powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2016-2-22-29powder-202Research ArticleТеория и процессы формования и спекания порошковых материаловTheory and Processes of Formation and Sintering of Powder MaterialsИдентификация модифицированного условия текучести Друкера–Прагера и моделирование процесса уплотнения пластифицированного титансодержащего сырьяIdentification of modified Drucker-Prager yield condition and modeling of plasticized titanium raw material compactionБерезинИ. М.BerezinI. M.

канд. техн. наук, науч. сотрудник лаборатории системного моделирования ИМАШ УрО РАН, 620049, г. Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34,

ст. науч. сотрудник УрФУ, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

PhD Eng. Sci., Researcher at the Laboratory of system simulation, 620049, Ekaterinburg, Komsomolskaya str., 34;

Senior Researcher, 620002, Ekaterinburg, Mira str., 19

berezin.e-mail@yandex.ruНестеренкоА. В.NesterenkoA. V.

канд. техн. наук, науч. сотрудник лаборатории микромеханики материалов ИМАШ УрО РАН

PhD Eng. Sci., Researcher at the Laboratory of material micromechanics

nav@imach.uran.ruЗалазинскийА. Г.ZalazinskiiA. G.

докт. техн. наук, проф., зав. лабораторией системного моделирования ИМАШ УрО РАН

Dr. Sci. (Eng.), Prof., Head at the Laboratory of system simulation

Институт машиноведения (ИМАШ) УрО РАНРоссияIES RAS (Ural Branch); Ural Federal UniversityRussian FederationИнститут машиноведения (ИМАШ) УрО РАНРоссияIES RAS (Ural Branch)Russian Federation201619062016022229Copyright © Березин И.М., Нестеренко А.В., Залазинский А.Г., 20162016Березин И.М., Нестеренко А.В., Залазинский А.Г.Berezin I.M., Nesterenko A.V., Zalazinskii A.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/202

Рассматривается методика компьютерного моделирования процесса уплотнения некомпактного материала из титанового сырья. Для описания реологического течения деформируемой массы использована модифицированная модель текучести Друкера–Прагера. Показано, что при идентификации принятой модели с точностью, приемлемой для инженерных расчетов, целесообразно использовать вспомогательную кривую на основе лемнискаты Бернулли, что позволяет снизить количество экспериментов, необходимых для построения кусочно-гладкой кривой текучести Друкера–Прагера. Исследован процесс пластической деформации ячейки представительного объема отсева титановой губки в различных напряженно-деформированных состояниях. Для улучшения формуемости некомпактного титансодержащего сырья использован эффект пластифицирования, связанный с увеличением количества пластичной β-фазы при легировании водородом. На основе теоретических и экспериментальных исследований выявлено, что легирование водородом позволяет получить более плотную заготовку при неизменных температуре и усилии прессования по сравнению с традиционной технологией уплотнения титановой губки. Установлено, что равномерность распределения относительной плотности по осевому сечению заготовки увеличивается при дополнительном легировании водородом. Показана удовлетворительная сходимость результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования процесса компактирования титановой губки в закрытой пресс-форме.

A computer simulation technique for the process of non-compact titanium raw material compaction is considered. The modified Drucker–Prager plasticity model is used to describe the rheological flow of strained material. It is shown that it is advisable to use an auxiliary curve based on the Bernoulli lemniscate for the identification of the accepted yield model with accuracy acceptable for engineering calculations. It allows reducing the number of experiments required to build piecewise smooth Drucker–Prager yield curve. Plastic deformation of representative volume element of titanium sponge screening in various stress-strain states was studied. The plasticizing effect related to the increase of plastic β-phase while hydrogen alloying was used to improve the formability of non-compact titanium raw materials. Based on theoretical and experimental studies, it was found that the hydrogen alloying provides a denser workpiece at constant temperature and compression force compared to the traditional compression technology of titanium sponge. It is shown that the uniformity of the relative density distribution in the axial section of the workpiece increases with the additional hydrogen alloying.

