Aparatura wysokociśnieniowa do przeróbki plastycznej materiałów z dużymi odkształceniami na zimno

• Autorzy: Pachla W. , Skiba J. , Kulczyk M. , Przybysz M.

Warianty tytułu

EN

High-pressure equipment for cold severe plastic deformation working of materials

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Obróbka plastyczna z dużymi odkształceniami powoduje rozdrobnienie mikrostruktury materiałów co skutkuje wzrostem własności mechanicznych. Aby powstrzymać utratę spójności materiału podczas odkształcania należy zachować duże naprężenia ściskające w strefie odkształcenia. W pracy przedstawiono korzystny wpływ wysokiego ciśnienia na wzrost plastyczności i powstrzymanie pękania poprzez zastosowanie metody przeciskania przez równoosiowy kanał kątowy ECAP i wyciskania hydrostatycznego HE. Opisano konstrukcje pras, ich podstawowe osiągi i parametry procesów. Scharakteryzowano prasę do HE o średnicy 22mm do 2 GPa i stanowisko do procesu ECAP o przekroju 30mm i nacisku do 2.3 GPa, uwzględniając optymalizowanie konstrukcji z wykorzystaniem metod analitycznych opartych o teorię sprężystości i plastyczności Lame’a, oraz metodą elementów skończonych MES. Analizie poddano materiały komór roboczych i podstawowe parametry procesu. Zredukowane naprężenia węzłowe komory ECAP ze stali S600 i komory HE ze stali 45HNMFA wykazały, że wytrzymałości dla maksymalnych obciążeń nie są przekroczone. Dla stopu aluminium 6060 optymalny kąt naroża kwadratowego kanału ECAP wynosi 16º. Przedstawiono, określone metodą MES, niejednorodność odkształcenia plastycznego przy wyciskaniu hydrostatycznym kwadratowego profilu miedzi oraz obszary lokalizacji umocnienia podczas wyciskania złożonego profilu z tytanu. Opisano łatwość łączenia ze sobą obu technik SPD i jego wykorzystania w celu wzmacniania efektu rozdrabniania ziaren do rozmiarów nanometrycznych. Wykazano, ze rozdrabnianie mikrostruktury metodami deformacji pod wysokim ciśnieniem prowadzi do wzrostu wytrzymałości o ponad 70% (miedź i stop tytanu Ti grade 5) oraz granicy plastyczności powyżej 100% (stop niklu C65500 i aluminium 5483). Przedstawiono obszary możliwych zastosowań przetworzonych materiałów jak instrumentarium i implanty medyczne, elementy złączne, oprzyrządowanie spawalnicze czy rury i profile złożone.

EN

Severe plastic deformation working results in refinement of the microstructure of materials, improving their mechanical properties. To prevent loss of the material's cohesion during deformation, high compressive stresses must be maintained in the deformation zone. This article presents the beneficial use of high pressure to increase plasticity and prevent cracking, by applying the equal channel angular pressing(ECAP) and hydrostatic extrusion (HE) methods. Basic press designs, performances, and process parameters are described. The HE press, with a diameter of 22mm, up to 2 GPa and an ECAP station with a cross-section of 30mm and pressing force up to 2.3 GPa are characterized, with design optimization by means of analytical methods based on Lame's theory of elasticity and plasticity and the finite-element method (FEM). The materials of working chambers and basic process parameters are analyzed. Reduced node stresses of the ECAP chamber, made of S600 steel, and the HE chamber, made of 45HNMFA steel, show that the materials' strength is not overcome at their respective maximum loads. For the 6000 aluminum alloy, the optimal angle of the square corner of the ECAP channel is 16º. Non-uniformity of plastic deformation during hydrostatic extrusion of a square copper section and hardening areas during extrusion of titanium sections determined using FEM are presented. The ease of combining both of these SPD techniques and using them to amplify the grain refinement effect to nanometric dimensions are described. It is shown that refinement of the microstructure by highpressure deformation leads to improvement of strength by over 70% (copper and grade 5 Ti alloy) and yield point above 100% (C65500 nickel and 5483 aluminum alloys). Possible areas of application for worked materials are presented, such as surgical instruments and medical implants, fixing elements, welding tools, pipes and complex sections.

