Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова, Москва, Россия

В. А. Андреев, ведущий научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: andreev.icmateks@gmail.com
Р. Д. Карелин, научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: rdkarelin@gmail.com
В. С. Комаров, научный сотрудник, канд. техн. наук, эл. почта: kom1107@yandex.ru

Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова, Москва, Россия¹ ; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС», Москва, Россия²
М. М. Скрипаленко, доцент кафедры обработки металлов давлением², старший научный сотрудник¹, канд. техн. наук, эл. почта: mms@misis.ru

Представлены результаты компьютерного моделирования процессов раскатки в трехвалковом стане заготовок из никелида титана эквиатомного и заэквиатомного по никелю составов. Компьютерное моделирование выполнено при помощи вычислительной среды конечно-элементного анализа QForm. Моделирование процессов раскатки проведено в интервале температур деформации 600–1000 ^оC с использованием заготовок начальным диаметром 40 мм, толщиной стенки 10 мм, длиной 250 мм и оправки диаметром 20 мм. Диаметр образуемого в пережиме валками калибра равен 30 мм. Раскатку моделировали при угле подачи валков 20 град. и угле раскатки 7 град. Скорость вращения валков задали равной 90 об/мин. Для оценки деформированного состояния построены траектории перемещения точек заготовки, находящихся в поперечном сечении деформированной заготовки на радиусе, и оценены длины полученных траекторий в результате моделирования различных режимов раскатки. Для оценки деформированного состояния заготовок и однородности распределения деформации проведено изучение распределения накопленной деформации в объеме заготовок. Напряженное состояние и пластичность заготовок при различных режимах оценили путем исследования изменения значений нормализованного среднего напряжения в выбранных точках в процессе их нахождения в очаге деформации. Установлено, что раскатка при температуре 1000 ^оC по сравнению с раскаткой при температуре 600 ^оC снижает разброс значений накопленной деформации в заготовке. Более однородное распределение деформации по сечению заготовки при раскате при температуре 1000 ^оC для двух исследуемых сплавов определяется меньшей разностью длин наибольшей и наименьшей траекторией точек, которые располагаются на радиусе заготовки по толщине стенки. При раскатке при температуре 1000 ^оC происходит снижение значений нормализованного среднего напряжения до 10 % для эквиатомного и до 5 % заэквиатомного сплавов. Для реализации более благоприятного напряженно-деформированного состояния и получения более регулярной микроструктуры заготовки в условиях проведенных исследований целесообразно проведение раскатки указанных сплавов при температуре 1000 ^оC.

Исследование выполнено в рамках проекта Российского научного фонда № 23-19-00729, https://rscf.ru/project/23-19-00729/

