КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-79-10099

НазваниеСоздание модели расчета эволюции текстуры и структуры на ранних этапов термомеханической обработки алюминиевых сплавов в том числе добавками переходных металлов

РуководительАрышенский Евгений Владимирович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева", Самарская обл

Срок выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2021  , продлен на 07.2021 - 06.2023. Карточка проекта продления (ссылка)

КонкурсКонкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-102 - Механика технологических процессов

Ключевые словаАлюминий, математическое моделирование, переходные металлы, кристаллографическая структура, субструкутура, термомехническая обработка, реккристаллизация

Код ГРНТИ53.43.39


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Алюминиевые сплавы незаменимы во многих отраслях современной промышленности. Для эффективного получения заданных механических свойств в алюминиевых полуфабрикатах необходимо контролировать формирования структуры и кристаллографической текстуры материала на всем протяжении процесса термомеханической обработки. Так как на процессы эволюции текстуры и структуры действует множество зачастую взаимосвязанных факторов решение такой задачи невозможно без создания современных математических моделей описанных выше процессов. Следует отметить, что Россия по-прежнему имеется передовой опыт в создании новых алюминиевых сплавов и процессов их термомеханической обработки. Широкую известность за рубежом имеют такие специалисты, занимающиеся данной проблематикой, как В.В. Захаров, Н.А. Белов, Л.Л. Рохлин, Т.Д. Ростова, М.А. Дриц, Н.А. Колобнев, Р.З. Валитов, Р.O. Кайбышев и многие другие. При этом к сожалению, в нашей стране практически отсутствуют ученые, основной профиль которых моделирование процессов, происходящих при термомеханической обработки алюминиевых сплавов. Эта проблема в скором времени может стать критической при освоении новых алюминиевых сплавов, так как современные требования к качеству продукции требуют применения цифровых технологий. Учитывая стратегический характер алюминия для российской промышленности не только в целях обороны, но и для освоения крайнего Севера и создания новых транспортных технологий зависимость от зарубежных партнеров крайне нежелательна и поддержка молодых специалистов занимающейся этой проблематикой очень важна для стратегических задач, стоящих перед нашей промышленностью. Те не многие модели, которые у нас есть либо предназначены только для процесса холодной штамповки с учетом уже существующей кристаллографической текстуры, либо пригодны только для расчетов монокристаллического тела. При этом в 90 хх - 00 хх годах Ахенской школой проф. Готштайна (Германия) а также Норвежской школой проф. Неса созданы несколько на сегодняшний день хорошо апробированных моделей формирования структуры и кристаллографической текстуры в алюминиевых сплавах. На сегодняшний день эти модели хорошо апробированы и используются при расчетах различных термомеханических процессов. Однако в тоже время они имеет несколько узких мест. Во-первых, процесс проработки текстуры и структуры на ранних этапах термомеханической обработки пока ещё недостаточно изучен, имеются лишь общее понимание основных закономерностей проработки текстуры и структуры в алюминиевых сплавах, в то время, как многие важные моменты остаются не понятными. Это происходит из-за того, что энергосиловые и геометрические параметры термомеханической обработки и сама структура (литая) существенно отличается от тех, что наблюдаются на последующих этапах. В результате очень часто этот этап не моделируется, а для последующих этапов берутся опытные данные, что снижает эффективность модели и повышает цену их использования. Во-вторых, основные модели были созданы для моделирования термомеханической обработки коммерческих алюминиевых сплавов серий 3ХХХ и 5ХХХ, в то же время, например, в сплавах с добавками переходных металлов Sc, Zr, Hf ... и т.