Випуски $\rightarrow$ Том 26, випуск 3 (2025)

Закономірності механізмів деформації та деформаційного зміцнення титанових стопів і металоматричних композитів на основі аналізи експериментальних результатів квазистатичних і динамічних стискань

ДЕХТЯР О.І.$^{1}$, ЯНІШЕВСЬКИЙ Я.$^{2}$, МАРКОВСЬКИЙ П.Є.$^{1}$

$^1$Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^2$Військовий технічний університет ім. Ярослава Данбровського, вул. ген. Сильвестра Каліського, 2, 00-908, Варшава, Польща

Отримано / остаточна версія: 11.03.2025 / 04.08.2025 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Проаналізовано деформаційну поведінку стопів на основі титану та їхніх композитів за квазистатичного та високошвидкісного стискань за методикою, розробленою В.Ф. Моїсеєвим та його колеґами для аналізи кривих деформації, одержаних на розтяг. Використаний у цьому огляді підхід застосовано для обробки та подальшої аналізи численних кривих випробувань стисненням, одержаних у квазистатичних експериментах та експериментах із високою швидкістю деформування стопів на основі титану та його композитів із різними складами та початковими мікроструктурами. Переконливо показано, що метод за Моїсеєвим також може бути успішно застосований для аналізи поведінки стопів під час стискання. Порівняння одержаних даних зі структурними дослідженнями дало змогу в більшості випадків виявити механізми деформування та зміцнення титанових стопів у широкому діяпазоні швидкостей стискання. Встановлено, що в залежності від типу та морфології вихідної структури деформація та зміцнення під час стиснення можуть контролюватися α- чи то β-фазою або обома ними одночасно. Розглянуто вплив рівня леґування β-стабілізаторами та введення в титанову матрицю зміцнювальних дисперсних високомодульних частинок. Виявлено, що механізм зміцнення часто відрізняється під час квазистатичного та динамічного стискань. Крім того, за високої швидкости деформування стисненням він може бути різним для першого та наступних етапів деформування, яке має коливний характер. Запропоновано фізичне пояснення ефектів, виявлених під час квазистатичного та динамічного стиснень розглянутих титанових матеріялів.

Ключові слова: титан, титанові стопи, композити з титановою матрицею, випробування стисканням, квазистатичне та динамічне деформування, механізм деформації.

DOI: https://doi.org/10.15407/ufm.26.03.***

Citation: O.I. Dekhtyar, J. Janiszewski, and P.E. Markovsky, Patterns of the Mechanisms of Deformation and Strain Hardening of Titanium Alloys and Metal Matrix Composites Based on the Analysis of Experimental Results on Quasi-Static and Dynamic Compressions, Progress in Physics of Metals, 26, No. 3: ***–*** (2025)

