КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 19-79-00054

НазваниеСоздание научных принципов процесса получения многофункциональных промышленных алюминиевых сплавов с заданной структурой и уровнем механических свойств на основе способа радиально-сдвиговой прокатки

РуководительГамин Юрий Владимирович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые словаалюминиевые сплавы, микроструктура, высокотемпературная пластическая деформация, радиально-сдвиговая прокатка, механические свойства, моделирование методом конечных элементов

Код ГРНТИ53.43.03 53.45.31 53.49.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Известно, что сплавы на основе алюминия, в настоящее время, являются самыми легкими из сравнительно широко используемых в промышленности конструкционных материалов. Благоприятное соотношение высоких прочностных свойств и малой плотности делают алюминий и его сплавы во многих случаях более предпочтительными по сравнению с изделиями из стали, что объясняет тот факт, что за последние 10 лет применение в автомобилестроении деталей из легких сплавов увеличилось на 30 %. На данный момент в отечественной и зарубежной литературе публикуется множество работ по специальным способам получения и обработки алюминиевых сплавов с целью повышения эксплуатационных свойств готовых изделий, таких как интенсивная пластическая деформация (ИПД). В качестве технических средств для ИПД наиболее часто предлагаются процессы равноканального прессования, осадки с кручением, винтовой экструзии. Эти методы малопригодны для промышленного применения, поскольку имеют крайне низкую производительность, сложное оборудование и деформирующий инструмент. Ни один из этих процессов не позволяет получить изделия, приемлемые по форме и габаритным размерам для последующего практического использования. В качестве перспективного способа деформационной обработки в рамках предлагаемого проекта планируется использование радиально-сдвиговой прокатки (РСП), которая получает все большее распространение как в России, так и за рубежом. В основе способа лежит траекторное управление движением деформируемого металла. В результате интенсивных сдвиговых деформаций происходит измельчение структуры металла. В свою очередь РСП - это способ обработки материалов давлением, позволяющий создавать условия близкие к ИПД, реализация которого возможна в промышленных условиях. При способе радиально-сдвиговой прокатки происходит геликоидальное истечение металла по заданным траекториям с замедлением внешних слоев заготовки и ускорением внутренних, что создает интенсивные макросдвиговые перемещения в очаге деформации. Происходит глубокое уплотнение и проработка металла по всем уровням металлофизического строения, что позволяет ожидать существенного повышения механических свойств, в особенности пластических и вязких, а также в корреляционно связанных с ними эксплуатационных свойствах. При такой обработке возможно получать прутки в широком диапазоне диаметров (от 10 мм) и практически неограниченной длины. Необходимо отметить, что такой вид деформации для и алюминиевых сплавов ранее почти не практиковался, поэтому полученные данные по РСП алюминиевых сплавов будут иметь несомненный практический и научный интерес. В связи со сказанным выше, представляется актуальным проведение фундаментальных исследований по влиянию параметров высокотемпературной пластической деформации на формирование структуры и механических свойств многофункциональных промышленных алюминиевых сплавов. В рамках настоящего проекта будут проведены исследования по определению влияния термодеформационных параметров обработки на уровень механических свойств и эксплуатационных характеристик выбранных алюминиевых сплавов. С использованием современных программных комплексов для расчета деформаций и напряжений будут смоделированы различные режимы обработки и получены зависимости, отражающие изменение свойств при использовании РСП. Научная новизна проекта заключается в том, что будет исследовано и установлено влияние метода высокотемпературной пластической деформационной обработки – радиально-сдвиговой прокатки на особенности формирования структуры, физико-механических и эксплуатационных свойств многофункциональных алюминиевых сплавов, широко применяемых в промышленности.

