ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Сплавы с памятью формы на основе TiNi обладают набором свойств, включающим в себя биосовместимость, коррозионную стойкость, низкую плотность, высокую удельную прочность, термическую стабильность, память формы и сверхупругость. Большое количество исследований в настоящее время посвящают различным деформационным способам обработки таких материалов с целью повышения механических свойств и свойств памяти формы. Одним из них является пластическая деформация с одновременным действием импульсного электрического тока. Поскольку свойства памяти формы в сплавах на основе TiNi обусловлены наличием термоупругих мартенситных превращений, то представляет интерес совместное влияние на них деформации и тока. Цель работы. Исследование особенностей проявления термических и деформационных мартенситных превращений в сплавах Ti_50.0Ni_50.0 и Ti_49.2Ni_50.8 в процессе прокатки с одновременным действием импульсного электрического тока. Методы исследования. В работе проанализированы образцы сплавов Ti_50.0Ni_50.0 и Ti_49.2Ni_50.8 после прокатки с импульсным электрическим током плотностью 100 А/мм², длительностью импульса 100 мкс и скважностью 10 до различных степеней деформации (е = 0; 0,4; 0,8; 1,2).  Исследование стадийности мартенситных превращений проводилось методом дифференциальной сканирующей калориметрии при скорости нагрева/охлаждения 10 °С/мин в диапазоне температур –150…+150 °С. Фазовый состав изучен методом рентгеноструктурного анализа в CuKα-излучении при U = 40 кВ и I = 40 мА в диапазоне углов 2θ = 15…100° с шагом Δθ = 0,05° и временем экспозиции 5 с. Результаты и обсуждение. Показано, что прокатка с током приводит к проявлению двухстадийного прямого мартенситного превращения при охлаждении в обоих сплавах, а повышение степени деформации расширяет температурную область существования R-фазы. Показана возможность стабилизации высокотемпературной аустенитной В2-фазы в сплаве Ti_49.2Ni_50.8, а также возникновение циклично-протекающего деформационного превращения мартенсит→аустенит→мартенсит в сплаве Ti_50.0Ni_50.0. Обсуждаются возможные механизмы проявления этих особенностей.

1. Shape memory alloys: fundamentals, modelling and applications / V. Brailovski, S. Prokoshkin, P. Terriault, F. Trochu. – Montreal: University of Quebec, 2003. – 844 p.

2. Tsuchiya K., Ahadi A. Anomalous properties of TiNi processed by severe plastic deformation // Advances in Shape Memory Materials / Q. Sun, R. Matsui, K. Takeda, E. Pieczyska, eds. – Cham: Springer, 2017. – P. 191–201. – (Advanced Structured Materials; vol. 73). – DOI: 10.1007/978-3-319-53306-3_14.

3. Influence of rotary forging and post-deformation annealing on mechanical and functional properties of titanium nickelide / V.A. Andreev, R.D. Karelin, V.S. Komarov, V.V. Cherkasov, N.A. Dormidontov, N.V. Laisheva, V.S. Yusupov // Metallurgist. – 2024. – Vol. 67. – P. 1912–1919. – DOI: 10.1007/s11015-024-01688-4.

4. Grain growth in Ni₅₀Ti₃₀Hf₂₀ high-temperature shape memory alloy processed by high-pressure torsion / A.V. Shuitcev, Y. Ren, D.V. Gunderov, R.N. Vasin, L. Li, R.Z. Valiev, Y.F. Zheng, Y.X. Tong // Materials Science and Engineering: A. – 2024. – Vol. 918. – P. 147478. – DOI: 10.1016/j.msea.2024.147478.

5. Горячая ротационная ковка прутков диаметром 2–20 мм из сплавов с памятью формы на основе никелида титана / В.А. Андреев, В.С. Юсупов, М.М. Перкас, Н.В. Якушевич // Перспективные материалы и технологии. В 2 т. Т. 1. – Витебск: Витеб. гос. технол. ун-т, 2017. – С. 61–69.

