Том 24 № 3 2022 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Кирсанов С.В., доктор техн. наук, профессор, ТПУ, г. Томск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары В 2017 году журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» вошел в индекс цитирования Emerging Sources Citation Index (ESCI) базы Web of Science. Журналы, представленные в индексе цитирования ESCI, отвечают большинству базовых критериев Core Collection и расцениваются компанией Clarivate Analytics как наиболее влиятельные и востребованные издания, имеющие большую вероятность высокого научного интереса. Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Пермяков Г.Л., Давлятшин Р.П., Беленький В.Я., Трушников Д.Н., Варушкин С.В., Шеньон П. Численный анализ процесса электронно-лучевой аддитивной наплавки с вертикальной подачей проволочного материала.......................................................................................................................................... 6 Ильиных А.С., Банул В.В., Воронцов Д.С. Теоретический анализ способов пассивного шлифования рельсов................................................................................................................................................................ 22 Чинчаникар С. Моделирование характеристик износа при скольжении композиционного материала на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ), армированного углеродным волокном, в паре трения с SS304 (12Х18Н10Т)......................................................................................................................................... 40 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Аббасов В.А., Баширов Р.Дж. Особенности применения ультразвука при плазменно-механической обработке деталей из труднообрабатываемых материалов........................................................................... 53 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Столяров В.В., Андреев В.А., Карелин Р.Д., Угурчиев У.Х., Черкасов В.В., Комаров В.С., Юсупов В.С. Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током........................................................................................................................................................... 66 Воронцов А.В., Филиппов А.В., Шамарин Н.Н., Москвичев Е.Н., Новицкая О.С., Княжев Е.О., Денисова Ю.А., Леонов А.А., Денисов В.В. Микроструктура и остаточные напряжения многослойных покрытий ZrN/CrN, полученных плазменно-ассистированным вакуумно-дуговым методом............................................................................................................................................................... 76 Иванов И.В., Сафарова Д.Э., Батаева З.Б., Батаев И.А. Сравнение подходов, основанных на методе Вильямсона-Холла, для анализа структуры высокоэнтропийного сплава Al0,3CoCrFeNi после холодной пластической деформациий.............................................................................................................................. 90 Крюков Д.Б. Структурные особенности и технология получения легких броневых композиционных материалов с механизмом локализации хрупких трещин.............................................................................. 103 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 112 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 123 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 05.09.2022. Выход в свет 15.09.2022. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 15,5. Уч.-изд. л. 28,83. Изд. № 137. Заказ 233. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 24 No. 3 2022 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. We sincerely happy to announce that Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”), ISSN 1994-6309 / E-ISSN 2541-819X is selected for coverage in Clarivate Analytics (formerly Thomson Reuters) products and services started from July 10, 2017. Beginning with No. 1 (74) 2017, this publication will be indexed and abstracted in: Emerging Sources Citation Index. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Sergey V. Kirsanov, D.Sc. (Engineering), Professor, National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 24 No. 3 2022 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Permyakov G.L., Davlyatshin R.P., Belenkiy V.Y., Trushnikov D.N., Varushkin S.V., Pang S. Numerical analysis of the process of electron beam additive deposition with vertical feed of wire material...................... 