Цитована література   
  1. N.F. Mott, The mechanical properties of metals, Proc. Phys. Soc. B, 64, No. 9: 729–742 (1951); https://doi.org/10.1088/0370-1301/64/9/301
  2. A.S. Argon, Mechanical properties of single-phase crystalline media: deformation at low temperatures, Physical Metallurgy (Eds. R.W. Cahn and P. Haasen) (Elsevier: 1996), Ch. 21, p. 1877–1955; https://doi.org/10.1016/b978-044489875-3/50026-0
  3. P. Haasen, Mechanical properties of solid solutions, Physical Metallurgy (Eds. R.W. Cahn and P. Haasen) (Elsevier: 1996), Ch. 23, p. 2009–2073; https://doi.org/10.1016/b978-044489875-3/50028-4
  4. J.-L. Strudel, Mechanical properties of multiphase alloys, Physical Metallurgy (Eds. R.W. Cahn and P. Haasen) (Elsevier: 1996), Ch. 25, p. 2105–2206; https://doi.org/10.1016/b978-044489875-3/50030-2
  5. R.E. Smallman and A.H.W. Ngan, Plastic deformation and dislocation behaviour, Modern Physical Metallurgy, Ch. 9, p. 357–414 (2014); https://doi.org/10.1016/b978-0-08-098204-5.00009-2
  6. X.Li, L. Lu, J. Li, X. Zhang, and H. Gao, Mechanical properties and deformation mechanisms of gradient nanostructured metals and alloys, Nat. Rev. Mater., 5, 706–723 (2020); https://doi.org/10.1038/s41578-020-0212-2
  7. V.I. Trefilov, V.F. Moiseev, and E.P. Pechkovsky, Deformation hardening and fracture of polycrystalline materials (Kiev: Naukova Dumka: 1989) (in Russian).
  8. V.F. Moiseev, Effective exponent of deformation strengthening the metals, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 23, 387–399 (2001) (in Russian).
  9. Yu.N. Podrezov and S.A. Firstov, Two approaches to the analysis of strain hardening curves, High Pressure Physics and Engineering, 16: 37–48 (2006) (in Russian); https://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/70256
  10. U.F. Kocks and H. Meсking, Physics and phenomenology of strain hardening: the FCC case, Prog. Mater. Sci., 48, No. 3: 171–273 (2003); https://doi.org/10.1016/S0079-6425(02)00003-8
  11. U. Zwikker, Titan und Titanlegirungen (Berlin–Heidelberg: Springer: 1974); https://doi.org/10.1007/978-3-642-80587-5
  12. G. Lutjering and J.C. Williams, Titanium (Berlin–Heidelberg: Springer: 2007); https://doi.org/10.1007/978-3-540-73036-1
  13. A.V. Kotko, V.F. Moiseev, E.P. Pechkovskij, I.V. Moiseeva, and V.K. Pishchak, Special features of the plastic deformation of multiphase titanium alloys, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 23: 1013–1027 (2001) (in Russian).
  14. V.F. Moiseev, I.V. Moiseeva, and V.K. Pishchak, Influence of a β-phase on low- and high-temperature strength of a titanium alloy VT6, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 25, No. 2: 193–203 (2003) (in Russian).
  15. A.I. Dekhtyar, M.V. Matviychuk, I.V. Moiseeva, and D.G. Savvakin, Strain hardening and fracture of VT-6 alloy synthesized by the method of powder metallurgy, Mater. Sci., 44: 429–434 (2008); https://doi.org/10.1007/s11003-008-9097-8
  16. A.V. Kotko, Deformation hardening of titanium alloys, Modern Problems of Physical Materials Science: Collective Scientific Works (Kyiv: Institute for Problems of Materials Science of the N.A.S. of Ukraine: 2013), vol. 22, p. 94–102 (in Russian).
  17. A.I. Dekhtyar, I.V. Moiseyeva, and D.G. Savvakin, Tensile deformation and fracture of α+β-titanium alloys synthesized by powder metallurgy, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 35, No. 7: 889–908 (2013) (in Russian).
  18. A.I. Dekhtyar, V.I. Bondarchuk, V.V. Nevdacha, and A.V. Kotko, The effect of microstructure on porosity healing mechanism of powder near-β titanium alloys under hot isostatic pressing in α+β-region: Ti–10V–2Fe–3Al, Mater. Charact., 165: 110393 (2020); https://doi.org/10.1016/j.matchar.2020.110393
  19. C.M. Sellars and W.J. McTegart, On the mechanism of hot deformation, Acta Metall., 14, No. 9: 1136–1139 (1966); https://doi.org/10.1016/0001-6160(66)90207-0
  20. H.J. McQueen and W.J. McGregor, The deformation of metals at high temperatures, Scientific American, 232, No. 4: 116–125 (1975); https://www.jstor.org/stable/24949778
  21. S.L. Semiatin, V. Seetharaman, and I. Weiss, The thermomechanical processing of alpha/beta titanium alloys, JOM, 49: 33–39 (1997); https://doi.org/10.1007/BF02914711
  22. I. Weiss and S.L. Semiatin, Thermomechanical processing of beta titanium alloys — an overview, Mater. Sci. Eng. A, 243, Nos. 1–2: 46–65 (1998); https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00783-1
  23. V. Tuninettia, G. Gillesa, V. Péron-Lührsa, and A.M. Habrakena, Compression test for metal characterization using digital image correlation and inverse modeling, Procedia IUTAM, 4: 206–214 (2012); https://doi.org/10.1016/j.piutam.2012.05.022