Ожидаемые результаты
Запланированные в рамках проекта исследования позволят получить новые знания о процессах формирования структуры и физико-механических свойств алюминиевых сплавов при использовании способа радиально-сдвиговой прокатки, как управляемого метода высокотемпературной пластической деформации. Будут получены зависимости формирования или изменения структуры и механических свойств в алюминиевых сплавах от различных комбинирований внешних воздействий, характеризующихся высокими температурами, давлениями, скоростью деформирования и величиной деформации. Полученные научные результаты послужат основой для формулирования новых фундаментальных знаний и создания концепции получения сплавов на основе алюминия с повышенным комплексом технологических и эксплуатационных свойств промышленно применимым способом. Достижение запланированных результатов позволит расширить сортамент производства изделий из алюминиевых сплавов, что приведет к увеличению потребления алюминия, в том числе в высокотехнологичных отраслях экономики. Запланированные результаты и предложенные методы их достижения в представляемом проекте соответствуют мировому уровню исследований в данной области, о чем свидетельствуют многочисленные научные статьи в высокорейтинговых изданиях и патенты на изобретения. В США, Китае, Индии, Турции, РФ м ряде других стран в последнее время все более широко исследуются алюминиевые сплавы, применяемые в высокотехнологичных отраслях промышленности. О влиянии режимов деформирования при РСП на алюминиевые сплавы имеется ограниченное количество работ (по крайней мере, в открытой печати). Основные научные группы расположены в Южной Корее (Сеульский политехнический университет), где проводятся работы по прокатке алюминиевых и магниевых сплавов, кроме того компания GMT (Германия) занимается РСП сталей, а также центры в РФ (НИТУ "МИСиС", БГУ, ИПСМ РАН), где проводится прокатка медных, титановых и некоторых магниевых сплавов. Результаты работы будут в первую очередь востребованы в авиационной промышленности (Авиационный комплекс имени С. В. Ильюшина, ОАО Компания "Сухой", РСК "МиГ", «Омское моторостроительное производственное объединение имени П. И. Баранова», ФГУП "Салют"), автомобильной промышленности (АвтоВАЗ, КАМАЗ, Группа ГАЗ, Соллерс, ЗИЛ и т.д.) и судостроении (АО «ПО „Северное машиностроительное предприятие“», ОАО «Зеленодольский завод имени А. М. Горького», ОАО «Средне-Невский судостроительный завод» и т.д.). Также полученная продукция может быть широко использована в качестве конструкционного материала в строительстве зданий, сооружений, городской архитектуре или установках и приборах специального назначения.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Для образцов из выбранных алюминиевых сплавов (АД0, В95, Д16) проведены экспериментальные исследования фазового состава, микро- и макроструктуры с использованием методов оптической и световой, электронной сканирующей микроскопии, а также проведены измерения микротвердости образцов в исходном состоянии. Это позволило определить начальный уровень свойств материалов и возможность их деформации способом РСП. В частности, для выбранного на первом этапе сплава АД0 изготовлены слитки и получены снимки макроструктуры и микроструктуры образцов. Макроструктура исходного образца состоит из периферийной зоны крупных столбчатых кристаллов, направленных по радиусу от поверхности к центру и круглых равноосных зерен в центральной зоне. Средний размер зерна исходного слитка составляет порядка 120 мкм. Измерение микротвердости по продольному и поперечному сечению и механических свойств показали следующие результаты: средняя микротвердость сплава в литом состоянии составляет 19...20 HV, предел прочности 70 МПа, предел текучести 28 МПа. Для образцов из сплавов В95 и Д16 были проведены экспериментальные исследования фазового состава и микроструктуры с использованием методов световой, электронной сканирующей микроскопии, а также микрорентгеноспектрального анализа с целью определения начального уровня свойств материалов. Для сплава В95 изучен фазовый состав после гомогенизации. В результате гомогенизации цинк и магний содержащие фазы растворяются в алюминии, но остается некоторое количество не растворимых в алюминии железистых частиц. В литом состоянии структура сплава Д16 состоит из дендритов алюминиевого твердого раствора и интерметаллидных фаз кристаллизационного происхождения. В частности, по границам дендритных ячеек алюминиевого твердого раствора обнаруживаются выделения фаз S(Al2CuMg), Mg2Si и Al2Cu неравновесного происхождения. Большая часть данных фаз растворяется в алюминиевом твердом растворе в процессе гомогенизационного отжига, а в процессе медленного охлаждения с температуры отжига выделяются в виде вторичных кристаллов как в объеме зерна, так и по границам. Нерастворенная часть кристаллов в ходе высокотемпературного отжига приобретает глобулярную морфологию. Так же присутствует железосодержащая четверная фаза альфа(Al,Fe,Si,Mn), которая однако обладает компактной морфологией и претерпевает частичную фрагментацию и сфероидизацию в процессе гомогенизационного отжига. Микротвердость сплава Д16 в исходном состоянии составляет 71-73 HV. По результатам проведенного структурного анализа следует заключить, что сплавы Д16 и В95 могут быть подвергнуты дальнейшей высокотемпературной обработке с высокими обжатиями без риска разрушения слитка в процессе прокатки. Проведен анализ влияния режимов деформации на условия процесса радиально-сдвиговой прокатки алюминиевого сплава АД0. Показано, что анализ температурно-деформационных параметров на основе МКЭ моделирования позволяет выбрать режимы деформации для получения требуемых свойств. Установлено, что температуру окончания деформации возможно контролировать с помощью варьирования степени обжатия. При этом необходимо учитывать исходную температуру нагрева, размеры получаемого конечного проката и величину обжатия за проход. Вне зависимости от прохода при равномерно изменяющемся коэффициенте вытяжки график изменения температуры будет иметь линейную зависимость. На основе результатов компьютерного моделирования получено изменение температуры при различных углах подачи и обжатиях в первом и последнем проходах. Изменение угла подачи с 18° до 22° при одинаковой калибровке валка сокращает количество циклов деформации, однако при этом общий прирост температуры снижается на 10…15 °С. Увеличение угла подачи незначительно повышает колебания температуры в поверхностном слое за счет увеличения частного обжатия, но