Słowa kluczowe

PL

odkształcenie plastyczne; SPD; ultradrobnoziarnistość; UFG; nanokrystaliczność; NC; przeciskanie; kanał równoosiowy kątowy; ECAP; wyciskanie hydrostatyczne; HE; metoda elementów skończonych; MES

EN

severe plastic deformation; SPD; ultrafine grain; UFG; nanocrystallinity; NC; equal channel angular pressing; ECAP; hydrostatic extrusion; HE; finite element method; FEM

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 26, nr 4
• Strony: 283--306
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pachla W.

• Instytut Wysokich Ciśnień, Polska Akademia Nauk, „UNIPRESS”, ul. Sokołowska 29, 01-142 Warszawa, Poland

autor

Skiba J.

• Instytut Wysokich Ciśnień, Polska Akademia Nauk, „UNIPRESS”, ul. Sokołowska 29, 01-142 Warszawa, Poland

autor

Kulczyk M.

• Instytut Wysokich Ciśnień, Polska Akademia Nauk, „UNIPRESS”, ul. Sokołowska 29, 01-142 Warszawa, Poland

autor

Przybysz M.

• Instytut Wysokich Ciśnień, Polska Akademia Nauk, „UNIPRESS”, ul. Sokołowska 29, 01-142 Warszawa, Poland