  24. Y.D. Wang, A. Vadon, and J.J. Heizmann, Room temperature compression textures and deformation mechanisms of Ti–46Al–2V alloy, Mater. Sci. Eng. A, 222, No. 1: 70–75 (1997); https://doi.org/10.1016/S0921-5093(96)10380-4
  25. P.R. Sreenivasan and S.K. Ray, Mechanical testing at high strain rates, Encyclopedia of Materials: Science and Technology (New York, USA: Elsevier: 2001, p. 5269–5271; https://doi.org/10.1016/B0-08-043152-6/00919-0
  26. J.S. Pigott, N. Velisavljevic, E.K Moss, D. Popov, C. Park, J.A. Van Orman, N. Draganic, Y.K. Vohra, and B.T. Sturtevant, J. Phys.: Condens. Matter, 32, No. 12: 12LT02 (2020); https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab5e6e
  27. B. Morrow, R. Lebensohn, C. Trujillo, D.T. Martinez, F. Addessio, C.A. Bronkhorst, T. Lookman, and E. Cerreta, E. Characterization and modeling of mechanical behavior of single crystal titanium deformed by split-Hopkinson pressure bar. Int. J. Plast., 82: 225–240 (2016); https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2016.03.006
  28. W. Yin, F. Xu, O. Ertorer, Z. Pan, X. Zhang, L. Kecskes, E.J. Lavernia, and Q. Wei, Mechanical behavior of microstructure engineered multi-length-scale titanium over a wide range of strain rates, Acta Mater., 61, No. 10: 3781–3798 (2013); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.03.011
  29. T. Zhou, J. Wu, J. Che, Y. Wang, and X. Wang, Dynamic shear characteristics of titanium alloy Ti–6Al–4V at large strain rates by the split Hopkinson pressure bar test. Int. J. Impact Eng., 109: 167–177 (2017); https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2017.06.007
  30. Y. Guo, Q. Ruan, S. Zhu, Q. Wei, J. Lu, B. Hu, X. Wu, and Y. Li, Dynamic failure of titanium: Temperature rise and adiabatic shear band formation. J. Mech. Phys. Solids, 135: 103811 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jmps.2019.103811
  31. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, V.I. Bondarchuk, O.O. Stasyuk, D.G. Savvakin, M.A. Skoryk, K. Cieplak, P. Dziewit, and S.V. Prikhodko, Effect of strain rate on microstructure evolution and mechanical behavior of titanium-based materials, Metals, 10,No. 11: 1404 (2020);. https://doi.org/10.3390/met10111404
  32. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, V.I. Bondarchuk, O.O. Stasyuk, K. Cieplak, and O.P. Karasevska, Effect of strain rate on mechanical behavior and microstructure evolution of Ti-based T110 alloy, Metallog., Microstruct., Anal., 10: 839–861 (2021); https://doi.org/10.1007/s13632-021-00797-9
  33. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, S.V. Akhonin, V.I. Bondarchuk, V.J. Berezos, K. Cieplak, O.P., Karasevska, M.A. Skoryk, Mechanical behavior of Ti-15Mo alloy produced with electron-beam cold hearth melting depending on deformation rate and in comparison with other titanium alloys, Prog. Phys. Met., 23, No. 3: 438–475 (2022); https://doi.org/10.15407/ufm.23.03.438
  34. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, O.O. Stasyuk, V.I. Bondarchuk, D.G. Savvakin, M.A. Skoryk, K. Cieplak, D. Goran, P. Soni, and S.V. Prikhodko, Mechanical behavior of titanium based metal matrix composites reinforced with TiC or TiB particles under quasi-static and high strain-rate compression, Materials, 14, No. 22: 6837 (2021); https://doi.org/10.3390/ma14226837
  35. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, V.I. Bondarchuk, K. Cieplak, P. Baranowski, and S.V. Prikhodko, Mechanical behavior of bilayer structures of Ti64 alloy and its composites with TiC or TiB under quasi-static and dynamic compression, Materials and Design, 223: 111205 (2022); https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111205
  36. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, O.I. Dekhtyar, M. Mecklenburg, and S.V. Prikhodko, Deformation mechanism and structural changes in the globular Ti–6Al–4V alloy under quasi-static and dynamic compression. to the question of the controlling phase in the deformation of α+β titanium alloys, Crystals, 12, No. 5: 645 (2022); https://doi.org/10.3390/cryst12050645
  37. H. Kolsky, Propagation of stress waves in linear viscoelastic solids, J. Acoust. Soc. Am., 37: 1206–1207 (1965); https://doi.org/10.1121/1.1939562
  38. H. Kolsky, Stress waves in solids, J. Sound Vib., 1: 88–110 (1964); https://doi.org/10.1016/0022-460x(64)90008-2
  39. W. Chen and B. Song, Split Hopkinson (Kolsky) Bar: Design, Testing and Applications (Berlin–Heidelberg: Springer: 2011); https://doi.org/10.1007/978-1-4419-7982-7
