plastic deformation. Logos. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00007-9

Stolyarov, V.V., Zhu, Y.T., Alexandrov, I.V., Lowe, T.C. & Valiev, R. Z. (2003). Grain refinement and properties of pure Ti processed by warm ECAP and cold rolling. Materials Science and Engineering A, 343, 43. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00366-0

Raab, G.I., Valiev, R.Z. (2008). Equal-channel angular pressing by the ‘Conform’ scheme for long-length nanostructured titani-um semi-finished products. Kuznechno-Shtampovochnoe Pro-izvodstvo. Obrabotka Metallov Davleniem, (1), 21-27

Segal, V.M., Reznikov, V.I. & Kopylov, V.I. (1994). Plastic structure formation processes in metals. Nauka i Tekhnika

Pippan, R., Hohenwarter, A. (2016). The importance of fracture toughness in ultrafine and nanocrystalline bulk materials. Mate-rials Research Letters, 4, 127-136. https://doi.org/10.1080/21663831.2016.1166403

Hohenwarter, A., Pippan, R. (2015). Fracture and fracture toughness of nanopolycrystalline metals produced by severe plastic deformation. Philosophical Transactions of the Royal So-ciety A, 373, 20140366. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0366

Hohenwarter, A., Pippan, R. (2011). An overview on the frac-ture behavior of metals processed by high-pressure torsion. Ma-terials Science Forum, 667-669, 671-676. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.667-669.671

Boyer, R., Welsch, G. & Collings, E.W. (1998). Materials prop-erties handbook: Titanium alloys. ASM International

Ritchie, R.O. (2011). The conflicts between strength and tough-ness. Nature Materials, 10(11), 817-822. https://doi.org/10.1038/nmat3115

Fan, J.K., Kou, H.C. & Lai, M.J. (2013). Relationship between fracture toughness and microstructure of a new near-β titanium alloy. Proceedings of the 8th Pacific Rim International Congress on Advanced Materials and Processing, 4, 3371-3378. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48764-9_417

Skvortsova, S., Grushin, I., Umarova, O. & Speranskiy, K. (2017). Effect of rare-earth element addition on structure of heat-resistant Ti–6.5Al–4Zr–2.5Sn–2.4V–1Nb–0.5Mo–0.2Si titani-um alloy. MATEC Web of Conferences, 114, 02008. https://doi.org/10.1051/matecconf/201711402008

Kaibyshev, O.A. (1984). Superplasticity of industrial alloys. Metallurgiya.

Valiev, R.Z. & Alexandrov, I. V. (2007). Bulk nanostructured metallic materials: Production, structure, and properties. Academkniga.

Lutfullin, R.Ya., Kruglov, A.A., Mukhametrakhimov, M.Mh. & Rudenko, O.A. (2015). Superplasticity of metallic materials. Let-ters on Materials, 5(2), 185. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2015-2-185-188

Grabski, M.V. (1975). Structural superplasticity of metals, 272 p. Metallurgiya.

Smirnov, O.M. (1979). Pressure treatment of metals in the state of superplasticity, 184 p. Mashinostroenie

Padmanabhan, K.A., Davies, J.J. (1980). Superplasticity, 314 p.. Springer-Verlag. https://doi.org/10.1007/978-3-642-81456-3

Novikov, I.I., Portnoi, V.K. (1981). Superplasticity of alloys with ultrafine grain, 168 p. Metallurgiya.

Kaibyshev, O.A. (1984). Superplasticity of industrial alloys (264 pp.). Metallurgiya.

Segal, V.M., Reznikov, V.I., Kopylov, V.I. & Pavlik, D.A. (1994). Plastic structure formation in metals. Nauka i Tekhnika.

Nieh, T.G., Wadsworth, J., Sherby, O.D. (1997). Superplastici-ty in metals and ceramics, 287 p. Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511525230

Vasin, R.A., Enikeev, F.U. (1998). Introduction to the super-plasticity mechanics. Gilem.

Padmanabhan, K.A., Vasin, R.A. & Enikeev, F.U. (2001). Superplastic flow: Phenomenology and mechanics. Springer-Verlag. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04367-7

Chumachenko, E.N., Smirnov, O.M. & Tsepin, M.A. (2005). Superplasticity: Materials, theory, technology. KomKniga.

Segal, V.M., Beyerlein, I.J. & Tomé, C.N. (2010). Fundamen-tals and engineering of severe plastic deformation. Nova Science Publishers.

Langdon, T.G. (2016). Forty-five years of superplastic research: Recent developments and future prospects. Materials Science Forum, 838-839, 3-12. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.838-839.3

Sharifullina, E.R., Shveikin, A.I. & Trusov, P.V. (2018). Re-view of experimental studies on structural superplasticity: Inter-nal structure evolution of material and deformation mechanisms. PNRPU Mechanics Bulletin, 3, 103-127. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2018.3.11

Mikhaylovskaya, A.V., Mosleh, A.O. & Kotov, A.D. (2017). Superplastic deformation behavior and microstructure evolution of near-α Ti-Al-Mn alloy. Materials Science and Engineering A, 708, 469-477. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.10.017

Mosleh, A.O., Mikhaylovskaya, A.V. & Kotov, A.D. (2018). Experimental investigation of the effect of temperature and strain rate on the superplastic deformation behavior of Ti-based alloys in the (α + β) temperature field. Metals, 8(10), 819. https://doi.org/10.3390/met8100819

Segal, V.M., Reznikov, V.I., Dobryshevshiy, A.E. & Kopylov, V.I. (1981). Plastic working of metals by simple shear. Russian Metallurgy (Metally), 1(1), 99-105

Gromov, N.P. (1967). Theory of metal forming. Metallurgiya.

Kaibyshev, O.A., Utyashev, F.Z. (2002). Superplasticity, struc-ture refinement, and processing of hard-to-deform alloys. Nau-ka.

Cheng, Y.Q., Zhang, H., Chen, Z.H. & Xian, K.F. (2008). Flow stress equation of AZ31 magnesium alloy sheet during warm tensile deformation. Journal of Materials Processing Technolo-gy, 208(1-3), 29-34. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.12.095

Vasin, R.A., Enikeev, F.U., Kruglov, A.A. & Safiullin, R.V. (2003). On the identification of constitutive relations by the re-sults of technological experiments. Mechanics of Solids, 38(2), 90-100

Lee, S.W., Yeh, J.W. (2007). Superplasticity of 5083 alloys with Zr and Mn additions produced by reciprocating extrusion. Materials Science and Engineering A, 460-461, 409-419. https://doi.org/10.1016/j.msea.2007.01.121