Bibliografia

• [1] Valiev, Ruslan, Z. 2004. „Nanostructuring of metals by severe plastic deformation for advanced properties”, Nature Materials, 3: 511-516.
• [2] Segal, Vladimir, M. 1974. Methods of stress–strain analysis in metalforming. Minsk: Sc.D. thesis.
• [3] Valiev Ruslan, Z. 1997. „Structure and mechanical properties of ultrafine-grained metals”. Mater Sci Engin A 234–236: 59–66.
• [4] Valiev Ruslan, Z, Langdon, Terence, G. 2006. „Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement”. Prog Mater Sci 51 (7): 881–981.
• [5] Langdon, Terence, G. 2013. „Twenty-five years of ultrafine-grained materials: Achieving exceptional properties through grain refinement”. Acta Materialia 61: 7035-7059
• [6] Bridgman, Phillip, W. 1943 „On torsion combined with compression”. J Appl Phys 14: 273–83.
• [7] Languillaume J., Chmelik F., Kapelski G., Bordeaux F., Nazarov A.A., Canova G., et al. 1993. „Microstructures and hardness of ultrafinegrained Ni3Al”. Acta Metal Mater 41: 2953–2962.
• [8] Zhilyaev, Alexander, P., Langdon Terence, G. 2008. „Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications”. Prog. Mater. Sci. 53 (6): 893–979.
• [9] Saito Y., Tsuji, Nobuhiro, Utsunomiya H., Sakai Tomokazu, Hong R.G., 1998. „Ultra-fine Grained Bulk Aluminum Produced by Accumulative Rollbonding (ARB) Process”. Scripta Materialia 39 (9): 1221–1227.
• [10] Valiev, Ruslan, Z., Korznikov A.V., Mulyukov R.R., 1993. „Structure and properties of ultrafine-grained materials produced by severe plastic deformation”. Mater. Sci. Eng. A 168:141–147.
• [11] Segal, Vladimir, M. 1995. „Materials processing by simple shear”. Mater. Sci. Eng. A 197 (2): 157–164.
• [12] Saito Y., Utsunomiya H., Tsuji, Nobuhiro, Sakai Tomokazu. 1999. „Novel Ultra-high Straining Process for Bulk Materials-development of the Accumulative Roll-bonding (ARB) Process” Acta Materialia 47 (2): 579–583.
• [13] Pugh, H.L.D., 1970. Mechanical Behaviour of Materials Under Pressure. Amsterdam: Elsevier Publ.Co Ltd.
• [14] Pachla Wacek, Styczyński L. 1978 „Thermally activated structural changes during hydrostatic extrusion of aluminium and copper” PhD diss., Warsaw Technical University, Departament of Mechanical Engineering.
• [15] Pachla, Wacek, Kulczyk, Mariusz, Świderska-Środa, Anna, Lewandowska, Małgorzata, Garbacz H., Mazur, Andrzej, Kurzydłowski K.J. 2006. „Nanostructuring of metals by hydrostatic extrusion”. In “Proc. of 9th Int. Conf, on Metal Forming EMRS 20”, edited by. Juster, N.,. Rosochowski, A., 535-538, Krakow: Publ. House Akapit.
• [16] Romelczyk, Barbara, Kulczyk, Mariusz, Pakiela, Zbigniew 2012 „Microstructure and mechanical properties of fine-grained iron processed by hydroextrusion”. Archives of Metallurgy and Materials 57(3): 883-887.
• [17] Brynk, Tomasz, Pakiela, Zbigniew, Kulczyk, Mariusz, Kurzydlowski, Krzysztof, J. 2013 „Fatigue crack growth rate in ultrafine-grained Al 5483 and 7475 alloys processed by hydro-extrusion” Mechanics of Materials 67: 46–52.
• [18] Lewandowska Małgorzata, Kurzydłowski Krzysztof, J., 2008 „Recent development in grain refinement by hydrostatic extrusion”. Journal of Materials Science 43: 7299-7306.
• [19] Lewandowska, Małgorzata, Krawczyńska, Agnieszka, T., Kulczyk, Mariusz, Kurzydłowski, Krzysztof, J., 2009 „Structure and properties of nano-sized Eurofer 97 steel obtained by hydrostatic extrusion”. Journal of Nuclear Materials C 386-388: 499-502.
• [20] Pachla, Wacek, Mazur, Andrzej, Skiba, Jacek, Kulczyk, Mariusz, Przybysz, Sylwia. 2012. „Development of high-strength pure magnesium and wrought magnesium alloys AZ31, AZ61, and AZ91 processed by hydro-static extrusion with back pressure” International Journal of Materials Research 103 (5): 580-589.
• [21] Kulczyk Mariusz, Pachla Wacek, Świderska-Środa A., Krasilnikov N., Diduszko R., Mazur, Andrzej, Łojkowski W., Kurzydłowski, Krzysztof, J. 2006. „Combination of ECAP and Hydrostatic Extrusion for UFG microstructure generation in nickel”. Solid State Phenomena 114: 51-56.
• [22] Ansys simulation software. 2015. www.ansys.com
• [23] Kulczyk, Mariusz, Skiba Jacek, Pachla Wacek, 2014. „Microstructure and mechanical properties of AA5483 treated by a combination of ECAP and hydrostatic extrusion”. Archives of Metallurgy and Materials 59(1): 163-166.
• [24] Timoshenko Stephen. 1930. Strength of Materials, Part II Princeton: Van Nostrand.
• [25] Valiev, Ruslan, Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V., 2000. „Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation”. Progress in Materials Science 45(2): 103-190.
• [26] Świątkowski, Kazimierz, 2005. „Badania porównawcze własności materiałow modelowych uzyskiwanych rożnymi metodami” Rudy i Metale Nieżelazne, 50(8): 448-451.
• [27] Azushima, A., Kopp, R., Korhonen, Antti, Yang, D., Y., Micari, F., Lahoti, G., D., Groche, P., Yanagimoto, J., Tsuji, N. Rosochowski, A., Yanagida, A. 2008. „Severe plastic deformation (SPD) processes for metals”. CIRP Annals - Manufacturing Technology 57: 716–735.
• [28] Pachla, Wacek, Kulczyk, Mariusz, Przybysz, Sylwia, Skiba, Jacek, Wojciechowski, K., Przybysz, Mariusz, Topolski, K., Sobolewski, A., Charkiewicz, M. 2015. „Effect of severe plastic deformation realized by hydrostatic extrusion and rotary swaging on the properties of CP Ti grade 2” Journal of Materials Processing Technology 221: 255-268.
• [29] Clavmed. 2015. http://www.clavmed.com
• [30] Osteoplant. 2015. http://www.osteoplant.com.pl/en/
• [31] Inter-Metal. 2015. http://www.inter-metal.com.pl
• [32] ChM Ltd. 2015. http://en.chm.eu/
• [33] Zakład Inżynierii Spajania. 2015. Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska.
• [34] Pachla Wacek, Skiba, Jacek, Kulczyk Mariusz, Przybysz Sylwia, Przybysz Mariusz, Wroblewska M., Diduszko R., Stępniak R., Bajorek J., Radomski M., Fąfara W. 2014. „Nanostructurization of 316L type austenitic stainless steels by hydrostatic extrusion” Materials Science & Engineering A 615: 116–127.