несущественно влияет на общий деформационный разогрев в процессе РСП. Проведен анализ параметров процесса радиально-сдвиговой прокатки алюминиевого сплава AД0. В результате показано, что в процессе РСП происходит неоднородное динамическое изменение температурно-деформационных параметров в очаге деформации. В процессе прокатки алюминиевого сплава наблюдается значительный тепловой эффект, вызванный образованием локальных зон высокой деформации и трения. Получены карты распределения температуры и скоростей деформации при различных коэффициентах вытяжки и скоростях прокатки. Сравнение данных изменения температуры и механических свойств прутков, прокатанных при разных температурах, показывают, что при определенном соотношении обжатия заготовки, температуры и скорости возможно получить структуру, где периферийная часть прутка будет полностью рекристаллизованной и мелкозернистой, а осевая зона деформированной, что определяет механические свойства материала. Данные распределения температурно-деформационных параметров, полученные на основе FEM моделирования, позволяют понять особенности зональной неоднородности структуры и спрогнозировать свойства прутков после прокатки. Проведенный анализ накопленной степени деформации при различных режимах деформации показал, что разница значений Λ по поперечному сечению прутка уменьшается при увеличении угла подачи в первую очередь за счет снижения в поверхностном слое, что связано с уменьшением циклов деформации. При этом изменение угла подачи или количества проходов практически не оказывает влияния на значение накопленной степени деформации в центральной зоне прутка. Сопоставление полученных данных с твердостью и микроструктурой прокатанных образцов из сплава АД0 показывает, что накопленная степень деформации оказывает значительное влияние на изменение структуры и свойств до определенного значения. После этого увеличение Λ практически не влияет на средний размер зерна. Это также подтверждается измерениями микротвердости по поперечному сечению прокатанных образцов. Поэтому с точки зрения получения требуемых свойств и технологичности процесса объективным является деформация по режимам, обеспечивающим достижение предельного значения Λпр в центре полуфабриката и при этом наименьший градиент этого значения по поперечному сечению. Проведено сравнительное исследование прутков, полученных с разным количеством проходов при одинаковом суммарном обжатии. Для прутков конечного диаметра 14 мм, прокатанных за 5 и 10 проходов при температуре 200 °С, максимальное значение микротвердости зафиксировано на поверхности и составляет 40…43 HV. С увеличением количества проходов наблюдается более равномерное распределение твердости по поперечному сечению прутка. В обоих случаях после достижения суммарного обжатия 80 % (µ≥5) твердость образцов не увеличивается. Механические свойства полученных прутков соответствуют свойствам алюминия технической чистоты в наклепанном состоянии (σв ~115 МПа; σ0,2 ~110 МПа; δ ~ 1 %, 40-43 HV). При прокатке с обжатием, которое приводит к повышению в приповерхностном слое температуры выше Трекр в прутке формируется поверхностный слой, состоящий из мелких рекристаллизованных зерен, который сохраняется и вытягивается в дальнейшем при следующих проходах. В центральной части прутка сохраняется деформированная структура, которая определяет механические свойства материала. Показана перспективность использования РСП как эффективного способа управляемого пластического деформирования алюминиевых сплавов и получения длинномерных прутков с полезным комплексом механических свойств. В процессе РСП происходит неравномерное изменение температурно-скоростных и деформационных параметров в объеме деформируемого тела, которое определяет формирование градиентной спиралевидной структуры. Установлено, что одним из основных влияющих параметров является температура деформации. Изучены особенности формирования структуры и свойств алюминия АД0 в процессе РСП. На основе результатов МКЭ моделирования проведен анализ изменения температуры в процессе РСП в зависимости от начальной температуры нагрева и обжатия за проход. Деформационный разогрев прутка в процессе деформации тем значительнее, чем ниже исходная температура заготовки. Наибольшая амплитуда колебания температуры происходит на поверхности заготовки, где локализована деформация и происходит периодический контакт с валками.При выборе режимов прокатки необходимо учитывать деформационный разогрев, который зависит от скорости прокатки, величины обжатия за проход и начальной температуры нагрева заготовки. После прокатки за счет перераспределения внутреннего тепла температура на поверхности и внутри заготовки стремится к одинаковому значению. Градиент изменения практически не зависит от начальной температуры нагрева заготовки и возрастает с увеличением скорости вращения валков. Чем выше разница в температурах заготовки и рабочих валков, тем большие различия в температурах поверхности и центральной зоны заготовки в очаге деформации. Наиболее сложный характер изменения температуры на поверхности заготовки происходит при низкой скорости деформации и большой разнице между температурой заготовки и инструмента. При этом изменение температуры осевой зоны заготовки происходит в основном за счет энергии пластической деформации. Увеличение скорости деформации приводит к интенсивному разогреву приповерхностных слоев заготовки в очаге деформации и снижению колебаний температуры между циклами деформации. Для алюминия технической чистоты AД0 (Al99.5%) после РСП получены прутки с градиентной структурой, где наименьший размер зерна в приповерхностном слое составляет 3 мкм (с присутствием зерен размером от 0,3 мкм). Механические свойства прутков после РСП (σв~94…120 MPa; σ0,2~88…110 MPa; δ~1…43.5 %) зависят от выбранных температурно-деформационных параметров прокатки и превышают свойства прутков, полученных традиционной технологии горячего прессования даже при прохождении динамической рекристаллизации. Основным способом управления структурообразованием при РСП можно считать температуру деформации и величину обжатия (коэффициента вытяжки). Как показал анализ, задаваясь температурно-деформационными параметрами, возможно получить требуемое соотношение долей деформированной и рекристаллизованной структур и, таким образом, управлять уровнем механических свойств. Полученные данные могут быть использованы для формирования принципов промышленного способа управляемой деформации полуфабрикатов из алюминиевых сплавов с заданной структурой и свойствами.