6. Влияние режимов ротационной ковки и последеформационной термической обработки на механические и функциональные свойства никелида титана / В.А. Андреев, Р.Д. Карелин, В.С. Комаров, В.В. Черкасов, Н.А. Дормидонтов, Н.В. Лайшева, В.С. Юсупов // Металлург. – 2023. – № 12. – С. 87–92. – DOI: 10.52351/00260827_2023_12_87.

7. Влияние теплой деформации методом abc-прессования на механические свойства никелида титана / А.И. Лотков, В.Н. Гришков, А.А. Батурин, Е.Ф. Дударев, Д.Ю. Жапова, В.Н. Тимкин // Письма о материалах. – 2015. – Т. 5, № 2. – С. 170–174. – DOI: 10.22226/2410-3535-2015-2-170-174.

8. Федоткин А.А., Столяров В.В. Особенности деформационного поведения наноструктурных титановых сплавов при растяжении под действием импульсного тока // Машиностроение и инженерное образование. – 2012. – № 1 (30). – C. 28–35.

9. Misochenko A.A., Fedotkin A.A., Stolyarov V.V. Influence of grain size and electric current regimes on deformation behavior under tension of shape memory alloy TI_49,3NI_50,7 // Materials Today: Proceedings. – 2017. – Vol. 4 (3). – P. 4753–4757. – DOI: 10.1016/j.matpr.2017.04.065.

10. Столяров В.В. Электропластический эффект в крупнозернистом и ультрамелкозернистом титане // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2023. – Т. 89, № 8. – С. 62–66. – DOI: 10.26896/1028-6861-2023-89-8-62-66.

11. In situ electro-plastic treatment for thermomechanical processing of CP titanium / M.A. Khalik, S.H. Zahiri, S.H. Masood, S. Palanisamy, S. Guliz // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2021. – Vol. 115. – P. 2639–2657. – DOI: 10.1007/s00170-021-07342-6.

12. Физические основы электроимпульсной и электропластической обработок и новые материалы / Ю.В. Баранов, О.А. Троицкий, Ю.С. Авраамов, А.Д. Шляпин. – М.: МГИУ, 2001. – 844 с.

13. Numerical simulation and experiment of electrically-assisted incremental forming of thin TC4 titanium alloy sheet / B. Jiang, W. Yang, Z. Zhang, X. Li, X. Ren, Y. Wang // Materials. – 2020. – Vol. 13 (6). – P. 1335. – DOI: 10.3390/ma13061335.

14. Electroplasticity in electrically-assisted forming: process phenomena, performances and modelling / Z. Xu, T. Jiang, J. Huang, L. Peng, X. Lai, M.W. Fu // International Journal of Machine Tools and Manufacture. – 2022. – Vol. 175. – P. 103871. – DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2022.103871.

15. Dobras D., Zimniak Z., Zwierzchowski M. Electrically-assisted deep drawing of 5754 aluminum alloy sheet // Materials Research Proceedings. – 2023. – Vol. 28. – P. 987–1006. – DOI: 10.21741/9781644902479-109.

16. Electroplasticity mechanisms in hcp materials / S. Herbst, E. Karsten, G. Gerstein, S. Reschka, F. Nürnberger, S. Zaefferer, H.J. Maier // Advanced Engineering Materials. – 2023. – Vol. 25. – P. 2201912. – DOI: 10.1002/adem.202201912.

17. Effects of electric current on the plastic deformation behavior of pure copper, iron, and titanium / C. Rudolf, R. Goswami, W. Kang, J. Thomas // Acta Materialia. – 2021. – Vol. 209. – P. 116776. – DOI: 10.1016/j.actamat.2021.116776.

18. Stolyarov V., Calliari I., Gennari C. Features of the interaction of plastic deformation and pulse current in various materials // Materials Letters. – 2021. – Vol. 299. – P. 130049. – DOI: 10.1016/j.matlet.2021.130049.

