In this article, we present research results on the closing conditions of internal metallurgical discontinuities during the hot elongation operation of a Zr-1%Nb alloy ingot using physical and numerical modeling. Research on the influence of thermal and deformation parameters of elongation operations on the rheological behavior of a Zr-1% Nb alloy was conducted using the Gleeble 3800 metallurgical process simulator. Modeling of the influence of thermal–mechanical parameters of hot elongation operations in combinations of rhombic and flat anvils on the closure of metallurgical discontinuities was performed with the help of the FORGE®NxT 2.1 program. Based on the results of the research, recommendations were made regarding forging elongation technology and the geometry of working tools in order to ensure the closure of metallurgical discontinuities during hot elongation operations of Zr-1% Nb alloy ingots.
The method of radial shear rolling makes it possible to achieve comparable to high pressure torsion (HPT) method ultrahigh degrees of total strain level in combination with the vortex metal flow character for long-length large bulk bars unable by HPT and many other processes of sever plastic deformation (SPD). Sequential rolling of the Zr-1%Nb alloy was carried out under extreme conditions on two radial shear rolling mills with a total diameter reduction ε = 185% and a maximum total strain level = 46 mm/mm. The strain level and its cross-section distribution assessment by finite element method (FEM) simulation was studied. The final bar cross-section structure type distribution detailed study 1 mm resolution by electron back scatter diffraction (EBSD) mapping was performed. A gradient structure with a predominance of the equiaxed ultrafine-grained (UFG) state was found. The deformation level rising did not allow to refine it in the periphery zone more than that obtained nearly middle of the processing, but it allows for significant change in the axial zone structure. The additional large warm deformations by radial shear rolling have no additional grain refinement effect for already 300–600 nm refined zone. An equiaxed UFG structure was obtained in a relatively large volume of the sample with a reduced gradient towards the non-UFG center zone in regard to known works.
The rheological properties of the Zr-2.5Nb alloy by the strain rate range of 0.5–15 s−1 and by the temperature range of 20–770 °C was studied. The dilatometric method for phase states temperature ranges was experimentally determined. A material properties database for computer FEM simulation regards the indicated temperature-velocity ranges were created. Using this database and DEFORM-3D FEM-softpack, the radial shear rolling complex process numerical simulation was carried out. The contributed conditions for the ultrafine-grained state alloy structure refinement were determined. Based on the simulation results, a full-scale experiment of Zr-2.5Nb rod rolling a on a radial-shear rolling mill RSP-14/40 was carried out. It takes in seven passes from a diameter of 37–20 mm with a total diameter reduction ε = 85%. According to this case simulation data, the total equivalent strain in the most processed peripheral zone 27.5 mm/mm was reached. Due to the complex vortex metal flow, the equivalent strain over the section distribution was uneven with a gradient reducing towards the axial zone. This fact should have a deep effect on the structure change. Changes and structure gradient by sample section EBSD mapping with 2 mm resolution were studied. The microhardness section gradient by the HV 0.5 method was also studied. The axial and central zones of the sample by the TEM method were studied. The rod section structure has an expressed gradient from the formed equiaxed ultrafine-grained (UFG) structure on a few outer millimeters of the peripheral section to the elongated rolling texture in the center of the bar. The work shows the possibility of processing with the gradient structure obtaining and enhanced properties for the Zr-2.5Nb alloy, and a database for this alloy FEM numerical simulations are also presents.
This article presents the results of testing the conditions of closing foundry voids during the hot forging operation of an ingot made of zirconium with 1% Nb alloy and use of physical and numerical modeling, continuing research presented in a previous thematically related article published in the journal Materials. The study of the impact of forging operation parameters on the rheology of zirconium with 1% Nb alloy was carried out on a Gleeble 3800 device. Using the commercial FORGE®NxT 2.1 program, a numerical analysis was performed of the influence of thermo-mechanical parameters of the hot elongation operation in trapezoidal flat and rhombic trapezoidal anvils on the closure of foundry voids. The analysis of the obtained test results was used to formulate recommendations on the technology of hot forging and the anvilgeometry, ensuring closure of foundry voids. Based on their research, the authors conclude that the shape of the deformation basin and the value and hydrostatic pressure have the greatest influences on the closure of foundry voids.
13 March 2023 in Litiyo i Metallurgiya (FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY)
В работе была поставлена задача – исследовать процессы изменения микроструктуры, происходящие в сравнительно больших объемных прутках под действием больших пластических деформаций. Такие большие уровни деформации обычно достижимы в процессе кручения маленьких плоских дисков под высоким давлением, но сложно достижимы в больших объемных прутках. Способ радиально‑сдвиговой прокатки позволяет достичь сопоставимых сверхвысоких степеней деформации (~45 мм/мм) в комбинации с вихревым течением металла. Была проведена последовательная прокатка циркониевого сплава Э110 в экстремальных условиях на двух станах радиально‑сдвиговой прокатки с общим обжатием по диаметру 185 % и максимальной накопленной деформацией 46 мм/мм. Для оценки уровня деформации и распределения ее по сечению было проведено МКЭ‑моделирование в Deform‑3D. Полученная структура исследована методами электронной микроскопии (ПЭМ/СЭМ). Было выполнено детализированное исследование структуры на EBSDпо сечению с разрешением 1 мм. Обнаружена не сильно выраженная по сравнению с применением меньших деформаций градиентная структура с преобладанием равноосной ультрамелкозернистой структуры.
9 August 2023 in Litiyo i Metallurgiya (FOUNDRY PRODUCTION AND METALLURGY)
Проведено исследование реологических свойств сплава Э125 (Zr‑2,5 % Nb) в диапазоне скоростей деформации 0,515 с‑1 и температур 20–770 °C. В указанных температурно‑скоростных диапазонах была создана база данных для компьютерного МКЭ‑моделирования. В программном пакете DEFORM‑3Dс использованием полученной базы данных проведено численное моделирование сложного процесса радиально‑сдвиговой прокатки. Определены условия, способствующие измельчению структуры сплава в ультрамелкозернистое состояние. По результатам моделирования выполнен натурный эксперимент прокатки прутка из сплава Э125 на стане радиально‑сдвиговой прокатки РСП‑14/40 за семь проходов с диаметра 37 до 20 мм с общим обжатием по диаметру ε= 85 %. При этом, согласно моделированию, общая накопленная деформация в наиболее проработанной периферийной зоне составила 27,5 мм/мм. Ввиду сложного вихревого течения металла распределение накопленной деформации по сечению было неравномерным с градиентом к осевой зоне. Это должно влиять и на изменение структуры. Изменения и градиент структуры были изучены методом EBSDкартированиясеченияобразцас разрешением 2 мм. Также был исследован градиент микротвердости сечения методом HV.Осеваяи центральная зоны образца были изучены на ТЕМ. Структура имеет выраженный градиент от сформированной равноосной ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры на нескольких внешних миллиметрах периферийного сечения до вытянутой прокатной текстуры в центре прутка. Показана возможность обработки с формированием градиентной структуры с повышенными свойствами для сплава Э125, а также представлена база данных для МКЭ‑расчетов.