6 Ilinykh A.S., Banul V.V., Vorontsov D.S. Theoretical analysis of passive rail grinding.................................. 22 Chinchanikar S. Modeling of sliding wear characteristics of Polytetrafl uoroethylene (PTFE) composite reinforced with carbon fi ber against SS304........................................................................................................ 40 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Abbasov V.A., Bashirov R.J. Features of ultrasound application in plasma-mechanical processing of parts made of hard-to-process materials...................................................................................................................... 53 MATERIAL SCIENCE Stolyarov V.V., Andreev V.A., Karelin R.D., Ugurchiev U.Kh., Cherkasov V.V., Komarov V.S., Yusupov V.S. Deformability of TiNiHf shape memory alloy under rolling with pulsed current....................... 66 Vorontsov A.V., Filippov A.V., Shamarin N.N., Moskvichev E.N., Novitskaya O.S., Knyazhev E.O., Denisova Yu.A., Leonov A.A., Denisov V.V. Microstructure and residual stresses of ZrN/CrN multilayer coatings formed by the plasma-assisted vacuum-arc method........................................................................... 76 Ivanov I.V., Safarova D.E., Bataeva Z.B., Bataev I.A. Comparison of approaches based on the WilliamsonHall method for analyzing the structure of an Al0.3CoCrFeNi high-entropy alloy after cold deformation....... 90 Kryukov D.B. Structural features and technology of light armor composite materials with mechanism of brittle cracks localization.......................................................................................................................... 103 EDITORIALMATERIALS 112 FOUNDERS MATERIALS 123 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 66 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Деформационная способность сплава с памятью формы TiNiHf при прокатке с импульсным током Владимир Столяров1, a, *, Владимир Андреев2, b, Роман Карелин2, 3, c, Умар Угурчиев1, d, Владимир Черкасов3, e, Виктор Комаров2, 3, f, Владимир Юсупов2, g 1 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Малый Харитоньевский переулок, д.4, г. Москва, 101990, Россия 2 Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Ленинский пр. 49, г. Москва, 119334, Россия 3 Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Ленинский пр. 4/1, г. Москва, 119049, Россия a https://orcid.org/0000-0001-7604-3961, vlstol@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0003-3937-1952, andreev.icmateks@gmail.com, c https://orcid.org/0000-0002-4795-8668, rdkarelin@gmail.com, d https://orcid.org/0000-0003-2072-6354, umar77@bk.ru, e https://orcid.org/0000-0002-5450-3565, v.basenchikov@yandex.ru, f https://orcid.org/0000-0003-4710-3739, vickomarov@gmail.com, g https://orcid.org/0000-0002-0640-2217, vsyusupov@mail.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2022 Том 24 № 3 с. 66–75 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2022-24.3-66-75 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение Деформационная способность материалов является одной из механических характеристик, которая определяет способность твердых тел изменять форму и размеры под воздействием внешних факторов, включая обработку давлением. Эта характеристика важна для оценки ИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 539.5 История статьи: Поступила: 27 апреля 2022 Рецензирование: 06 мая 2022 Принята к печати: 18 июня 2022 Доступно онлайн: 15 сентября 2022 Ключевые слова: Сплав с памятью формы Прокатка Импульсный ток Структура Деформируемость Твердость Финансирование: Исследование выполнено в рамках государственного задания ИМЕТ РАН № 075-00715-22-00. АННОТАЦИЯ Введение. Деформационная способность материалов является одной из основных механических характеристик, определяющих возможность их производства с применением различных технологических процессов обработки металлов давлением. Среди интерметаллических соединений особая роль принадлежит сплавам с высокотемпературным эффектом памяти формы (ЭПФ) на основе TiNi легированных гафния. Большинство таких сплавов являются не только трудно деформируемыми, но и