1. Shape Memory Alloys: Fundamentals, Modeling and Applications. Ed. by: V. Brailovski, S. Prokoshkin, P. Terriault, F. Trochu. Montreal: (ETS Publ.), Universite du Quebec, Canada, 2003. 844 p.
2. Jani J. M., Leary M., Subic A., Gibson M. A. A review of shape memory alloy research, applications and opportunities. Mater. Des. 2014. Vol. 56. pp. 1078–1113.
3. Resnina N., Rubanik V. et al. Shape memory alloys: Properties, technologies, opportunities. Praffikon : Trans. Tech. Publications, 2015. 640 p.
4. Sun Q., Matsui R., Takeda K., Pieczyska E. A. Advances in shape memory materials: In commemoration of the retirement of professor Hisaaki Tobushi. New York : Springer, 2017. Vol. 73. 241 p.
5. Machado G., Louche H., Alonso T., Favier D. Superelastic cellular NiTi tube-based materials: Fabrication, experiments and modeling. Materials & Design. 2015. Vol. 65. pp. 212–220.
6. Frotscher M., Schreiber F., Neelakantan L., Gries T. et al. Processing and characterization of braided NiTi microstents for medical applications. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. 2011. Vol. 42, Iss. 11. pp. 1002–1012.
7. Weinert K., Petzoldt V. Machining of NiTi based shape memory alloys. Materials Science and Engineering: A. 2004. Vol. 378, Iss. 1-2. pp. 180–184.
8. Yoshida K., Watanabe M., Ishikawa H. Drawing of Ni – Ti shape-memoryalloy fine tubes used in medical tests. Journal of Materials Processing Technology. 2001. Vol. 118, Iss. 1-3. pp. 251–255.
9. Jiang S. Y., Zhao Y. N., Zhang Y. Q., Ming T. A. N. G. et al. Equal channel angular extrusion of NiTi shape memory alloy tube. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2013. Vol. 23, Iss. 7. pp. 2021–2028.
10. Chen W., Wang H., Zhang L., Tang X. Development of hot drawing process for nitinol tube. International Journal of Modern Physics B. 2009. Vol. 23, Iss. 6. pp. 1968–1974.
11. Gorgul S. I., Medvedev M. I., Bespalova N. A., Sobko-Nesteruk O. E. et al. Manufacturing technology for titanium tubes from billets prepared by electron-beam remelting. Metallurgist. 2013. Vol. 57, Iss. 7. pp. 748–751.
12. Kaya E., Kaya I. A review on machining of NiTi shape memory alloys: The process and post process perspective. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2019. Vol. 100, Iss. 5. pp .2045–2087.
13. Safaei K., Nematollahi M., Bayati P., Dabbaghi H. et al. Torsional behavior and microstructure characterization of additively manufactured NiTi shape memory alloy tubes. Engineering Structures. 2021. Vol. 226. 111383.
14. Tsaturyants M., Sheremetyev V., Dubinskiy S. et al. Structure and properties of Ti – 50.2Ni alloy processed by laser powder bed fusion and subjected to a combination of thermal cycling and heat treatments. Shap. Mem. Superelasticity. 2022. Vol. 8. pp. 16–32. DOI: 10.1007/s40830-022-00363-4
15. Bechle N. J., Kyriakides S. Evolution of localization in pseudoelastic NiTi tubes under biaxial stress states. International Journal of Plasticity. 2016. Vol. 82. 31 p.
16. Niccoli F., Giovinco V., Garion C., Maletta C. et al. NiTi shape memory alloy pipe couplers for ultra-high vacuum systems: development and implementation. Smart Materials and Structures. 2022. Vol. 31, Iss. 6. 065014.
17. Porenta L., Kabirifar P., Žerovnik A., Cebron M. et al. Thin-walled Ni – Ti tubes under compression: ideal candidates for efficient and fatigue-resistant elastocaloric cooling. Applied Materials Today. 2020. Vol. 20. 100712.
18. Jiang D., Bechle N. J., Landis C. M., Kyriakides S. Buckling and recovery of NiTi tubes under axial compression. International Journal of Solids and Structures. 2016. Vol. 80. pp. 52–63.
19. Jiang D., Kyriakides S., Bechle N. J., Landis C. M. Bending of pseudoelastic NiTi tubes. International Journal of Solids and Structures. 2017. Vol. 124. pp. 192–214.
20. Liang D., Wang Q., Chu K., Chen J. et al. Ultrahigh cycle fatigue of nanocrystalline NiTi tubes for elastocaloric cooling. Applied Materials Today. 2022. Vol. 26. 101377.
21. Valiev R. Z., Aleksandrov I. V. Bulk nanostructured metal materials: preparation, structure and properties. Moscow: Akademkniga, 2007. 398 p.
22. Sabirov I., Enikeev N. A., Murashkin M. Y., Valiev R. Z. Bulk nanostructured materials with multifunctional properties. Berlin : Springer International Publishing, 2015. 118 p.
23. Khmelevskaya I., Komarov V., Kawalla R., Prokoshkin S. et al. Effect of biaxial isothermal quasi-continuous deformation on structure and shape memory properties of Ti – Ni alloys. J. Mater. Eng. Perform. 2017. Vol. 26, Iss. 8. pp. 4011–4019.
24. Prokoshkin S., Khmelevskaya I., Andreev V., Karelin R. et al. Manufacturing of long-length rods of ultrafine-grained Ti-Ni shape memory alloys. Mater. Sci. Forum. 2018. Vol. 918. pp. 71–76.
