Analiza numeryczna odkształceń oraz mikrostruktury podczas wysokotemperaturowego kucia wydłużającego stopu tytanu Ti-6Al-4V

• Autorzy: Kukuryk M.

Warianty tytułu

EN

Numerical analysis of deformation and microstructural evolution in the hot stretch forging of Ti-6Al-4V titanium alloy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono analizę przestrzennego stanu odkształcenia dla procesu kucia wydłużającego stopu tytanu Ti-6Al-4V z wykorzystaniem metody elementów skończonych z założeniem sztywno-plastycznego modelu odkształcanego ciała. Przedstawiono wyniki prac związanych z symulacją schematu płynięcia metalu i zjawisk cieplnych w procesie odkształcania materiału w warunkach kucia na gorąco. Analizę numeryczną wykonano z wykorzystaniem programu DEFORM-3D, składającego się z części mechanicznej, termicznej i mikrostrukturalnej. Rezultaty obliczeń umożliwiają określenie rozkładu intensywności odkształcenia, intensywności naprężeń, naprężeń średnich i temperatury w objętości odkuwki. Rozwiązanie uzupełniono o model rozwoju mikrostruktury w czasie odkształcenia, który pozwala wyznaczyć rozkład wielkości ziarna i ułamka objętości materiału zrekrystalizowanego wewnątrz odkształcanych odkuwek. Wartości naprężenia uplastyczniającego dla stopu tytanu Ti-6Al-4V przyjmowano na podstawie przeprowadzonych badań plastometrycznych dla różnych wartości odkształceń, prędkości odkształceń i dla ustalonego zakresu temperatury przeróbki plastycznej na gorąco (?p = ?(?, ?˙, T)). Badania przeprowadzono w zakresie temperatury od 1023 K do 1373 K, przy czym ze wzrostem temperatury obserwowano obniżenie poziomu naprężenia uplastyczniającego. Doświadczalnie wyznaczone krzywe ?p = f(?) wykazują charakterystyczne maksimum naprężenia uplastyczniającego, które występuje przy odkształceniu nieco powyżej ?h = 0,20. Kucie przeprowadzono w kowadłach płaskich oraz w kowadłach specjalnych trójpromieniowych. Dla badanego stopu tytanu charakterystykę właściwości cieplnych, takich jak: gęstość, ciepło właściwe i przewodnictwo cieplne przyjęto na podstawie danych eksperymentalnych i zadawano jako funkcje temperatury. W pracy przedstawiono rozkład ułamka objętości zrekrystalizowanej dynamicznie i średniej wielkości ziarna na powierzchni poprzecznego przekroju próbki ze stopu tytanu Ti-6Al-4V podczas kucia wydłużającego w kowadłach płaskich. Rekrystalizacja dynamiczna rozpoczyna się w dużej części obszaru poddanego odkształceniu, a ułamek objętości zrekrystalizowanej dynamicznie podczas kucia na kowadłach płaskich osiąga swoje maksimum w środku odkuwki i wynosi 70% (dla gniotu 0,70). Dla powierzchni kontaktowych i bocznych ułamek objętości zrekrystalizowanej jest dużo mniejszy i wynosi 20%. Przewidywana wielkość ziarna jest najmniejsza w środku odkuwki i wynosi 24 ?m (dla gniotu 0,70) i 44 ?m dla powierzchni czołowych i bocznych odkuwki. Ze wzrostem odkształcenia obserwowano zmniejszanie wielkości ziarna. Zastosowane w badaniach kowadła specjalne trójpromieniowe wykazały korzystny wpływ na rozkład odkształceń i naprężeń w procesie kucia stopu tytanu Ti-6Al-4V. Największe wartości intensywności odkształcenia występują w obszarach odkuwki znajdujących się pod wypukłymi powierzchniami kowadeł (?i /?h = 1,44), środkowy obszar odkuwki doznaje mniejszych odkształceń (?i /?h = 0,97). Dużą zaletą kucia w tych kowadłach jest wysoka równomierność rozkładu intensywności odkształcenia. Analizą objęto również zmiany mikrostruktury podczas kucia w tych kowadłach. Podczas kucia w kowadłach specjalnych trójpromieniowych ułamek objętości zrekrystalizowanej dynamicznie osiąga swoje maksimum w obszarach odkuwki znajdujących się pod wypukłymi powierzchniami kowadeł i wynosi 65% dla gniotu 0,70. Dla środkowych części odkuwki jest mniejszy i wynosi 56%. Wielkość ziarna na powierzchni styku odkształcanego materiału z kowadłami trójpromieniowymi wynosi 20 ?m oraz 27,5 ?m dla strefy centralnej odkuwki i gniotu ?h = 0,70. Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że rozkład wielkości ziarna jest znacznie korzystniejszy w kowadłach trójpromieniowych w porównaniu z kowadłami płaskimi. Wyniki teoretyczne poddano weryfikacji eksperymentalnej.

