Исследование параметров холодной прокатки ультрамелкозернистого титана

Развитие современных отраслей промышленности предъявляет всё более высокие требования к качеству материалов и эксплуатационным свойствам изделий. Важной с этой точки зрения является разработка новых подходов к созданию перспективных материалов, обеспечивающих высокий уровень свойств. В связи с этим в последние годы большое внимание учёных вызывают наноструктурные материалы, обладающие уникальной структурой и свойствами [1].

Очень актуальна эта проблема в медицине. На данном этапе необходимо найти более надёжные материалы для изготовления новых имплантатов, протезов и инструментов для замены поврежденных частей тела человека. Современные хирургия и стоматология нуждаются в металлах и сплавах с высокой химической инертностью и адекватной механической прочностью.

Сейчас для этих целей используют лёгкие и прочные титановые сплавы. Однако до сих пор не найдено решение оптимального соотношения прочностных характеристик, которыми обладают легированные марки титановых сплавов, с максимальной биологической совместимостью (чему полностью соответствует чистый титан).

Имплантология отдает предпочтение титану из-за его преимуществ по сравнению с другими металлами [2]. Проведённые эксперименты свидетельствуют о практически полной биологической совместимости титана и некоторых его сплавов с живой тканью, а так же титан не вызывает аллергических реакций. Титан очень мало ионизируется в физиологических растворах. Продукты его коррозии нетоксичны. Кроме того, они обычно не распространяются по всему организму, концентрируясь вблизи имплантата. В отличие от нержавеющих сталей и кобальтовых сплавов, многоцикловые характеристики титана не понижаются при контакте с солевыми средами, включая физиологические растворы [2].

Поэтому разработка и исследование новых эффективных методов обеспечивающих повышение механических свойств коммерчески чистого титана является весьма актуальной задачей для медицинского материаловедения.

Сплав ВТ5, широко применяемый в медицине в данное время, содержит ванадий, содержание которого в человеческом организме недопустимо.

Целью данной работы является достижение усталостно-прочностных свойств упрочнением сплава ВТ1-0, который не содержит вредных веществ, методами холодной обработки давлением.

Интенсивная пластическая деформация (ИПД) приводит к формированию ультрамелко- зернистых неравновесных структур, которая оказывает значительное, а иногда коренное влияние на деформационное поведение и механические свойства металлов и сплавов. В процессе последующей пластической деформации происходит изменение исходного наноструктурного состояния. Характер этих изменений определяется схемой и условиями деформации [1]. На данный момент наноструктуры получены в чистых металлах, многих славах и сталях. Структурные элементы наноматериалов, полученных ИПД, имеют малый размер зёрен и большую протяженность неравновесных границ зёрен.

Ра с прос тра не нным м е тода м ин те нсивной пл а сти чес ко й д еформ а ци и являе тс я м е тод ра внок анального угл ов ого п рес с ов а ни я (Р К У П) (рис . 1).

ИПД РКУ-пре сс ов а н ие ос н ов а н о на деформа ци и м ас с и в ны х обра з цов п рос тым с дв игом . За г о тов ка н еод н ократн о прода влив а е тс я в с пециал ь ной о с н ас тке че ре з дв а кана л а с од инаков ым и попе р е чн ы м и с е че н иями, пе рес е ка ющимис я обыч но под у г л ом 90° [ 1]. Р К У прес с ов а ние поз в оляе т по л у ча ть в м а с с ив ны х обра з ц а х те хн иче с к и чис того титана ВТ1-0 у л ьтра м е л козе рнис т у ю с тр у кт у р у с р а з м е ро м з е ре н 0, 3 м км , что прив од ит к бол е е в ы соки м з на че н иям пре дел ов прочнос ти и т ек у че с т и σ 0,2 = 770 МПа, σ в = 79 0 М Па по с ра в нен ию с и с х о д ным кр у п ноз ерн истым (К З) ти таном .

Ещё одн им сп ос обом И ПД яв л яетс я в с е сторонняя ковка (рис. 2).