25. Gunderov D., Churakova A., Lukyanov A., Prokofiev E. et al. Features of the mechanical behavior of ultrafine-grained and nanostructured TiNi alloys. Mater. Today: Proc. 2017. Vol. 4, Iss. 3. pp. 4825–4829.
26. Khmelevskaya I. Y., Trubitsyna I. B., Prokoshkin S. D., Dobatkin S. V. et al. Thermomechanical treatment of Ti-Ni-based shape memory alloys using severe plastic deformation. Materials Science Forum. 2003. Vol. 426. pp. 2765–2770.
27. Facchinello Y., Brailovski V., Prokoshkin S. D., Georges T. et al. Manufacturing of alloys by means of cold/warm rolling and annealing thermal treatment. Journal of Materials Processing Technology. 2012. Vol. 212, Iss. 11. pp. 2294–2304.
28. Demers V., Brailovski V., Prokoshkin S. D., Inaekyan K. E. Optimization of the cold rolling processing for continuous manufacturing of nanostructured Ti – Ni shape memory alloys. Journal of Materials Processing Technology. 2009. Vol. 209. pp. 3096–3105.
29. Prokoshkin S. D., Brailovski V., Inaekyan K. E., Demers V. et al. Structure and properties of severely cold-rolled and annealed Ti – Ni shape memory alloys. Materials Science and Engineering: A. 2008. Vol. 481. pp. 114–118.
30. Brailovski V., Prokoshkin S., Inaekyan K., Demers V. Functional properties of nanocrystalline, submicrocrystalline and polygonized Ti – Ni alloys processed by cold rolling and post-deformation annealing. Journal of Alloys and Compounds. 2011. Vol. 509, Iss. 5. pp. 2066–2075.
31. Prokoshkin S., Dubinskiy S., Korotitskiy A., Konopatsky A. et al. Nanostructure features and stress-induced transformation mechanisms in extremely fine-grained titanium nickelide. Journal of Alloys and Compounds. 2019. Vol. 779. pp. 667–685.
32. Xuan T. D., Sheremetyev V. A., Komarov V. S. et al. Comparative study of superelastic Ti – Zr – Nb and commercial VT6 alloy billets by QForm simulation. Russ. J. Non-ferrous Metals. 2021. Vol. 62. pp. 39–47. DOI: 10.3103/S1067821221010168
33. Komarov V., Khmelevskaya I., Karelin R., Postnikov I. et al. Deformation behavior, structure and properties of an equiatomic Ti – Ni shape memory alloy compressed in a wide temperature range. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2021. Vol. 74. pp. 2419–2426.
34. Komarov V., Khmelevskaya I., Karelin R., Kawalla R. et al. Deformation behavior, structure, and properties of an aging Ti-Ni shape memory alloy after compression deformation in a wide temperature range. JOM. 2021. Vol. 73. pp. 620–629.
35. Vlasov A. V., Stebunov S. A., Evsyukov S. A., Biba N. V. et al. Finite element modeling of technological processes of forging and die stamping. Moscow: Izdatelstvo MGTU imeni N. E. Baumana, 2019. 383 p.
36. Skripalenko M. M., Galkin S. P., Karpov B. V., Romantsev B. A. et al. Forming features and properties of titanium alloy billets after radial-shear rolling. Materials. 2019. Vol. 12. 3179.
37. Skripalenko M. M., Karpov B. V., Rogachev S. O., Kaputkina L. M. et al. Simulation of the kinematic condition of radial shear rolling and estimation of its influence on a titanium billet microstructure. Materials. 2022. Vol. 15. 7980.
38. Bai Y., Teng X., Wierzbicki T. On the application of stress triaxiality formula for plane strain fracture testing. Journal of Engineering Materials and Technology. 2009. Vol. 131, Iss. 2. 021002.
39. Bai Y., Wierzbicki T. A new model of metal plasticity and fracture with pressure and lode dependence. International Journal of Plasticity. 2008. Vol. 24, Iss. 6. pp. 1071–1096.
40. Bogatov A. A., Mizhiritsky O. I., Smirnov S. V. Plasticity resource of metals during forming. Moscow: Metallurgiya, 1984. 144 p.
41. Skripalenko M. M., Romantsev B. A., Galkin S. P., Kaputkina L. M. et al. Forming features at screw rolling of austenitic stainless-steel billets. Journal of Materials Engineering and Performance. 2020. Vol. 29. pp. 3889–3894.
42. Skripalenko M. M., Galkin S. P., Sung H. J., Romantsev B. A. et al. Prediction of potential fracturing during radial-shear rolling of continuously cast copper billets by means of computer simulation. Metallurgist. 2019. Vol. 62. pp. 849–856.
43. Skripalenko M. M., Romantsev B. A., Galkin S. P., Skripalenko M. N. Prediction of the fracture of metal in the process of screw rolling in a two-roll mill. Metallurgist. 2018. Vol. 61. pp. 925–933.
44. Skripalenko M. M., Romantsev B. A., Galkin S. P., Skripalenko M. N. et al. Comparative analysis of damage criteria for screw rolling using Computer Simulation. CIS Iron and Steel Review. 2020. Vol. 20. pp. 29–32.
45. Pater Z., Tomczak J., Bulzak T., Wójcik L. et al. Prediction of ductile fracture in skew rolling processes. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2021. Vol. 163. 103706.