 

Публикации

1. Акопян Т.К, Гамин Ю.В., Галкин С.П., Просвиряков А.С., Алещенко А.С., Ношин М.А., Кошмин А.Н., Фомин А.В. Radial-shear rolling of high-strength aluminum alloys: finite element simulation and analysis of microstructure and mechanical properties Materials Science & Engineering A, - (год публикации - 2020)

2. Гамин Ю.В., Акопян Т.К., Кошмин А.Н., Долбачев А.П., Алещенко А.С., Галкин С.П., Романцев Б.А. Investigation of the microstructure evolution and properties of A1050 aluminum alloy during radial shear rolling using FEM analysis The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, - (год публикации - 2020)


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
1) На основе компьютерного моделирования процесса РСП для сплавов Д16 и В95, получены данные, описывающие напряженно-деформированное состояние заготовки в зависимости от коэффициента вытяжки и выбранных режимов деформации. Получены картины средних напряжений и параметра stress triaxiality (η), количественно характеризующего уровень сжимающих напряжений. С увеличением µ зона положительных средних напряжений уменьшается. Для сплава Д16 зона положительных средних напряжений меньше, чем для В95. Зона положительных значений η в центре заготовки также уменьшается с ростом обжатия за проход. Сплав Д16 имеет больший запас технологической пластичности в сравнении с В95 по параметру η (полученные результаты опубликованы в Yu.V. Gamin, A.N. Koshmin et. al. Materials Today:Proceedings,2021, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.106). Описанные результаты также подтверждены полученными картинами микроструктур сплава Д16 и В95, распределением и ориентацией частиц в матрице материала. Полученные данные могут быть использованы для разработки рациональной калибровки валков и выбора режимов обжатий. С точки зрения технологической пластичности и деформируемости заготовки, а также учитывая неравномерность температур в очаге деформации представляются возможным следующие технологические решения: ступенчатое снижение температуры нагрева при использовании многопроходной технологии прокатки; постепенное наращивание обжатия за проход. 2) Получены зависимости изменения температуры заготовки в процессе деформации от различных параметров РСП. Построены карты распределения температуры и накопленной степени деформации по сечению прутка. Показано, что специфический характер развития пластической деформации в процессе РСП и тепловое состояние деформируемого материала находятся в тесной взаимосвязи. Выбор температурного режима прокатки непосредственно воздействует на деформируемость материала заготовки, уровень энергозатрат и технологических отходов, микроструктуру и свойства продукции. Выполнен анализ влияния частоты вращения валков на изменение температуры прутка, который показал, что скорость прокатки является одним из косвенных управляющих факторов, влияющим на неравномерность температурного поля прутка и, как следствие, на свойства и качество продукции, энергозатраты и др. Задаваясь частотой вращения валков возможно подбирать для конкретного сплава режим прокатки, обеспечивающий требуемый температурный интервал, наименьший градиент по сечению. Основываясь на результатах, полученных в данной проекте, можно сделать следующие выводы относительно температурной зависимости материала, которые могут быть использованы при РСП промышленных алюминиевых сплавов: - увеличение обжатия (коэффициента вытяжки) приводит к увеличению деформационного разогрева и росту температуры прутка в процессе прокатки; - чем ниже начальная температура нагрева прутка, тем значительнее деформационный разогрев; - чем меньше скорость вращения валков, тем выше колебания температуры поверхности прутка, находящейся в дискретном контакте с валками; - температурный градиент по сечению прутка после прокатки зависит не только от скорости прокатки, но и от начальной температуры нагрева прутка и его размеров (диаметра); - чем ниже температура нагрева прутка, тем больший градиент температур по сечению формируется про больших скоростях прокатки; - величина и количество частных обжатий влияют на разогрев прутка. В большей степени данное утверждение относится к калибрующему участку; - зона максимальных температур в процессе РСП формируется, как правило, на расстоянии 10-15 % от поверхности прутка. На основе анализа температурного поведения алюминиевых сплавов, оценки неравномерности деформации и напряжений, а также ЭСП параметров процесса РСП можно заключить, что наиболее предпочтительными является прокатка прутков из алюминиевых сплавов при частоте вращения валков 30-60 об/мин (полученные результаты опубликованы в Gamin, Y.V., Koshmin, A.N., Dolbachev, A.P. et al. Russ. J. Non-ferrous Metals 61, 646–657 (2020). https://doi.org/10.3103/S1067821220060085). 