д наблюдается совершенно иная картина эволюции структуры и текстуры. Это связано и с более мелким размерам зерна при литье, а, следовательно, другими особенностями его проработки, другой кинетикой рекристаллизации, и отличием типа зародышей (больше полос сдвига и частиц второй фазы). Поэтому учитывая стратегическую важность для многих отраслей промышленности, алюминиевых сплавов с переходными и редкоземельными металлами из-за их способности к измельчению зерна, а также к образованию упрочняющих наночастиц второй фазы (Al3Sc, Al3Zr), что значительно повышает целый ряд механических свойств. Задача по разработке математической модели эволюции структуры и кристаллографической текстуры при термомеханической обработки данной группы алюминиевых сплавов является актуальной на сегодняшний день. В ходе проекта будет изучена проработка литой структуры, отслеживание момента возникновения и изучения последующей эволюции структуры на уровне зерен и субзерен частиц и текстурных компонент. Особое внимание будет уделено вопросам появления зародышей тех или иных текстурных компонент в переходных металлах. Термомеханическая обработка будет изучаться на примере горячей прокатки, так как именно с ее помощью производится большинство изделий из алюминиевых сплавов микролегированных переходными и редкоземельными металлами, кроме того она имеет сложный процесс, состоящий из актов деформации и нагрева, что ведет к комплексному процессу формированию кристаллографической структуры. Однако полученные результаты при определенных дополнительных исследованиях (в частности использования других моделей для расчета текстур деформации) могут быть расширены на другие процессы термомеханической обработки. Первым сплавом для исследования будет 5182 (Al - основа, Mg ≈4,8 %). Выбор этого сплава, с одной стороны, связан с тем, что его основной легирующий элемент – магний, имея высокую растворимость в алюминиевой матрице, не создает мелких частиц, дисперсоидов, препятствующих рекристаллизации. Второй сплав 1565ч, этот сплав был лишь недавно разработан. Это сплав с еще более высоким содержанием магния (≈5,8 % Mg) и добавками цинка и циркония. Недавние исследования показывают, что рекристаллизация сплава после горячей деформации затруднена. Основной причиной заторможенной рекристаллизации являются мелкие дисперсоиды Al3Zr. Данный сплав разработан с целью обеспечения прочностных характеристик близких к характеристикам термоупрочняемых сплавов, за счет уже упомянутых когерентных наночастиц вторичной фазы. Стоит отметить, что в случае циркония данные частицы несколько крупнее алюминидов скандия. Третий сплав с добавками 1570 высокомагниевый (до 6,3 % Mg) сплав с добавками и циркония и скандия обладает мелкодисперсным распределением частиц Al3Sc, Al3Zr и Al3(Sc1-xZrx), которые в большинстве случаев полностью блокируют рекристаллизацию. В разных сплавах будут превалировать разные зародыши рекристаллизации, например, в сплаве 1565ч следует ожидать действия PSN механизма, а в 1570 активного формирование полос сдвига.