достаточно хрупкими. Поэтому разработка любых технологических схем для повышения деформационной способности данных сплавов является актуальной. Цель работы: исследование деформационной способности и возможности применения электрического импульсного тока при холодной прокатке сплава TiNiHf. Данный способ обработки ранее не применялся к этим сплавам. В работе исследована деформационная способность при холодной прокатке полосы толщиной 2 мм из труднодеформируемого высокотемпературного сплава с памятью формы на основе TiNi с добавкой гафния. Для повышения деформируемости использовали внешнее воздействие в виде импульсного тока высокой плотности более 200 А/мм2. Методами исследования являлись: рентгенографический анализ с целью оценки исходного фазового состояния, анализ эволюции истинной и инженерной деформации до разрушения (появления видимых макротрещин в зоне деформирования), оптическая микроскопия с увеличением от 50 до 100 и измерение твердости по Виккерсу при комнатной температуре. Результаты и обсуждение. Установлено повышение деформируемости при воздействии импульсного тока по сравнению с прокаткой без тока и достижение максимальной деформации 1,7 (истинная) и 85 % (инженерная). Исходная крупнозернистая равноосная мартенситная микроструктура (50 мкм) трансформируется в вытянутую вдоль направления прокатки микроструктуру, при этом твердость повышается на 50 %. Отсутствие заметных структурных изменений и наблюдающееся упрочнение могут свидетельствовать о нетепловом эффекте тока в повышении деформируемости. Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют о перспективности применения метода прокатки с током труднодеформируемого сплава TiNiHf с памятью формы в качестве способа обработки металлов давлением. Для цитирования: 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. ______ *Адрес для переписки Столяров Владимир Владимирович, д.т.н., профессор Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Харитоньевский пер.4, 101990, г. Москва, Россия Тел.: 8 (915) 294-69-41, e-mail: vlstol@mail.ru
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 67 MATERIAL SCIENCE эксплуатационного поведения материалов, но особенно необходима при создании технологических процессов, связанных с прокаткой, прессованием, волочением, осадкой. Для разных металлических материалов она может составлять от долей до десятков процентов, что ограничивает либо расширяет возможности технологических приемов воздействия на материал. Наиболее распространенным методом повышения деформационной способности является нагрев материалов перед обработкой, который в ряде случаев не желателен из-за изменения других свойств (например, коррозионной стойкости, водородного охрупчивания и т. д.) или снижения экономической эффективности. Деформационная обработка с применением импульсного электрического тока позволяет решить эти проблемы для ряда хрупких или труднодеформируемых металлов, сталей и сплавов на основе Ti, Zr, Al, Mg, Fe [1–15]. Среди исследованных материалов особая роль принадлежит сплавам на основе упорядоченного интерметаллического соединения TiNi, обладающего эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхупругостью при температурах, близких к комнатной [16, 17]. Исследования показали перспективность применения импульсного тока к двухкомпонентным сплавам на основе TiNi для получения длинномерных полуфабрикатов тонкого сечения на финишных стадиях обработки давлением [2, 3, 9]. Такие сплавы благодаря своим уникальным свойствам активно используются в различных отраслях экономики. Температура окончания обратного мартенситного превращения в никелиде титана эквиатомного состава представляет порядка 80…90 °С, что сдерживает его применение при более высоких температурах. В последнее время также рассматриваются высокотемпературные многокомпонентные сплавы с существенно более высокой температурой ЭПФ, в которых часть атомов никеля или титана замещается атомами гафния [18–24]. В отличие от никелида титана сплавы, легированные гафнием, являются не только труднодеформируемыми, но достаточно хрупкими. Необходимостью практического использования данных сплавов в виде длинномерных изделий тонкого сечения вызваны повышенные требования к их деформационной способности при прокатке или волочении, особенно на финальных стадиях изготовления. До настоящего времени в литературе не было сведений о применении