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.  Койшина; A.A.  Мухаметжанова; Г.К.  Малдыбаев

doi:10.51301/ejsu.2025.i2.01

Авторы

А.М. Алимжанова Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
А.Ж. Терликбаева Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
Б.Т. Сахова Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
Р.А. Шаяхметова Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
Г.М. Койшина Satbayev University, Казахстан
A.A. Мухаметжанова Национальный центр по комплексной переработке минерального сырья Республики Казахстан, Казахстан
Г.К. Малдыбаев Казахстанско-Британский технический университет, Казахстан

DOI:

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

Ключевые слова:

ультрамелкозернистость, интенсивная пластическая деформация, структура, наноразмеры, сверхпластичность, цирконий

Аннотация

В работе исследовано влияние циркония на сверхпластические свойства титановых сплавов при различных температурах и скоростях деформации. Установлено, что цирконий оказывает значительное влияние на коэффициент чувствительности к скорости деформации (m), механическую стабильность и пластичность. В условиях повышенных температур сплавы, содержащие цирконий, демонстрируют устойчивый уровень коэффициента m в определённом диапазоне скоростей деформации, после чего происходит его резкое снижение. В сплавах без циркония наблюдается постепенное уменьшение коэффициента m с увеличением скорости деформации. Оптимальные температурно-скоростные параметры сверхпластической деформации зависят от содержания циркония. Сплавы с его низкой концентрацией характеризуются высокой пластичностью при умеренных температурах и средних скоростях деформации, тогда как сплавы с более высоким содержанием циркония требуют пониженных скоростей для обеспечения равномерности деформации. Увеличение содержания циркония выше определённого уровня приводит к снижению пластичности и локализации деформации. В то же время цирконий повышает напряжение течения, тогда как увеличение температуры способствует его снижению, но сопровождается укрупнением зерна, что отрицательно влияет на механические свойства. Микроструктурный анализ методом сканирующей электронной микроскопии показал, что после сверхпластической деформации все исследуемые сплавы формируют мелкозернистую структуру, состоящую из равноосных α- и β-зёрен. Установлено, что средний размер зерна увеличивается по сравнению с исходным состоянием, что свидетельствует о процессах динамического восстановления и рекристаллизации. Полученные результаты подтверждают возможность применения исследуемых титановых сплавов в технологиях сверхпластической формовки. Выявленные закономерности позволяют определить оптимальные параметры термомеханической обработки, обеспечивающие сочетание высокой пластичности и механической стабильности, что важно для промышленного использования данных материалов.

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