Ожидаемые результаты
1. Будут получены сведения, о кинетике формирования субзерен, зарождения и развитии основных текстурных компонент, а также о роли мелкодисперсных фаз, тормозящих процесс рекристаллизации на ранних этапах термомеханической обработки алюминиевых сплавов с микролегированием переходными элементами. Это позволит продвинуться в понимании физики деформации и рекристаллизации алюминиевых сплавов. Это даст широкие перспективы для создания новых алюминиевых сплавов, получения сверхтонких композитов на их основе, и разработки инновационных процессов их обработки. 2. Полученные сведения, реализованные в виде модели, позволят выйти на новый уровень управления эволюцией структуры. Современные модели и подходы фактически дают возможность не только исправить или корректировать разработанные ранее процессы, но и разрабатывать новые процессы термомеханической обработки. Данный же подход даст возможность закладывать текстуру на самых ранних этапах прокатки перспективной группы алюминиевых сплавов с микролегированием переходными элементами. 3. Полученные результаты могут быть использованы в научных организациях и ведущих учебных заведениях, занимающихся разработкой и сопровождением новых алюминиевых сплавов, таких как ВИАМ, ВИЛС, НИТУ МИСИС, ИМЕТ РАН. Так же результаты позволят совершенствовать и получать новые технологии на таких отечественных предприятиях, производящих алюминиевые листы и ленты, таких как ОАО «KУМЗ», ЗАО «Алкоа СМЗ», ОАО «ДОЗАКЛ». Результаты могут быть использованы на многих предприятиях аэрокосмического комплекса, например, ОАО НПК «Иркут», ЗАО «Авиастар-СП», ОАО «Авиакор – авиационный завод», АО «РКЦ «Прогресс», использующих алюминиевые листы и плиты для изготовления различных деталей, в том числе и на композитной основе. Результаты будут полезными и для отечественной автоиндустрии, например, для ОАО «АвтоВА́З», где активно ведутся проекты по внедрению в производство алюминиевого листа. 4. Представителей научной общественности и представителей предприятий предполагается ознакомлять с результатами исследований посредством публикации в журналах, индексируемых в Scopus и Web of Sience, участия в научно-технических конференциях по металловедению и физике металлов, а также организации семинаров с докладами результатов исследований в перечисленных выше предприятиях и учебных заведениях. Кроме того, предполагается создание лицензионного программного пакета, реализующего разработанные в ходе исследования подходы, ПО будет свободно распространяться на территории Российской Федерации.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Целью данного этапа научного исследования "Создание модели расчета эволюции текстуры и структуры на ранних этапов термомеханической обработки алюминиевых сплавов в том числе добавками переходных металлов", было изучение металлофизических процессов, происходящих на ранних этапах термомеханической обработки. Данные исследования были направленны на решения трех задач. Во-первых, сбор сведений, необходимых для непосредственного функционирования модели ввиду их отсутствия в литературе для данных сплавов и для данных этапов. Во-вторых, исследование особенностей формирования субструктуры и протекания рекристаллизации на ранних этапах термомеханической обработки, т.к. данные вопросы плохо исследованы не только для данного типа сплавов, но и вообще для всех алюминиевых сплавов. В-третьих, сбор сведений которые должны помочь в изучении зарождения и развития основных текстурных компонент на данном этапе прокатки. Для решения этих задач был проведен следующий комплекс исследований. 1) Отобраны темплеты от слитков, из алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния 1565ч, АА5182 и 01570 полученные в промышленных условиях литьем в кристаллизатор скольжения. После чего образцы были подвергнуты гомогенизации по различным режимам. 2) С помощью кривых текучести (построенных с помощью установки Gleeble) определены моменты начала формирования субструктуры. 3) С помощью лабораторной горячей прокатки последующей закалки в воде и проведения отжига в селитровой ванне, а также с помощью метода двойного нагружения на установки Gleeble изучалась кинетика процессов рекристаллизации. 4) Для широкого диапазона параметров Зенера-Холломона на степенях деформации от 0,1 до 0,6 изучены особенности формования субструктуры. 5) Изучено влияние режимов гомогенизации на выпадения мелкодисперсных (в том числе и наноразмерных) частиц второй фазы. Исследования позволили установить существенные отличия в особенностях рекристаллизации на данном этапе термомеханической обработки от более поздних этапов, заключающиеся в более длинном инкубационном периоде и сильной зависимости от степени накопленной деформации, что обычно не характерно для горячей обработки при которой решающую роль играет параметр Зенера-Холломона. Это объясняется малой степенью накопленной энергии деформации, что в свою очередь подтверждается анализом формирования субструктуры. Так как субзерна на этом этапе крупнее и менее замкнуты, чем обычно. Анализ эволюции субструктуры показал очень интересную особенность, ориентация кристаллита будет определять размер и плотность субзерен развивающихся на нем, что в свою очередь напрямую будет оказывать влияние на зарождение первых текстурных компонент. Плотность малоугловых границ увеличивается с ростом степени деформации. Параметр Зенера-Холломона в свою очередь оказывает большое влияние на то в каких кристаллитах будет наиболее активно формироваться субзерна, а также на плотность малоугловых границ. Таким образом, изменяя степень деформации и параметр Зенера-Холломона можно оказывать непосредственное влияние на эволюцию текстуры на данном этапе термомеханической обработки. Тип сплава так же влияет на плотность распределение малоугловых границ и на ориентацию формирования субструктуры на которой будет происходить наиболее интенсивно. Большое значение на эволюцию структуры на данном этапе термомеханической обработки влияют мелкодисперсные вторичные частицы при этом наиболее сильное влияние оказывают наночастицы Al3Zr и Al3ScZr, которые способны полностью блокировать ее процесс. Исследования показали, что с помощью различных режимов гомогенизации можно влиять на количество и объем данных частиц снижая тем самым тормозящую силу. Результаты исследования были опубликованы в трех статьях в журналах, индексируемых в базах данных Scopus (в том числе три из них в квартиле Q1), изложены на одной всероссийской и на одной международной конференциях. Кроме того, по результатам деятельности зарегестрированы, две базы данных. Следует отметить, что получен большой задел для следующего этапа исследований, а именно особенностей зарождения основных текстурных компонент. Кроме уже опубликованных работ накоплено большое количество материалов исследований, которые будут посланы в редакции журналов в ближайшее время после получения дополнительных сведений в ходе начала второго этапа выполнения гранта.