  40. Y. Guo, Q. Ruan, S. Zhu, Q. Wei, J. Lu, B. Hu, X. Wu, and Y. Li, Dynamic failure of titanium: Temperature rise and adiabatic shear band formation, J. Mech. Phys. Solids, 135: 103811 (2020); https://doi.org/10.1016/j.jmps.2019.103811
  41. M. Deguchi, M. S. Yamasaki, M. Mitsuhara, H. Nakashima, G. Tsukamoto, and T. Kunieda, Tensile deformation behaviors of pure Ti with different grain sizes under wide-range of strain rate, Materials, 16, No. 2: 529 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16020529
  42. G. Lütjering, Influence of processing on microstructure and mechanical properties of (α+β) titanium alloys, Mater. Sci. Eng. A, 243, Nos. 1–2: 32–45 (1998); https://doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00778-8
  43. T.R. Jones, Army Research Laboratory, Report ARL-CR-0533 (February 2004), p. 19.
  44. P.E. Markovsky, Mechanical behavior of titanium alloys under different conditions of loading, Mater. Sci. Forum, 941: 839–844 (2018); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.941.839
  45. J. Li, L. Liu, Sh. Xu, J. Zhang, and W. She, First-principles study of mechanical, electronic properties and anisotropic deformation mechanisms of TiB under uniaxial compressions, Appl. Phys. A, 125: 222 (2019); https://doi.org/10.1007/s00339-019-2523-y
  46. O.M. Ivasishin, P.E. Markovsky, D.G. Savvakin, O.O. Stasyuk, S.D. Sitzman, M. Norouzi Rad, and S. Prikhodko, Multi-layered structures of Ti–6Al–4V alloy and TiC and TiB composites on its base fabricated using blended elemental powder metallurgy, J. Mater. Process. Technol., 269: 172–181 (2019); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.02.006
  47. O.M. Ivasishin and V.S. Moxon, Low cost titanium hydride powder metallurgy, Titanium Powder Metallurgy, Science, Technology and Applications; (Eds. M. Qian, S.H. Froes) (Amsterdam, the Netherlands: Elsevier: 2015); Ch. 8, p. 117–148; https://doi.org/10.3390/met10050682
  48. P.E. Markovsky, O.M. Ivasishin, D.G. Savvakin, V.I. Bondarchuk, and S. Prikhodko, Mechanical behavior of titanium-based layered structures fabricated using blended elemental powder metallurgy, J. Mater. Eng. Perform., 28: No. 9: 5772–5792 (2019); https://doi.org/10.1007/s11665-019-04263-0
  49. L. Gibson and M. Ashby, Cellular Solids: Structure and Properties (Cambridge: Cambridge University Press: 1997); https://doi.org/10.1017/CBO9781139878326
  50. A. Suzuki, N. Kosugi, N. Takata, and M. Kobashi, Microstructure and compressive properties of porous hybrid materials consisting of ductile Al/Ti and brittle Al3Ti phases fabricated by reaction sintering with space holder, Mater. Sci. Eng. A, 776: 139000 (2020); https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139000
  51. P.E. Markovsky, J. Janiszewski, O.O. Stasyuk, D.G. Savvakin, D.V. Oryshych, and P. Dziewit, Mechanical energy absorption ability of titanium-based porous structures produced by various powder metallurgy approaches, Mater., 16: 3530 (2023); https://doi.org/10.3390/ma16093530
  52. P.E. Markovsky, D.V. Kovalchuk, S.V. Akhonin, S.L. Schwab, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, D.V. Oryshych, D.V. Vedel, M.A. Skoryk, and V.P. Tkachuk, New Approach for Manufacturing Ti–6Al–4V+40%TiC Metal-Matrix Composites by 3D Printing Using Conic Electron Beam and Cored Wire. Pt. 1: Main Features of the Process, Microstructure Formation and Basic Characteristics of 3D Printed Material, Prog. Phys. Met., 24, No. 4: 715–740 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.715
  53. P.E. Markovsky, D.V. Kovalchuk, J. Janiszewski, B. Fikus, D.G. Savvakin, O.O. Stasiuk, D.V. Oryshych, M.A. Skoryk, V.I. Nevmerzhytskyi, and V.I. Bondarchuk, New Approach for Manufacturing Ti–6Al–4V+40%TiC Metal-Matrix Composites by 3D Printing Using Conic Electron Beam and Cored Wire. Pt. 2: Layered MMC/Alloy Materials, Their Main Characteristics, and Possible Application as Ballistic Resistant Materials, Prog. Phys. Met., 24, No. 4: 741–763 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.04.741
  54. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Wire-Feeding Based Additive Manufacturing of the Ti–6Al–4V Alloy. Part I. Microstructure, Prog. Phys. Met., 24, No. 1: 5–37 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.005
  55. M.O. Vasylyev, B.M. Mordyuk, and S.M. Voloshko, Wire-Feeding Based Additive Manufacturing of the Ti–6Al–4V Alloy. Pt. II. Mechanical Properties, Progress in Physics of Metals, 24, No. 1: 38–74 (2023); https://doi.org/10.15407/ufm.24.01.038

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,