19. Potapova A.A., Stolyarov V.V. Deformability and structural features of shape memory TiNi alloys processed by rolling with current // Materials Science and Engineering: A. – 2013. – Vol. 579. – P. 114–117. – DOI: 10.1016/j.msea.2013.05.003.

20. Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током / В.В. Столяров, В.А. Андреев, Р.Д. Карелин, У.Х. Угурчиев, В.В. Черкасов, В.С. Комаров, В.С. Юсупов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2022. – Т. 24, № 3. – С. 66–75. – DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-66-75.

21. Zhu R., Tang G. The improved plasticity of NiTi alloy via electropulsing in rolling // Materials Science and Technology. – 2016. – Vol. 33 (5). – P. 1743–2847. – DOI: 10.1080/02670836.2016.1231745.

22. Potapova А.А., Resnina N.N., Stolyarov V.V. Shape memory effects in TiNi-based alloys subjected to electroplastic rolling // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2014. – Vol. 23 (7). – P. 2391–2395. – DOI: 10.1007/s11665-014-1046-0.

23. Difference in recrystallization between electropulsing-treated and fur-nace-treated NiTi alloy / R.F. Zhu, Y.B. Jiang, L. Guan, H.L. Li, G.Y. Tang // Journal of Alloys and Compounds. – 2016. – Vol. 658. – P. 548–554. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.10.239.

24. Stolyarov V., Misochenko A. A pulsed current application to the deformation processing of materials // Materials. – 2023. – Vol. 16 (18). – P. 6270. – DOI: 10.3390/ma16186270.

25. Application of high-density electropulsing to improve the performance of metallic materials: mechanisms, microstructure and properties / Y. Sheng, Y. Hua, X. Wang, X. Zhao, L. Chen, H. Zhou, J. Wang, C.C. Berndt, W. Li // Materials. – 2018. – Vol. 11 (2). – P. 185. – DOI: 10.3390/ma11020185.

26. Electroplastic effect on AA1050 aluminium alloy formability / A. Ghiotti, S. Bruschi, E. Simonetto, C. Gennari, I. Calliari, P. Bariani // CIRP Annals. – 2018. – Vol. 67 (1). – P. 289–292. – DOI: 10.1016/j.cirp.2018.04.054.

27. Effect of current frequency on the mechanical properties, microstructure and texture evolution in AZ31 magnesium alloy strips during electroplastic rolling / X. Li, G. Tang, J. Kuang, X. Li, J. Zhu // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 612. – P. 404–413. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.06.075.

28. Thermoelectric coupling deep drawing process of ZK60 magnesium alloys / L. Zhan, R. Li, J. Wang, X. Xue, Y. Wang, Z. Lv // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2023. – Vol. 126. – P. 3005–3014. – DOI: 10.21203/rs.3.rs-1791252/v1.

29. Recrystallization and microstructure evolution of the rolled Mg-3Al-1Zn alloy strips under electropulsing treatment / Y. Liu, J. Fan, H. Zhang, W. Jin, H. Dong, B. Xu // Journal of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 622. – P. 229–235. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2014.10.062.

30. Extraordinary bending formability of Mg–2.5Nd–0.5Zn–0.5Zr alloy sheet through pulsed current / W. Zhang, S. Wang, J. Pan, J. Yang // Metals and Materials International. – 2023. – Vol. 29. – P. 3371–3384. – DOI: 10.1007/s12540-023-01450-6.

31. Texture modification of magnesium alloys during electropulse treatment / R.K. Zhang, X.H. Li, J. Kuang, X.P. Li, G.Y. Tang // Materials Science and Technology. – 2017. – Vol. 33. – P. 1421–1427. – DOI: 10.1080/02670836.2017.1291164.

32. Abnormal texture development in magnesium alloy Mg-3Al-1Zn during large strain electroplastic rolling: effect of pulsed electric current / J. Kuang, T.S.E. Low, S.R. Niezgoda, X. Li, Y. Geng, A.A. Luo, G. Tang // International Journal of Plasticity. – 2016. – Vol. 87. – P. 86–99. – DOI: 10.1016/j.ijplas.2016.09.004.