 

Публикации

1. - Молодые ученые Самарского университета исследуют новые свойства алюминия официальный сайт Самарского Университета, - (год публикации - ).

2. - Молодые ученые Самарского университета исследуют новые свойства алюминия https://regnum.ru, - (год публикации - ).

3. Арышенский Е.В., Хирш Ю., Яшин В.В., Коновалов С.В., Читнаева Е.С. Study of the recrystallization behaviour of the aluminium 1565ch alloy during hot rolling of the as cast structures Materials Research Express, 6(6), 076524 (год публикации - 2019).

4. В. В. Яшин., С. В. Рущиц., Е. В. Арышенский., И. А. Латушкин. Реологические свойства деформируемых алюминиевых сплавов 01570 и АА5182 алюминиевых сплавов 01570 и АА5182в условиях горячей деформации в условиях горячей деформации Цветный металлы Tsvetnye Metally, №3, 64 - 69 (год публикации - 2019).

5. В.В Яшин , Е.В. Арышенский, С.В. Коновалов, С.В. Воронин, Г.Р. Халимова Изучение особенностей гомогенизации перспективных высокомагниевых алюминиевых сплавов с добавками переходных элементов Сборник тезисов X ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, Сборник тезисов X ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, т 10, с 15 (год публикации - 2019).

6. Коновалов Сергей Валерьевич, Арышенский Евгений Владимирович, Яшин Василий Владимирович, Осинцев Кирилл Александрович Параметры кинетики рекристаллизации сплава АА5182 -, 2019620306 (год публикации - ).

7. Коновалов Сергей Валерьевич, Арышенский Евгений Владимирович, Яшин Василий Владимирович, Осинцев Кирилл Александрович Реологические свойства в условиях горячей деформации сплава 01570 в интервалете мператур 350–450°С и скоростей деформации 1–10с- -, 2019620305 (год публикации - ).