EN

A three-dimensional rigid-plastic finite element (FEM) analysis has been performed to quantitatively describe the hot stretch forging process of Ti- -6Al-4V titanium alloy. Finite element method was employed to model plastic flow and heat transfer in the deformed material. For the numerical modelling a commercial program DEFORM-3D with thermomechanical and microstructural evolution coupled FEM code had been employed. The numerical calculation gave an assessment of the strain, strain rate, stress and temperature distributions in the workpiece. This allowed the prediction of the microstructure evolution during hot forging. A model was developed to predict grain size and recrystallized volume fraction during hot forging. The flow curve is determined as a function of strain, strain rate and temperature (?p = ?(?, ?˙, T)). The flow curves show the flow softening behavior in the temperature ranges of 1023 K and 1373 K, the extent of flow softening decreases to a lesser degree with an increase in temperature. In the present experiment, the peak stress was observed at true strain about 0.20. In the study, two pairs of anvils were used in the computer simulations and experimental tests of the stretch forging process: flat and assembly of three-radius anvils. Variation of the physical properties of workpiece for the Ti-6Al-4V titanium alloy as function of temperature. The distribution of dynamical recrystallized volume fraction and mean grain size from simulation in flat anvils, has been obtained. The fraction of dynamic recrystallization has been 70% (for the reduction of 0.70) at center region, and 20% at die contact region. Predicted grain size from simulation is 24.0 ?m (for the reduction of 0.70) at center region, and 44.0 ?m at die contact region. The recrystallized grain size decreased with increasing strain. For specimens deformed in the assembly of three-radius anvils the effective strain distribution was most uniform. After the second reduction values of local deformations in the range ?i /?h = 0.97 has been obtained in the central parts of specimen cross-section and in the ?i /?h = 1.44 in the external specimen layers. The distribution of dynamical recrystallized volume fraction and mean grain size from simulation in the assembly of three-radius anvils, has been obtained. The fraction of dynamic recrystallization has been 56% (for the reduction of 0.70) at center region, and 65% at die contact region. Predicted grain size from simulation is 27.5 ?m (for the reduction of 0.70) at center region, and 20 ?m at die contact region. Based on the results it can be stated that with the increase of relative reduction, the mean grain size decreases, maximal value of mean grain size has been observed for flat anvils and minimal for shape of three-radius anvils. The best results from the quality point of view has been obtained for three-radius anvils. The results of theoretical investigation were verified by experimental tests.

Słowa kluczowe

PL

kucie wydłużające; rozwój mikrostruktury; MES (metoda elementów skończonych); kowadła kształtowe

EN

stretch forging; microstructure evolution; FEM; shaped anvils

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 32, nr 2
• Strony: 90--97
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., rys.

Twórcy

autor

Kukuryk M.

• Wydział Inżynierii Mechanicznej i Informatyki, Politechnika Częstochowska, Częstochowa,

Bibliografia

• [1] Zong Y. Y., Shan D. B., Xu M., Lu Y.: Flow softening and microstructural evolution of TC11 titanium alloy during hot deformation. J. of Materials Processing Technology 209 (2009) 1988÷1994.
• [2] Filip R., Kubiak K., Ziaja W., Sieniawski J.: The effect of microstructure on the mechanical properties of two-phase titanium alloys. J. of Materials Processing Technology 133 (2003) 84÷89.
• [3] Hu Z. M., Brooks J. W., Dean T. A.: Experimental and theoretical analysis of deformation and microstructural evolution in the hot-die forging of titanium alloy aerofoil sections. J. of Materials Processing Technology 88 (1999) 251÷265.
• [4] Hu Z. M., Dean T. A.: Aspects of forging of titanium alloys and the production of blade forms. J. of Materials Processing Technology 111 (2001) 10÷19.
• [5] Warchomicka F., Stockinger M., Degischer H. P.: Quantitative analysis of the microstructure of near β titanium alloy during compression tests. J. of Materials Processing Technology 177 (2006) 473÷477.
• [6] Li X., Lu S. Q., Fu M. W., Wang K. L., Dong X. J.: The optimal determination of forging process parameters for Ti-6.5 Al-3.5 Mo-1.5 Zr-0.3 Si alloy with thick lamellar microstructure in two phase field based on P-map. J. of Materials Processing Technology 210 (2010) 370÷377.
• [7] Zhang W., Liu Y., Li H. Z., Li Z., Wang H., Liu B.: Constitutive modelling and processing map for elevated temperature flow behaviors of a powder metallurgy titanium aluminide alloy. J. of Materials Processing Technology 209 (2009) 5363÷5370.
• [8] Ziaja W., Sieniawski J., Kubiak K.: Fatigue and microstructure of twophase titanium alloys. Inżynieria Materiałowa 5 (2001) 981÷984.
• [9] Fluhrer J.: DEFORM 3D User’s Manual Version 6.0. Scientific Forming Technologies Corporation (2006) Columbus, Ohio.
• [10] Lee R. S., Lin H. C.: Process design based on the deformation mechanism for the non-isothermal forging of Ti-6Al-4V alloy. J. of Materials Processing Technology 79 (1998) 224÷235.
• [11] Li L. X., Peng D. S., Liu J. A., Liu Z. Q.: An experiment study of the lubrication behavior of graphite in hot compression tests of Ti-6Al-4V alloy. J. of Materials Processing Technology 112 (2001) 1÷5.
• [12] Park N. K., Yeom J. T., Na Y. S.: Characterization of deformation stability in hot forging of conventional Ti-6Al-4V using processing maps. J. of Materials Processing Technology 130-131 (2002) 540÷545.
• [13] Zitnansky M., Caplovic L.: The preparing of Ti-6Al-4V alloy in laboratory conditions. J. of Materials Processing Technology 157-158 (2004) 781÷787.