33. Dobras D., Zimniak Z., Zwierzchowski M. The effect of pulsed electric current on the structural and mechanical behavior of 6016 aluminium alloy in different states of hardening // Archives of Civil and Mechanical Engineering. – 2023. – Vol. 23. – Art. 166. – DOI: 10.1007/s43452-023-00700-z.

34. Potapova A.A., Stolyarov V.V. Relaxation effect of pulse current on Ti_50.0Ni_50.0 structure during rolling // Materials Science and Technology. – 2015. – Vol. 31 (13). – P. 1541–1544. – DOI: 10.1179/1743284715Y.0000000021.

35. Мисоченко А.А., Столяров В.В. Тепловое действие импульсного тока в сплавах с различными теплофизическими свойствами // Станкоинструмент. – 2023. – № 4 (33). – С. 34–41. – DOI: 10.22184/2499-9407.2023.33.4.34.41.

36. База данных Международного центра дифракционных данных (ICDD) PDF-2. – URL: https://www.icdd.com/pdf-2/ (дата обращения: 07.12.2024).

37. Пушин В.Г., Кондратьев В.В., Хачин В.Н. Предпереходные явления и мартенситные превращения. – Екатеринбург: УрО РАН, 1998. – 368 с.

38. Effects of thermal cycling on microstructure and properties in Nitinol / A.R. Pelton, G.H. Huang, P. Moinec, R. Sinclaird // Materials Science and Engineering: A. – 2012. – Vol. 532. – P. 130–138.

39. Deformation behavior, structure and properties of an equiatomic Ti–Ni shape memory alloy compressed in a wide temperature range / V. Komarov, I. Khmelevskaya, R. Karelin, R. Kawalla, G. Korpala, U. Prahl, V. Yusupov, S. Prokoshkin // Transactions of the Indian Institute of Metals. – 2021. – Vol. 74. – P. 2419–2426. – DOI: 10.1007/s12666-021-02355-x.

40. Сурикова Н.С., Литовченко И.Ю., Корзникова Е.А. Структурные превращения в монокристаллах никелида титана при интенсивной пластической деформации // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. – 2013. – Т. 18, № 4-2. – С. 1966–1967.

41. Формирование структуры и свойств СПФ Ti-Ni после ИПД методом РКУП в оболочке / Р.Д. Карелин, В.С. Комаров, И.Ю. Хмелевская, В.А. Андреев, В.С. Юсупов, С.Д. Прокошкин // Прочность неоднородных структур – ПРОСТ 2023: ХI-я Евразийская научно-практическая конференция: сборник трудов конференции, Москва, 18–20 апреля 2023 года. – М.: Студио-Принт, 2023. – С. 78.

42. Формирование аморфной структуры в никелиде титана при пластической деформации / В.И. Зельдович, Н.Ю. Фролова, В.П. Пилюгин, В.М. Гундырев, А.М. Пацелов // Физика металлов и металловедение. – 2005. – Т. 99, № 4. – С. 90–100.

43. Amorphization of titanium nickelide by means of shear under pressure and crystallization at the subsequent heating / N. Frolova, V. Zel'dovich, V. Pilyugin, V. Gundyrev, A. Patselov // Materials Science Forum. – 2013. – Vol. 738–739. – P. 525–529. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.738-739.525.

44. Martensite stabilisation effect in Ni-rich NiTi shape memory alloy with different structure and martensitic transformations / S. Belyaev, N. Resnina, T. Rakhimov, V. Andreev // Sensors and Actuators A: Physical. – 2020. – Vol. 305. – P. 111911. – DOI: 10.1016/j.sna.2020.111911.

45. Influence of Ni on martensitic phase transformations in NiTi shape memory alloys / J. Frenzel, E.P. George, A. Dlouhy, C. Somsen, M.F.-X. Wagner, G. Eggeler // Acta Materialia. – 2010. – Vol. 58 (9). – P. 3444–3458. – DOI: 10.1016/j.actamat.2010.02.019.