3) Проведен комплексный анализ особенностей кинематических и деформационных параметров формоизменения алюминиевых сплавов, который показал, что при определенных значениях частных обжатий возможно, чтобы деформационное состояние характеризовалось сдвиговыми деформациями и незначительной неравномерностью по всему сечению. В процессе РСП формируется поле эквивалентной деформации ε, с выраженным градиентом распределения по сечению проката. Максимальных значений ε достигает в периферийной зоне заготовки, в которой локализовано развиваются наибольшие сдвиговые деформации. В центральной зоне значения ε минимальны и определяется, в основном, уменьшением площади поперечного сечения прутка. Температура и частота вращения валков существенно влияют на градиент поля эквивалентной деформации. С понижением начальной температуры и увеличением частоты вращения валков наблюдается рост максимальных значений ε при незначительном изменении уровня минимальных значений в центре прутка. В этих зависимостях проявляется влияние реологической составляющей на деформированное состояние заготовки при РСП. Как известно, деформационный разогрев обусловлен диссипацией мощности пластической деформации, которая пропорциональна напряжению течения и скорости деформации. Начальное, неравномерное распределение ε создает неравномерный деформационный разогрев. В наиболее разогретых приповерхностных слоях снижается сопротивление деформации металла (напряжение течения), что способствует еще большей локализации накопленной деформации на этих слоях с повышением её максимальных значений. Что в свою очередь еще больше усиливает деформационно-температурный градиент. Очевидно, что при реализации такой схемы уменьшается усилие металла на валок, вследствие снижения уровня контактных напряжений при локальном разогреве. Полученные при моделировании данные проявляют это обстоятельство. Для всех исследованных режимов, с уменьшением усилия прокатки наблюдается рост максимальных значений ε и усиление градиента. Учитывая влияние угла подачи и угла конусности калибра валка на неравномерность деформации и задаваясь большим углом подачи β>18°, рационально выбирать угол конусности калибра валка α=>10°. Калибрующий участок должен обеспечивать минимально допустимое количество циклов деформации во избежание формирования большого градиента деформаций и их зональной локализации, а также интенсивного приповерхностного разогрева, что может привести к разрушению проката. Для получения конечного круглого профиля раската каждая точка должна совершить как минимум один полный оборот, т.е. три цикла деформации. При этом угол должен быть рассчитан для конечного диаметра прутка, что позволит снизить нагрузку в промежуточных проходах и обеспечит точность конечного продукта. 4) Установлены зависимости показателей энергосиловых параметров от режимов деформации алюминиевых сплавов Д16 и В95 способом РСП и их влияние на расходный коэффициент металла и удельный расход энергии. Для прокатки всего диапазона диаметров на одном комплекте валков возможно перераспределение обжатий для снижения пиковых нагрузок в первых проходах. В то же время в промышленности известны модульные системы двухклетевых министанов, технические характеристики которых обеспечивают получение даже большего размерного диапазона по описанным режимам. С точки зрения нагрузок, для сплавов Д16 и В95 все рассмотренные режимы могут быть успешно реализованы на промышленных министанах РСП. Получены зависимости размеров концевых дефектов прутков от температурно-скоростных параметров РСП. С увеличением коэффициента вытяжки µ длина утяжки возрастает, а ее объем снижается, причем при увеличении µ увеличивается и разница в зависимости от выбранного режима. Наименьший размер концевых дефектов имеют прутки, полученные по режиму с постепенным снижением температуры прокатки. При конечной длине прутка 2 м расходный коэффициент металла составит 1,07, т.е. потери на обрезь составляют 7 % от объема прокатанного металла. Увеличение длины прутка до 6 метров снижает расходный коэффициент металла до 1,022, а потери до 2,2 %. Удельный расход энергии на деформацию при получении прутка диаметром 14 мм из заготовки 60 мм, нагретой до 450 °С, не превышает 24-35 % от общего расхода на передел (нагрев+прокатка). 