титановая губкатермоводородное легированиепластифицирование титанамоделированиепористый материалметод конечных элементовмодифицированная модель текучести Друкера–Прагераtitanium spongethermohydrogen alloyingtitanium plasticizingmodelingporous materialfinite-element methodmodified Drucker–Prager Cap plasticity modelReferencesИвасишин О.М., Саввакин Д.Г., Бондарева К.А., Моксон В.С., Дузь В.А. Производство титановых сплавов и деталей экономичным методом порошковой металлургии для широкомасштабного промышленного применения // Наука та iнновацii. 2005. Т. 1. No. 2. С. 44—57.Ivasishin O.M., Savvakin D.G., Bondareva K.A., Mokson V.S., Duz’ V.A. Proizvodstvo titanovykh splavov i detalei ekonomichnym metodom poroshkovoi metallurgii dlya shirokomasshtabnogo promyshlennogo primeneniya [Manufacture of titanium alloy and parts economical method of powder metallurgy for large-scale industrial applications]. Nauka ta innovacii. 2005. Vol. 1. No. 2. P. 44—57.Шевченко В.В., Низкин И.Д., Мальков А.В., Лукьянова Е.В. Особенности компактирования гранул титанового сплава ВТ5-1кт, легированных водородом // Изв. вузов. Цвет. металлургия. 2008. No. 3. С. 39—45.Shevchenko V.V., Nizkin I.D., Mal’kov A.V., Luk’yanova E.V. Osobenno-sti kompaktirovaniya granul titanovogo splava VT5-1kt, legirovannykh vodorodom [Features of compacting the granules VT5-1kt titanium alloy doped with hydrogen]. Izv. vuzov. Tsvet. metallurgiya. 2008. No. 3. P. 39—45.Скворцова С.В., Ильин А.А., Сенкевич К.С. Формирование структуры гранул из сплава ВТ6 при термоводородной обработке // Титан. 2010. No. 4. С. 18—22.Skvortsova S.V., Il’in A.A., Senkevich K.S. Formirovanie struktury granul iz splava VT6 pri termovodorodnoi obrabotke [Formation of the structure of the granules of the alloy VT6 with the thermo-hydrogen treatment]. Titan. 2010. No. 4. P. 18—22.Lapovok R., Tomus D., Skripnyuk V.M., Barnett M.R., Gibson M.A. The effect of hydrogenation on the ECAP compaction of Ti—6Al—4V powder and the mechanical properties of compacts // Mater. Sci. Eng. A. 2009. Vol. 513—514. P. 97—108.Lapovok R., Tomus D., Skripnyuk V.M., Barnett M.R., Gibson M.A. The effect of hydrogenation on the ECAP compaction of Ti—6Al—4V powder and the mechanical properties of compacts. Mater. Sci. Eng. A. 2009. Vol. 513—514. P. 97—108.Lapovok R., Tomus D., Barnett M.R., Gibson M.A. Use of residual hydrogen to produce CP-Ti powder compacts for low temperature rolling // Int. J. Mater. Res. 2009. Vol. 100. No. 12. P. 1727—1738.Lapovok R., Tomus D., Barnett M.R., Gibson M.A. Use of residual hydrogen to produce CP-Ti powder compacts for low temperature rolling. Int. J. Mater. Res. 2009. Vol. 100. No. 12. P. 1727—1738.Мюллер В., Блэкледж Д., Либовиц Дж. Гидриды металлов. М.: Атомиздат, 1973.Mueller W.M., Blackledge J.P., Libowitz G.G. Gidridy metallov [Metal hydrides]. Moscow: Atomizdat, 1973.Nesterenko A.V., Novozhonov V.I., Zalazinskii A.G., Skripov A.V. Influence of temperature on compactibility of briquettes of titanium sponge alloyed with hydrogen // Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 3. P. 287—292.Nesterenko A.V., Novozhonov V.I., Zalazinskii A.G., Skripov A.V. Influence of temperature on compactibility of briquettes of titanium sponge alloyed with hydrogen. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2015. Vol. 56. No. 3. P. 287—292.ABAQUS 6.10 Theory Manual 2010, Dassault Systemes Simulia Corp., Providence, RI, USA.ABAQUS 6.8 Theory Manual 2007, Dassault Systemes Simulia Corp., Providence, RI, USA.Chtourou H., Guillot M., Gakwaya A. Modeling of the metal powder compaction process using the cap model. Part I. Experimental material characterization and validation // Int. J. Solids Struct. 2002. Vol. 39. No. 4. P. 1059—1075.Chtourou H., Guillot M., Gakwaya A. Modeling of the metal powder compaction process using the cap model. Pt. I. Experimental material characterization and validation. Int. J. Solids Struct. 2002. Vol. 39. No. 4. P. 1059—1075.Zhang B.S., Jain M., Zhao C.H., Bruhis M., Lawcock R., Ly K. Experimental calibration of density-dependent modified Drucker-Prager Cap model using an instrumented cubic die for powder compact // Powder Technol. 