8. Яшин В.В., Арышенский Е.В., Хирш Ю., Коновалов С.В., Латушкин И.А. Study of recrystallization kinetics in AA5182 aluminium alloy after deformation of the as-cast structure Materials Research Express, 6(6),066552 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В ходе второго этапа работы над грантом "Создание модели расчета эволюции текстуры и структуры на ранних этапов термомеханической обработки алюминиевых сплавов в том числе добавками переходных металлов" были получены следующие результаты: а) Данные о мобильности межзереннных границ и их зависимости от значений параметра Холомонна-Зенера. В частности, установлено что в сплаве 5182 рекристаллизация происходит почти мгновенно из-за очень малого количества мелкодисперсных частиц второй фазы и высокой энергии движения границ (вызванной малым размером субзерен). Сплав 1565ч также способен очень быстро рекристаллизоваться, однако на практике из-за высокой тормозящей силы этот процесс протекает медленно. Для того чтобы движущая сила хотя бы в 2 раза превзошла тормозящую, необходимы очень высокие параметры Зенера, поэтому на практике 1565ч рекристаллизуется несколько часов. Сплав 1570 невозможно рекристаллизовать при тех параметрах Холломона – Зенера, которых очень трудно достигнуть при существующих видах термомеханической обработки. Кроме этого, для правильного расчета тормозящей силы рекристаллизации были построены кривые распада пересыщенного твердого раствора для сплавов с высоким содержанием магния. б) Были получены данные об основных типах зародышей текстурных компонентов, возникающих при проработке литой структуры в данных сплавах. Анализ текстурной композиции как на локальном уровне методами EBSD так и методами рентгеноструктурного текстурного анализа (имеющего большую статику выборки, но выявляющих локальные особенности на уровне, субзерен, кубических полос) позволил выявить то, что в металле присутствуют основные текстурные компоненты, характерные для алюминиевых сплавов. Это кубические и около кубические компоненты, текстуры деформации, представленные компонентами S и латуни. На данном этапе вообще достаточно трудно выделить тип зародышей, который количественно превалирует над другими фактически там представлены все упомянутые типы, об этом так же свидетельствует большое количество бестекстурной составляющей, выявляемой рентгеноструктурным анализом. Во всех сплавах обнаружено большое количество составляющих текстуры латуни, что говорит о сильном влиянии магния снижающего энергию дефекта упаковки и необходимости учета этого фактора при окончательной разработке модели. Сплав 1570 имеет существенные отличия от 1565 ч и 5182 при проработке структуры, что и сказывается на характере формирования основных текстурных компонент. Отличия в сплаве 1570 начинают проявляться еще при литье. Т.к вместо дендритной структуры характерной для 1565 ч и 5182 у сплава 1570 возникают равноостные зерна. Такой эффект неоднократно наблюдался в данном сплаве и объясняется совместным воздействие скандия и циркония. Таким образом в сплаве 1570 из-за отсутствия процессов рекристаллизации формируются в основном зародыши связанные с текстурами деформации. Кроме того, зародыши рекристаллизации очень трудно засечь так как она не происходит даже в начальной стадии. В тоже время в скрытом виде кубических полос с такие зародыши кубических и околокубических текстур формируются и так же присутствуют в данном сплаве. в) Новый подход к расчету эволюции кристаллографической текстуры при горячей деформации алюминиевых сплавов. За основу был взят тейлоровский подход с полными ограничениями в которые были внесены существенные авторские модификации. Основная суть модификаций в том, что происходит перебор всех возможных комбинаций систем скольжения, чтобы найти оптимальную с точки зрения энергии пластического деформирования. Преимущество этого подхода по сравнению с методом линейного программирования достигается за счет использования более сложных законов деформационного упрочнения. В частности, могут быть введены любые нелинейные зависимости критического напряжения, вызывающего скольжение системы, от деформации и скорости деформации, кроме того, может быть учтено влияние систем скольжения друг на друга. Еще одной модификацией является то, что в данной модели сначала рассчитывается траектория деформации по времени, затем определяются системы активного скольжения и рассчитывается вращение решетки для всех ориентаций кристаллов, включенных в образец. Кроме того, учитывается кристаллографическое упрочнение для правильного расчета распределения текстур β фибера (т.