метода электростимулирования к сплавам на основе TiNi c добавкой гафния. Поэтому разработка любых технологий, включая электропластическую прокатку, для повышения деформационной способности данных сплавов является актуальной. Цель статьи – исследование деформационной способности и возможности применения электрического импульсного тока при холодной прокатке сплава TiNiHf. Такая обработка показала свою эффективность применительно к никелиду титана [3], однако к хрупким сплавам, легированным гафнием, где особую роль играет охрупчивающая фаза, ранее не применялась. Материал и метод исследования Материалом исследования был выбран сплав TiNiHf, полученный методом электронно-лучевой плавки в «Промышленном центре МАТЭКСПФ» из шихтовых материалов: никелида титана марки ТН-1 в виде прутка диаметром 12 мм и проволоки из гафния диаметром 1 мм. Химический состав слитка приведен в табл.1. Образцы для прокатки вырезались из слитка методом электроэрозионной резки в форме полос размерами 2,0×6,0×131 мм3. Форма, размеры слитка и образца для прокатки показаны на рис. 1. Т а б л и ц а 1 Ta b l e 1 Химический состав сплава Chemical composition of the alloy Масс.% Ат.% Ti Ni Hf Ti Ni Hf 38,2 47,0 14,8 47,4 47,6 5,0
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 68 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 1. Форма и размеры образцов из сплава TiNiHf: а – слиток; б – полоса для прокатки Fig. 1. Shape and dimensions of TiNiHf alloy samples: a – ingot; б – strip for rolling а б Для плоской прокатки использовали двухвалковый стан с диаметром валков 65 мм. Импульсный ток подавался от генератора с параметрами: сила тока J = 500…5000 А, длительность импульса от ≤ 1000 мкс и частота в интервале = 1…1000Гц. Схема подвода тока и направление деформации показаны на рис. 2. Скорость прокатки и обжатие по толщине составляли 60 мм/с и 25 мкм соответственно. Процесс осуществлялся при комнатной температуре. Во избежание перегрева образцы после каждого этапа прокатки охлаждали в воде. Равномерность распределения деформации по длине и толщине обеспечивали вращением заготовки вокруг продольной оси на 180° и сменой наРис. 2. Схема подвода тока и направление деформации: 1 – заготовка; 2 – цилиндрические валки; 3 – направление усилий; 4 – направление тока Fig. 2. Scheme of current supply and strain direction: 1 – work materials; 2 – cylindrical rolls; 3 – force direction; 4 – current direction правления прокатки на противоположное. Плотность тока j варьировалась от 200 А/мм2 в начале процесса до 580 А/мм2 на конечных проходах при длительности импульса 200 мкс и частоте 500 Гц. При меньших значениях j деформационное поведение сплава не отличалось от такового при прокатке без тока, а разрушение происходило уже после первых проходов. Истинная деформация вычислялась по формуле е = ln S0 / Sк (где S0, Sк – площадь поперечного сечения полосы до и после прокатки). Исследование микроструктуры проводили на световом микроскопе Versamet-2 Union с увеличением от 50 до 100. Образцы для световой микроскопии шлифовали на абразивной бумаге с величиной зернистости от Р120 до P2500 с последующей полировкой. После механической шлифовки и полировки образцы травили в растворах: 1HF:3HNO3:6H2O2. Степень деформационного упрочнения сплава определяли путём измерения твердости по Виккерсу. Испытания проводили при комнатной температуре на твердомере LECOM 400-A под нагрузкой 1 Н с выдержкой вдавленного индентора 10 с. Результаты и обсуждение В настоящей работе впервые был опробован способ обработки труднодеформируемых хрупких сплавов системы TiNiHf с пониженным содержанием Ni методом холодной прокатки с импульсным током. Фазовый состав и Микроструктура Рентгеновская дифрактограмма сплава в исходном состоянии при комнатной температуре представлена на рис. 3. На рентгенограмме уверенно индицируются линии мартенсита и фазы (Ti, Hf)2 Ni. Отсутствие видимых линий высокотемпературной фазы – аустенита подтверждает, что температура начала обратного мартенситного превращения превышает 25 °С. Слабое уширение рентгеновских линий свидетельствует о низкой степени дефектности кристаллической решетки, что характерно для рекристаллизованной структуры. Таким образом, исходя из результатов рентгенофазового анализа можно сделать вывод о том, что охрупчивающая фаза (Ti, Hf)2 Ni содержится в значительном количестве в исходном образце.