2010. Vol. 204. No. 1. P. 27—41.Zhang B.S., Jain M., Zhao C.H., Bruhis M., Lawcock R., Ly K. Experimental calibration of density-dependent modified Drucker-Prager Cap model using an instrumented cubic die for powder compact. Powder Technol. 2010. Vol. 204. No. 1. P. 27—41.Shang C., Sinka I.C., Pan J. Constitutive Model Calibration for Powder Compaction Using Instrumented Die Testing // Exper. Mech. 2012. Vol. 52. No. 7. P. 903—916.Shang C., Sinka I.C., Pan J. Constitutive Model Calibration for Powder Compaction Using Instrumented Die Testing. Exper. Mechan. 2012. Vol. 52. No. 7. P. 903—916.Garner S., Strong J., Zavaliangos A. The extrapolation of the Drucker-Prager/Cap material parameters to low and high relative densities // Powder Technol. 2015. Vol. 283. P. 210—226.Garner S., Strong J., Zavaliangos A. The extrapolation of the Drucker-Prager/Cap material parameters to low and high relative densities. Powder Technol. 2015. Vol. 283. P. 210—226.Hernandez J.A., Oliver J., Cante J.C., Weyler R. Numerical modeling of crack formation in powder forming processes // Int. J. Solids Struct. 2011. Vol. 48. No. 2. P. 292—316.Hernandez J.A., Oliver J., Cante J.C., Weyler R. Numerical modeling of crack formation in powder forming processes. Int. J. Solids Struct. 2011. Vol. 48. No. 2. P. 292—316.Jonsen P., Haggblat H.A., Sommer K. Tensile strength and fracture energy of pressed metal powder by diametral compression test // Powder Technol. 2007. Vol. 176. No. 2-3. P. 148—155.Jonsen P., Haggblat H.A., Sommer K. Tensile strength and fracture energy of pressed metal powder by diametral compression test. Powder Technol. 2007. Vol. 176. No. 2-3. P. 148—155.Procopio A.P., Zavaliangos A., Cunningham J.C. Analysis of the diametrical compression test and the applicability to plastically deforming materials // J. Mater. Sci. 2003. Vol. 38. No. 17. P. 3629—3639.Procopio A.P., Zavaliangos A., Cunningham J.C. Analysis of the diametrical compression test and the applicability to plastically deforming materials. J. Mater. Sci. 2003. Vol. 38. No. 17. P. 3629—3639.Han L.H., Elliot J.A., Bentham A.C., Mills A., Amidon G.E., Hancock B.C. A modified Drucker-Prager Cap model for die compaction simulation of pharmaceutical powders // Int. J. Solids Struct. 2008. Vol. 45. No.10. P. 3088—3106.Han L.H., Elliot J.A., Bentham A.C., Mills A., Amidon G.E., Hancock B.C. A modified Drucker-Prager Cap model for die compaction simulation of pharmaceutical powders. Int. J. Solids Struct. 2008. Vol. 45. No.10. P. 3088—3106.Рыбин Ю.И., Рудской А.И., Золотов А.М. Математическое моделирование и проектирование технологических процессов обработки металлов давлением. СПб.: Наука, 2004.Rybin Yu.I., Rudskoi A.I., Zolotov A.M. Matematicheskoe modelirovanie i proektirovanie tekhnologicheskikh protsessov obrabotki metallov davleniem [Mathematical simulation and design of metal forming processes]. S.Pb.: Nauka, 2004.Залазинский А.Г. Пластическое деформирование структурно-неоднородных материалов. Екатеринбург: УрО РАН, 2000.Zalazinskii A.G. Plasticheskoe deformirovanie strukturno-neodnorodnykh materialov [Plastic deformation of structural inhomogeneous materials]. Ekaterinburg: UrO RAN, 2000.Полухин П.И., Гун Г.Я., Галкин А.М. Сопротивление пластической деформации металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1983.Polukhin P.I., Gun G.Ya., Galkin A.M. Soprotivlenie plasticheskoi deformatsii metallov i splavov [Resistance of plastic deformation of metals and alloys]. Moscow: Metallurgiya, 1983.Аксенов Ю.А., Башкин И.О., Колмогоров В.Л., Понятовский Е.Г., Талуц Г.Г., Катая В.К., Левин И.В., Потапенко Ю.И., Трубин А.Н. Влияние водорода на пластичность и сопротивление деформации технического титана ВТ1-0 при температурах до 750 °C // ФММ. 1989. Т. 67. No. 5. С. 993—999.Aksenov Yu.A., Bashkin I.O., Kolmogorov V.L., Ponyatovskii E.G., Taluts G.G., Kataya V.K., Levin I.V., Potapenko Yu.I., Trubin A.N. Vliyanie vodoroda na plastichnost’ i soprotivlenie deformatsii tekhnicheskogo titana VT1-0 pri temperaturakh do 750 °C [Influence of hydrogen on plasticity and resistance of deformation of the technical titan of WT1-0 at temperatures to 750 °C]. Fizika metallov i metallovedenie. 1989. Vol. 67. No. 5. P. 993—999.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.