Влияние комбинации радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки на напряженно-деформированное состояние прутковой заготовки малого диаметра из титановых сплавов

The paper focuses on the finite element method used to simulate the stress-strain state of a small-diameter bar stock during hot-forming in a combination of radial shear rolling (RSR) and rotary forging (RF). Simulation was carried out using the rheological model of the Ti-6Al-4V titanium-based alloy with the QForm VX software. A combination of radial shear rolling of a workpiece with a diameter of 15 mm to 12 mm bar in one pass and subsequent rotary forging in one, two and three passes to obtain bars with diameters 11, 10 and 8 mm is simulated. During the simulation, step-by-step accumulation of plastic deformation was taken into account in the conditions of its nonuniform distribution. The intermediate and finite fields of plastic deformation, strain rate and average stress are obtained. It is shown that plastic deformation distribution after RSR has an expressed gradient with a maximum value (3 or more) at the periphery of the cross-section and a minimum value (about 1) at the center. As a result of RF, even with small reductions, the stress-strain state becomes much more uniform compared with a workpiece of the same diameter after radial shear rolling only. In addition, residual tensile stresses due to compressive stresses during rotary forging are reduced. Direct experimental testing of the combined deformation method was carried out for a promising medical-grade Ti-Zr-Nb shape memory alloy when manufacturing 7-8 mm diameter rods in experimental production conditions. Qualitative confirmation of modeling results is obtained by metallographic analysis. It is shown that the combination of radial shear rolling and rotary forging is promising for creating industrial technologies for the manufacture of small-diameter rods with a highly uniform finely-dispersed structure.Работа посвящена конечно-элементному моделированию напряженно-деформированного состояния прутковой заготовки малого диаметра при горячей обработке давлением в комбинации радиально-сдвиговой прокатки (РСП) и ротационной ковки (РК). Моделирование выполнено с использованием реологической модели титанового сплава Ti—6Al—4V с помощью программы QForm VX. Смоделировано сочетание радиально-сдвиговой прокатки за 1 проход заготовки диаметром 15 мм на пруток диаметром 12 мм и последующей ротационной ковки в 1, 2 и 3 прохода с получением прутков диаметрами 11, 10 и 8 мм. Учитывалось пооперационное накопление пластической деформации в условиях неравномерности ее распределения. Получены промежуточные и конечные поля пластической деформации, скорости деформации и среднего напряжения. Показано, что распределение пластической деформации после РСП имеет выраженную градиентность с максимальным значением (3 и более) на периферии сечения и минимальным (около 1) в центре. В результате РК даже с небольшими обжатиями напряженно-деформированное состояние становится существенно более однородным по сравнению с заготовкой такого же диаметра только после радиально-сдвиговой прокатки. Кроме того, уменьшаются остаточные напряжения растяжения из-за сжимающих напряжений при ротационной ковке. Прямое экспериментальное опробование комбинированного способа деформации проведено для перспективного сплава Ti—Zr—Nb с памятью формы медицинского назначения при изготовлении прутков диаметром 7—8 мм в условиях опытно-промышленного производства. Получено качественное подтверждение результатов моделирования металлографическим анализом. Показана перспективность сочетания радиально-сдвиговой прокатки и ротационной ковки для создания индустриальных технологий изготовления прутков малого диаметра с высокой однородностью мелкодисперсной структуры

Calculation of shape recovery in textured SM material

The aim of this work is to create a computer model predicting the strain to be accumulated and then recovered by nitinol superelastic textured sheets upon reversible martensitic transformation. Using an experimental orientation distribution function (ODF), connecting the microscale (grain) and macroscale (semiproduct) levels, the model calculations are realized through the following steps: (1) tensile loading is consecutively applied to the shape memory nitinol sheet in all directions from those rolling to transverse; (2) an external stress is transferred to micro (each grain) level, where the crystallographic strain is obtained by minimizing the total strain energy; (3) then the strains accumulated in each grain are translated backwards to the macrolevel through the ODF: to obtain the macrostrain accumulated by the whole sheet, a weighted summation of grain-accumulated strains is used by assuming the input from each grain orientation to be proportional to the corresponding ODF coefficient. This approach is validated for isotropic (constant ODF) and for normally anisotropic (typical experimental ODF) cases. It is also shown how the sharpening of texture gradually increases the strain anisotropy until the single crystal strain distribution of the unique grain orientation appears in the sheet plane