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 69 MATERIAL SCIENCE Рис. 3. Рентгеновская дифрактограмма сплава в исходном состоянии Fig. 3. X-ray diffraction pattern of the alloy in the initial state На рис. 4 представлены микроструктуры сплава TiNiHf в исходном состоянии и после прокатки с током до толщины полосы 0,6 мм. В исходном состоянии сплав TiNiHf имеет рекристаллизованную структуру со средним размером зерен в продольном и поперечном сечении порядка 50 мкм (рис. 3, а, б). Наблюдаются тонкие полосы мартенсита, расположенные внутри зерен, не исключено наличие остаточного аустенита. На границах зёрен наблюдается скопление частиц избыточной фазы типа (Ti, Hf)2Ni, образовавшихся непосредственно после выплавки [10]. Предполагается, что фазовый состав сплава при комнатной температуре представляет собой смесь мартенсита, небольшого количества остаточного аустенита и фазы (Ti, Hf)2Ni объемной долей около 20…25 %, оцениваемой визуально. Пластинчатая форма внутризеренной фазы Рис. 4. Микроструктура сплава в исходном (а, б) и прокатанном с током (в, г) состояниях: а, в – вдоль направления прокатки; б, г – поперек направления прокатки Fig. 4. Microstructure of the alloy in the initial (а, б) and current-rolled (в, г) states: а, в – along the rolling direction; б, г – across the rolling direction а б в г
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 24 № 3 2022 70 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Рис. 6. Стереомикроскопическое изображение образца, прокатанного с током, j = 580 А/мм2, е = 1,47 Fig. 6. Stereomicroscopic image of the sample rolled with current, j = 580 A/mm2, e = 1.47 и результаты собственных исследований РФА (рис. 3) подтверждают это предположение. Прокатка с током приводит к изменению морфологии зеренной структуры: она становится более вытянутой (рис. 4, в). Одновременно наблюдается еще более выраженное удлинение зерен в поперечном направлении (рис. 4, г), что может быть обусловлено как геометрией образца, так и особенностями пластического течения данного сплава при прокатке с током. Это, в свою очередь, приводит к перераспределению частиц фазы (Ti, Hf)2Ni, которые выстраиваются вдоль вытянутых границ структурных элементов, сформировавшихся в процессе прокатки с током. Следует отметить, что несмотря на большое количество макротрещин, на боковых кромках заготовок после прокатки межзеренные и внутризеренные микротрещины на всех этапах деформации в объёме исследуемого сплава обнаружены не были. Деформируемость и твердость Эксперименты, проведе нные на плоских образцах, показали, что при прокатке без тока (рис. 5, а) или с током плотностью j <200 А/ мм2 (рис. 3, б) сплав TiNiHf разрушается хрупко уже после первых 3-4 проходах (е ≤ 0.07) и без образования краевых дефектов (рис. 5, а, б). В большинстве случаев происходит разделение образца на несколько частей. Стоит отметить, что величина обжатия по толщине при этом не превышает 5 %. Деформируемость повышается с увеличением плотности тока j ≥ 200 А/мм2, которая позволяет сохранить цельность образца (рис. 5 в–д). Отметим, что всегда микроразрушение начинается с боковых поверхностей полосы, которое увеличивается, но не приводит к макроразрушению (рис. 6). Образующиеся в процессе прокатки краевые микротрещины обусловлены концентрацией преимущественно растягивающих напряжений при переходе от объемного состояния в исходной заготовке к плосконапряженному состоянию в тонкой полосе. Очевидно, что введение импульсного тока при прокатке сдерживает процесс образования и распространения трещин. Рис. 5. Вид образцов при прокатке без тока (а) и с током (б–д) при истинной деформации: а – е = 0; б – е = 0,07; в – е = 0,39; г – е = 0,85; д – е = 1,47 Fig. 5. Appearance of samples during rolling without current (a) and with current (б–д) at true deformation: а – е = 0; б – е = 0.07; в – е = 0.39; г – е = 0.85; д – е = 1.47 а б в г д В табл. 2 показано изменение геометрических размеров поперечного сечения, а также твердости, инженерной и истинной деформации при прокатке полосы с импульсным током. Результаты измерения и анализ твердости показали, что увеличение накопленной деформации в результате прокатки с током приводит к повышению твердости практически по линейной зависимости (табл. 2). Можно предположить, что данное упрочнение является следствием нескольких факторов: повышение объемной доли мартенсита за счет деформационного превращения остаточного аустенита; изменение температуры начала обратного мартенситного превращения Мн относительно температуры