5) С использованием методов микроструктурного анализа получены характеристики структурных составляющих для сплавов Д16 и В95, включающие количество, размер, состав и распределение фазовых составляющих, а также их округлость формы. Полученные снимки СЭМ хорошо показывают характер влияния способа РСП на распределение частиц фаз в матрице материала. У поверхности можно видеть равномерное хаотичное распределение большого количества частиц в соответствии с турбулентным пластическим течением металла в этой зоне. В центре прутка формируется продольная текстура деформации, что приводит к локализации крупных частиц в колонии, выстроенные вдоль оси деформации. Определены зависимости количества и размеров различных структурных составляющих и типа сформированной структуры при РСП. Для деформированного состояния прутков из сплава Д16 , полученных при температуре 450 °С, зафиксировано меньшее количество кристаллов фаз, что говорит о протекании процесса возврата (полигонизации) или полной или частичной рекристаллизации и растворении части элементов в матрице. Средний размер частиц после РСП на поверхности и в центральной зоне примерно одинаков и составляет 0.8-1.0 мкм. После ТО средний размер нерастворимых частиц составляет ~1.2-1.5 мкм, а их форма становится более равноосной. За счет турбулентного течения и интенсивных деформаций частицы вторичных фаз имеют округлую равноосную форму, приближенную к кругу. Наиболее равноосную круглую форму имеют частицы после РСП по режиму 4 с большим количеством циклов деформации и небольшим обжатием за проход, однако после ТО можно видеть резкое снижение показателя формы оставшихся частиц и больший средний размер нерастворенных кристаллов. Полученные данные хорошо согласуются с анализом НДС на основе моделирования, где показано, что с ростом обжатия сокращается зона растягивающих напряжений и снижается неравномерность деформации. Для сплава В95 после РСП структура сплава содержит большое количество дисперсоидов, большая часть из которых растворяется после высокотемпературной обработки на твердый раствор. Наблюдаемые дисперсные включения являются вторичными кристаллами цинк и магний содержащей фазы, образующимися в процессе распада алюминиевого твердого раствора, тогда как нерастворенные более крупные включения образованы железо и марганец содержащей фазой, что подтверждено спектральным анализом данных частиц и матрицы материала после деформации и после старения. Анализ показал, что, как общее количество частиц, так и количество частиц размером до 1 мкм снижается с повышением температуры обработки, что связано с повышением растворимости цинка и магния в алюминиевом растворе и приводит к снижению объемной доли вторичных включений. Суммарная объемная доля частиц в зависимости от температуры обработки может варьироваться в широких пределах (~7-12 %), тогда как нерастворимый остаток остается примерно одинаковым (~2 %) независимо от температуры обработки. Количественный анализ для частиц размером до 1 мкм выявил, что до 0,5 об.% таких частиц принадлежит именно нерастворимой фазе. При этом доля таких частиц повышается до 1 об.% с повышением температуры обработки. Для частиц размером до 1 мкм, подавляющее большинство которых принадлежит растворимой цинк и магний содержащей фазе, средний размер составляет менее ~500 нм, при этом все частицы имеют морфологию, близкую к идеальной сферической. Несмотря на существенные различия в степени деформации на периферии и в центре обрабатываемого прутка, линейный размер нерастворимых включений лишь немного меньше на периферии, чем в центре заготовки, при этом степень сферичности все же несколько выше именно на периферии. Схема пластического формоизменения и интенсивные сдвиговые деформации способствуют дроблению и распределению мелкодисперсных частиц фаз округлой формы, способствующих получению повышенных механических свойств проката и сохранению высокой пластичности в алюминиевых сплавах. 6) Показана перспективность использования РСП как эффективного способа управляемого пластического деформирования алюминиевых сплавов и получения длинномерных прутков с полезным комплексом механических свойств. Основным способом управления структурообразованием при РСП можно считать температуру деформации и коэффициент вытяжки при заданном угле подачи валков β=18-20°. Задаваясь температурно-деформационными параметрами, возможно получить требуемое соотношение долей деформированной и рекристаллизованной структур и, таким образом, управлять уровнем механических свойств. Косвенными управляющими параметрами процесса РСП, позволяющими регулировать структурообразование и механические свойства, можно назвать частоту вращения валков, калибровку и пространственное положение осей валка, которые определяют количество циклов деформации, величину частного обжатия и распределение зон интенсивной деформации по сечению прутка. Получены и описаны взаимосвязи параметров РСП, такие как температурный разогрев в зависимости от обжатия, скорости вращения валков и исходной температуры, и формирующиеся при этом фазовый состав и микроструктура. Для сплава В95 описана полученная градиентная