Да нн ый п роце сс обыч но с опров ож да е тся ди н ам и ч ес к о й р е к ри стал л и за ци е й . В сес т о р о нн яя к о в -

Рис. 1. Метод РКУ-прессования ка основана на использовании многократного повторения: осадка – протяжка со сменой оси прилагаемого деформирующего усилия.

Так как обработку начинают с высоких температур, (0,3–0,6) Т _пл, и обеспечивается небольшая удельная нагрузка на инструмент, такой способ позволяет получать наноструктурное состояние в хрупких материалах [1].

Полученные метом ИПД ультрамелкозерни-стые заготовки (диаметром от 40 мм и более) были

Рис. 2. Всесторонняя ковка

Обработка металлов давлением подвержены обработке давлением в холодном состоянии для получения заданных прочностных свойств.

Холодная прокатка является распространённым методом упрочнения материалов и сплавов. Интерес к холодной прокатке в качестве деформационной схемы связан с тем, что прокатка является всесторонне исследованным процессом, который к тому же широко используется на практике.

Для исследования режимов холодной деформации наноструктурного титана перспективным является прокатка на станах с четырёхсторонним обжатием, конструкции ЧПИ [3].

Прокатка с четырёхсторонним обжатием осуществляется в калибрах, образованных четырьмя валками, оси которых расположены в одной вертикальной плоскости (рис. 3).

В ходе прокатки были изготовлены стандартные цилиндрические образцы для исследования механических свойств на растяжение и проведения испытаний на усталостную прочность. Результаты исследований представлены в табл. 1.

Данные таблицы указывают на повышение прочностных характеристик НС титана в результате холодной прокатки.

Так же разработана схема безкалиберной прокатки на гладкой бочке прокатного стана с диаметром валков 320 мм.

Механические свойства полученных образцов представлены в табл. 2.

Данные таблицы показывают более высокие характеристики прочности и пластичности НС титана в сравнении с КЗ при равной степени деформации, а так же более высокое суммарное упрочнение КЗ титана при резком снижении пластичности.

Прокаткой в калибрах образованных четырьмя валками показала возможность осуществления холодной упрочняющей обработки с суммарной степенью деформации до ε = 90 %. Получены образцы сечением 14 мм с удовлетворительным качеством поверхности. Однако, для получения более стабильных условий деформирования необходимо провести исследования сопротивления деформации УМЗ титана.

С этой целью проведены пластометрические исследования на пластометре конструкции ЧПИ-2 по методике, разработанной на кафедре МиТОМД ЮУрГУ.

После пластометрических исследований образцов были проведены испытания по определе-

Рис. 3. Схемы прокатки в четырехвалковых калибрах

Механические свойства титана в исходном, НС (РКУП) и холодном состояниях

Таблица 1

Материал	σ в , МПа	σ 0,2 , МПа	δ, %	σ –1 , МПа
Исходный	560	430	35	250
НС	765	670	23	310
НС + холодная прокатка	1010	900	17,5	460

Механические свойства КЗ и НС титана в процессе холодной прокатки

Таблица 2

Состояние σв, МПа σ0,2, МПа δ, % КЗ 790 750 9 НС 1010 900 13 нию сопротивления деформации, временного сопротивления и твердости по Бринеллю. Результаты исследования механических свойств холодно-деформированного титана при однократном нагружении приведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, при увеличении степени деформации при однократном нагружении до 20 % условный предел текучести (σ 0,2 ) интенсивно растет с 605,6 % МПа (ε = 2,8 %) до 808,2 МПа (ε = 19 %),при дальнейшем увеличении степени деформации рост σ_0,2 приоставливатся.

Временное сопротивление (σ0,2) в случае однократного нагружения до 20 % существенно не меняется, при дальнейшем нагружении σ0,2 возрастает с 748,8 МПа при ε = 20,1 % до 897, МПа при ε = 59,5 %. По аналогичной закономерности изменяется твердость по Бринеллю.