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 24 No. 3 2022 71 MATERIAL SCIENCE Т а б л и ц а 2 Ta b l e 2 Размеры сечения полосы, деформация и твердость при прокатке с током Dimensions of the strip section, deformation and hardness during rolling with current Номер прохода Начальное сечение Т × Ш, мм Конечное сечение, Т × Ш, мм Инженерная степень деформации, % Истинная деформация, е HV Без прокатки 2,0 × 6,0 2,0 × 6,0 0 0 310 1…36 2,0 × 6,0 1,15 × 7,1 42,5 0,39 340 37…60 1,15 × 7,1 0,62 × 8,3 69,0 0,85 385 60…84 0,62 × 8,3 0,30 × 9,2 85,0 1,47 490 измерения (20 °C); повышение плотности дислокаций, субструктурного измельчения и увеличения количества интерметаллидных частиц на границах зерен. Характер деформационного упрочнения и отсутствие признаков рекристаллизации также свидетельствуют о минимальных тепловых воздействиях в процессе прокатки с током. Выводы 1. Плоская прокатка полосы сплава TiNiHf толщиной 2 мм при комнатной температуре с импульсным током плотностью более 200 А/мм2 позволяет достичь максимальной истиной деформации е = 1,47 без объемного разрушения. 2. Отсутствие заметных структурно-фазовых изменений и наблюдающееся упрочнение могут свидетельствовать о нетепловом эффекте тока в повышении деформируемости. Список литературы 1. Физические основы и технологии обработки современных материалов (теория, технология, структура и свойства). В 2 т. Т. 1 / О.А. Троицкий, Ю.В. Баранов, Ю.С. Аврамов, А.Д. Шляпин. – М.: Ижевск: Ин-т компьютер. технологий, 2004. – 590 с. 2. Влияние режимов электропластической деформац ии на деформируемость и функциональные свойства сплава Ti-Ni с памятью формы / И.Б. Гуртовая, К.Э. Инаекян, А.В. Коротицкий, У.Х. Угурчиев, С.Ю. Макушев, И.Ю. Хмелевская, Е.С. Данилова, А.Е. Сергеева, В.В. Столяров, С.Д. Прокошкин // Журнал функциональных материалов. – 2008. – Т. 2, № 4. – С. 130–137. 3. Исследование возможности применения электропластической прокатки для получения прутков из сплава TiNi / А.А. Потапова, В.В. Столяров, А.Б. Бондарев, В.А. Андреев // Машиностроение и инженерное образование. – 2012. – № 2. – С. 33–38. 4. Меденцов В.Э., Столяров В.В. Особенности деформирования, структура и механические свойства сплава ВТ6 при электропластической прокатке // Деформация и разрушение материалов. – 2012. – № 12. – С. 37–41. 5. Effect of pulsed current on structure of Al–Mg– Si aluminum-based alloy during cold deformation / I.G. Brodova, I.G. Shirinkina, V.V. Astaf’ev, T.I. Yablonskikh, A.A. Potapova, V.V. Stolyarov // Physics of Metals and Metallography. – 2013. – Vol. 114 (11). – P. 940– 946. – DOI: 10.1134/S0031918X13110021. 6. Комбинирование методов интенсивной пластической деформации конструкционных сталей / А.М. Иванов, У.Х. Угурчиев, В.В. Столяров, Н.Д. Петрова, А.А. Платонов // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. – 2012. – № 6. – С. 54–57. 7. Research of electroplastic rolling of AZ31 Mg alloy strip / Z. Xu, G. Tang, S. Tian, F. Ding, H. Tian // Journal of Materials Processing Technology. – 2007. – Vol. 182 (1–3). – P. 128–133. – DOI: 10.1016/j. jmatprotec.2006.07.019. 8. Effects of electroplastic rolling on mechanical properties and microstructure of low-carbon martensitic steel / L. Qian, L. Zhan, B. Zhou, X. Zhang, S. Liu, Z. Lv // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 812. – P. 141144. – DOI: 10.1016/j. msea.2021.141144. 9. Effect of electroplastic rolling on the ductility and superelasticity of TiNi shape memory alloy / R.F. Zhu, G.Y. Tang, S.Q. Shi, M.W. Fu // Materials and Design. – 2013. – Vol. 44. – P. 606–611. – DOI: 10.1016/j. matdes.2012.08.045. 10. Guan L., Tang G., Chu P.K. Recent advances and challenges in electroplastic manufacturing processing of metals // Journal of Materials Research. – 2010. – Vol. 25 (7). – P. 1215–1224. – DOI: 10.1557/ JMR.2010.0170.
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1