структура с точки зрения деформации и температурных изменений. На поверхности прутка, принимая во внимание высокую накопленную эквивалентную деформацию и сильный деформационный разогрев, происходит инициирование процесса динамической рекристаллизации, который в дальнейшем приводит к статической (или метадинамической) рекристаллизации при выдержке между проходами в печи. Однако, несмотря на крупную рекристаллизованную структуру в приповерхностном слое, его твердость такая же, как для других участков по радиусу полученных прутков. Последнее связано с более сильным деформационным разогревом приповерхностного слоя, что приводит к повышенной растворимости цинка, магния и меди в твердом растворе алюминия. Это означает более сильное влияние содержания (Al) на микротвердость по сравнению с зеренной структурой высокопрочного сплава. Данное объяснение подтверждается существенной разницей в количестве частиц между поверхностью и центром для данного образца. На расстоянии половины радиуса можно наблюдать только небольшую часть рекристаллизованных зерен до 5%, в то время как большая часть структуры полигонизована (более 55%) и смешана с мелкими равноосными деформированными зернами (около 40%). В центральной части можно наблюдать образование волокнистых преимущественно деформированных зерен, вытянутых в направлении оси прокатки. Большая протяженность субграниц внутри зерен уменьшает эквивалентный размер зерен (~10 мкм). ТО не влияет на уже рекристаллизованную зеренную структуру в приповерхностных слоях и приводит к некоторому увеличению эквивалентного размера зерна в центральной и средней частях прутка. Последнее в основном связано как с ростом мелких зерен, образующихся при деформации, так и с уменьшением длины сетки LAGBs. Варьируя температуру нагрева, время выдержки в печи и коэффициент вытяжки возможно управлять структурообразованием. Так, прокатка с большим обжатием и долгая выдержка в печи между проходами формирует рекристаллизованную структуру на поверхности и преимущественно деформированную в центре. Прокатка со снижением температуры без выравнивания температуры в паузах приведет к началу динамической рекристаллизации и получению мелкодисперсной рекристаллизованной (или частично рекристаллизованной) равноосной структуры в поверхностных слоях. 7) Для прутков, полученных по всем разработанным режимам, определены механические свойства и распределение микротвердости по сечению. Для Д16 после РСП лучшие прочностные свойства имеют прутки, полученные по режиму со снижением температуры обработки (σв~432 МПа, σт~256 МПа, δ~15%, ~75-90HV), после ТО: σв~482 МПа, σт~285 МПа, δ~16,4%, ~130-135HV. Полученные способом РСП прутки из сплава Д16 по всем режимам обеспечивают лучшие свойства по прочности (в среднем на 20% для σв и на 5% для σт) и пластичности (в среднем на 20-40 %) в сравнении с ГОСТ 21488-97. С точки зрения получения механических свойств предпочтительным можно считать режим с постепенным снижением температуры. Прокатка с большим количеством циклов деформации и небольшим обжатием за проход приводит к формированию тонкого поверхностного слоя с развитой пластической деформацией и большой ее неравномерностью по сечению. Мех. св-ва прутков В95, после РСП составляют σв~282-361 МПа, σт~177-226 МПа, δ~13-20%, ~75-95HV в зависимости от режима деформации. Лучшие прочностные свойства получены для режима с более низкой температурой прокатки с наращиванием обжатия по проходам. Равномерное распределение обжатий с коэф. вытяжки ~2,0 обеспечивает более высокую пластичность (δ~18%) за счет интенсивного деформационного разогрева и получения большей доли полигонизованной или рекристаллизованной структуры. После старения все прутки имеют примерно одинаковую прочность (σв~577-591 МПа, σт~518-529 МПа) и твердость ~165-180HV, но сохранили зависимость показателя относительного удлинения от режима прокатки (δ от 11 до 14 %). Полученные механические свойства для В95 превышают регламентированные механические свойства прутков согласно ГОСТ 21488-97 по пределу прочности на 13-18 %, пределу пластичности на 29-32% и по относительному удлинению в 1,5-2 раза. Все полученные механические свойства прутков для сплавов Д16 и В95 выше заявленных в плане исследования значений, что говорит об актуальности предложенных решений и высоком потенциале внедрения в реальный сектор экономики. 8) Разработанные режимы деформации, по которым получены образцы исследуемых сплавов с повышенным уровнем механических свойств, применены и отработаны на промышленных министанах РСП, что подтверждает возможность промышленной реализации результатов исследований. Описанные исследования и полученные научные результаты нашли отражение в написанных статьях и материалах конференций.