Как видно из табл. 4, дробность деформации повышает предел текучести при всех степенях нагружения. Повышение σ 0,2 и твердости свидетельствует об измельчении зерна. Временное сопротивление при дробном деформировании значительно растет при ε > 50 %. Так, если при

ε = 50,4 % σв = 802,4 МПа при однократном нагружении, то при шестикратном нагружении до 52,9 % временное сопротивление достигает 992,8 МПа.

Твердость по Бринеллю при дробном нагружении изменяется аналогично временному сопротивлению, при однократном шестикратном нагруже-нии( ε = 50 %) HB возрастает с 236 до 292. То есть можно говорить об измельчении зерна.

Исследование пластичности титана ВТ1-0 при дробном нагружении показало, что с увеличением числа ступеней нагружения пластичность титана возрастает. Если при однократном нагружении макротрещины появляются при ε = 48,6 %, то при пятикратном нагружении разрушение наблюдается при ε = 78,7 %.

Было исследовано влияние отжига при многократном нагружении на отдельных стадиях нагружения с целью сохранности величины зерна и его влияние на механические характеристики титана ВТ1-0.

По данным табл. 3 построена кривая зависимости условного предела текучести в функции степени деформации. График кривой приведен на рис. 4.

Таблица 3

Результаты исследования механических свойств холоднодеформированного титана при однократном нагружении

№ п/п	Деформация ε, %	Предел текучести σ0,2, МПа	Предел прочности σв, МПа	Твердость, НВ
1	2,8	605 ,6	693,6	204
2	9,8	696,8	717,4	211
3	9,9	690,1	785,4	231
4	10,2	669,7	697,0	205
5	14,4	793,5	714,0	210
6	17,4	729,4	702	208
7	19,0	808,2	731,	215
8	19,4	801,5	758,2	223
9	20,1	796,8	748,0	220
10	21,1	775,4	737,8	217
11	41,1	800,9	799,0	235
12	50,4	792,2	802,4	236
13	58,8	801,6	829,6	244
14	59,5	821,7	897,6	264

Таблица 4

Влияние дробности нагружения на механические свойства холоднодеформированного титана

№ п/п	Деформация ε, %	Количество ударов	Предел текучести σ 0,2 , МПа	Предел прочности σ в , МПа	Твердость, НВ
1	10,0	1	685,5	733,3	216
2	10,0	2	708,8	720,8	212
3	19,9	1	795,5	743,8	219
4	20,1	4	804,4	744,6	219
5	50,4	1	792,2	802,4	236
6	52,9	6	833,4	998,8	292
7	56,6	1	805,2	843,2	248
8	55,8	3	880,1	867,0	255

Рис. 4. График зависимости предела текучести от степени деформации

Рис. 5. График функции σ = a ε ^b

По методике, разработанной на кафедре МиТОМД, получена формула для вычисления σ0,2 имеющая вид:

σ 0,2 = σ 0 + а (100 ε ) ^b .

Методы интерполяции и аппроксимации применяются при обработке экспериментальных ре- зультатов. Задача интерполяции вычислить значения исследуемой функциональной зависимости между опорными точками. При этом часто строится функция, проходящая через опорные точки. Однако если экспериментальные данные зашумлены, такой подход не имеет смысла. В этом случае используются методы аппроксимации, в которых строится функция, наилучшим образом проходящая через эти точки. Критерий – минимум суммы квадратов отклонений. Могут использоваться и другие критерии, например максимум функции правдоподобия.

Для построения функциональной зависимости воспользуемся программой MATLAB. Данные эспе-риментальной зависимости предела текучести от величины относительной деформации берём из табл. 3.

Программа аппроксимирует исходные точки графиком функции σ = a ε ^b .

Коэффициенты а и b вычисляются по методу наименьших квадратов. Чтобы свести вычисления к решению линейной системы уравнений выполняется предварительное логарифмирование исходных данных.

Результаты расчетов представлены на рис. 5. Из рис. 5 видно, что график функции σ = aεb с достаточной степенью точности описывает экспериментальные данные, приведенные на рис. 4.

Для получения более высокой степени упрочнения при суммарной деформации ε > 90 % возможен способ дозированной деформации прокаткой с переменным обжатием.