 

Публикации

1. Акопян Т.К., Гамин Ю.В., Галкин С.П., Кошмин А.Н., Кин Т.Ю., Чеверикин В.В., Алещенко А.С. Effect of process parameters on the microstructure and mechanical properties of bars from Al-Cu-Mg alloy processed by multipass radial-shear rolling Journal of Materials Science, - (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s10853-022-07167-y

2. Гамин Ю., Кошмин А., Динь С.Т. Analysis of radial-shear rolling process parameters of aluminum alloys based on FEM modeling MATEC Web of Conferences, 315, 11001 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1051/matecconf/202031511001

3. Гамин Ю., Кошмин А., Долбачев А. Study of radial-shear rolling features and properties evolution of 1050A aluminum alloy METAL 2020 - 29th International Conference on Metallurgy and Materials, Conference Proceedings, Pages: 327-332 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.37904/metal.2020.3467

4. Гамин Ю.В., Акопян Т.К., Кин Т.Ю., Галкин С.П., Алещенко А.С. Effect of radial-shear rolling on particle’s morphology and mechanical properties of AA7075 alloy Materials Science and Technology, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1080/02670836.2023.2196471

5. Гамин Ю.В., Акопян Т.К., Кошмин А.Н., Долбачев А.П., Гончарук А.В. Microstructure evolution and property analysis of commercial pure Al alloy processed by radial-shear rolling Archives of Civil and Mechanical Engineering, Volume 20, Issue 4, December 2020, Номер статьи 143 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/s43452-020-00143-w

6. Гамин Ю.В., Галкин С.П., Романцев Б.А., Кошмин А.Н., Гончарук А.В. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ РАДИАЛЬНО-СДВИГОВОЙ ПРОКАТКИ НА РАСХОДНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ И СВОЙСТВА ПРУТКОВ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА Д16 Металлург, №6, стр. 56-63 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.52351/00260827_2021_06_56

7. Ю. В. Гамин, А. Н. Кошмин, А. П. Долбачев, С. П. Галкин, А. С. Алещенко, М. В. Кадач Изучение влияния режимов радиально-сдвиговой прокатки на температурно-деформационные условия процесса обработки алюминия АД0 Известия вузов. Цветная металлургия, №5, стр.70-83. (год публикации - 2020) https://doi.org/10.17073/0021-3438-2020-5-70-83

8. Ю.В. Гамин, А.Н. Кошмин, Т.Ю. Кин, А.С. Алещенко Comparative analysis of stress-strain state of bars from aluminum alloys A2024 and A7075 processed by RSR based on FEM modeling Materials Today: Proceedings, Article in press (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.106


Возможность практического использования результатов
В результате работы над проектом были разработаны режимы для промышленной радиально-сдвиговой прокатки, позволяющие бездефектно деформировать алюминиевые сплавы при различных температурных условиях и коэффициентах вытяжки. Все рассчитанные и исследованные режимы подтверждены расчетными и экспериментальными методами, доказывающими возможность реализации на практике технологии РСП алюминиевых сплавов с последующим расширением их практического применения. Разработанные режимы деформации, по которым получены образцы исследуемых сплавов с повышенным уровнем механических свойств, применены и отработаны на промышленных министанах РСП, что подтверждает возможность промышленной реализации результатов исследований. Полученные механические свойства прутков для рассматриваемых сплавов АД0, Д16 и В95 выше заявленных в регламентированных нормативной документацией значений, что говорит об актуальности предложенных решений и высоком потенциале внедрения в реальный сектор экономики. На основании обобщения полученной информации, теоретического анализа, комплексных экспериментальных исследований разработаны научные принципы для разработки и внедрения прогрессивной технологии получения прутков из алюминиевых сплавов на основе способа радиально-сдвиговой прокатки, позволяющей расширить производственные возможности производства за счет расширения промышленных способов производства, комплексного улучшения физико-механических и служебных свойств металла при снижении отходов и издержек производства. В частности, полученные результаты и сформулированные принципы могут быть использованы при производстве прутков широкого размерного сортамента из промышленных многофункциональных алюминиевых сплавов. Метод радиально-сдвиговой прокатки в данном случае может быть альтернативой или заменой традиционного способа прессования. Основными преимуществами способа РСП в сравнении с прессованием являются: - большая технологическая мобильность оборудования за счет использования универсальной калибровки рабочего инструмента и отсутствие необходимости большого парка инструмента для разных типоразмеров продукции; - сравнительно высокая износостойкость рабочего инструмента и, связанное с этим снижение затрат на инструмент; - возможность снижения температуры деформации и, соответствующая экономия энергозатрат на передел; - сокращение производственных площадей и металлоемкости оборудования; - высокая управляемость процессом и возможность подбора параметров для получения качественной продукции с требуемой структурой; - получение продукции с повышенным уровнем механических свойств и связанных с ними служебных свойств для применения в ответственных и новых развивающихся отраслях промышленности. Разработанные решения имеют высокую степень готовности для использования в промышленности. Полученные данные, результаты экспериментальных исследований и выводы полезны для расширения технологического и научного задела по тематикам прокатного производства и деформации алюминиевых сплавов. Также полученные данные могут быть использованы в образовательных целях в курсах "Материаловедение цветных металлов" и "Современные технологические решения в деформационной обработке металлов и сплавов".