е текстур деформации лежащих на одноименной линии в пространстве углов Эйлера). г) Получены данные об эволюции основных компонент кристаллографической текстуры в данном типе сплавов при рекристаллизации на ранних этапах термомеханической обработки. В ходе исследования обнаруженны особенности, имеющие место при формировании текстур рекристаллизации в данных сплавах. Во-первых после рекристаллизации в обоих сплавах образуются достаточно мало кубической текстуры, в сплаве 1565 ч она отсутствует при всех режимах. При это зародыши кубической текстуры после деформации присутствую в металле. Основное объяснение отсутствию текстуры куба после рекристаллизации заключается в том, что на стадии проработки литой структуры сразу после деформации отсутствует значительная доля текстуры S, которая необходима для задействования механизма ориентированного роста. Это обстоятельство также должно быть учтено при разработке модели в виде реализации механизма ориентированного роста. Текстура деформации так же развиваются входе рекристаллизации, их зародышами являются субзерны на границах деформированных кристаллитов, имеющих ориентации латуни или S. Кроме того в металле присутствуют компоненты текстур P и Goss. Это косвенно подтверждает в наличие в металле полос сдвига. Однако учитывая, что данные текстуры развиваются лишь в небольших количествах и только при некоторых режимах обработки сплава 1565 ч, что зародышей данного типа и вызывающих их полос сдвига на этапе проработки литой структуры достаточно мало и их сложно "засечь", анализируя данные сканирующей и просвечивающей микроскопии исходя из законов статистики. Однако основной особенностью формирования текстуры при рекристаллизации данных сплавов является очень большое количество бесструктурной составляющий. д) Изучено как морфология частиц Al3Sc, Al3Zr и Al3(Sc1-xZrx) влияет на стабильность субструктуры и формирование основных текстурных компонент. После гомогенизации в литом состоянии в сплавах 1565 ч и 1570, образуются когерентные алюминиевый матрицы частицы второй фазы, их размеры составляют 10 - 40 нм. При размере до 20 нм данные частицы когерентны алюминиевой матрицы и имеют форму многогранника близкого к кубоиду. Более крупные частицы теряют свою когерентность, морфология данных частиц становится вытянутой игольчатой формы. В сплаве 1565 количество нанодисперстных частиц несколько меньше чем в 1570. Однако эти частицы значительно более больше и многие из них имеют игольчатую форму. В случае сплава 1570 их средний размер наночастиц составляет 16 нм. При этом в отличии от сплава 1565 ч в 1570 частицы расположены кластерами, что говорит о прерывистом механизме их выпадения, при движении границ зерен. Отметим, что движение границ зерен отличается от тех, что происходят при рекристаллизации. При выделении частиц высвобождается объемная свободная энергия, которая является движущей силой миграции границы зерна, вдоль которой снова происходит сегрегация атомов легирующего компонента. В результате и образуется веер частиц, следующий за границей зерна. В тоже время образовавшиеся в ходе прерывистого выпадения частицы игольчатой формы и поэтому не так сильно тормозят движения границ зерен. Имеющие морфологию, близкую к кубической и когерентной алюминиевой матрицей будут лучше тормозить движение большеугловых границ зерен с иной ориентировкой так как им придется затрачивать энергию на переориентацию наночастиц имеющие из-за когерентности ту же ориентировку что и кристаллит. Отметим также, что в отличие от сплава 5182 в 1565 ч и 1570 субзерна намного более замкнуты. Основное объяснение заключается во влиянии нанодисперстных частиц второй фазы, которые стабилизируют субструктуру. Стоит отметить, исследование текстуры и наночастиц в сплаве 1570 и сопоставление этих данных со сплавами 5182 и 1565 ч позволило установить, что большое количество мелкодисперстных частиц с кубической морфологией так же будет способствовать более быстрому развитию текстур деформации. Это вызвано тем, что нанодисперстные частицы разбивают плоскости скольжения протяженность которых совпадает с размерами зерна на более мелкие участки в которых текстура β фибера формируется значительно быстрее. Таким образом в сплавах подобных 1570 при проработки литой структуры будет интенсивно развиваться текстура β фибера не только за счет отсутствия ее потерь при рекристаллизации, но и за счет воздействия нанодисперстных частиц второй фазы. е) Получены данные о том, когда и при каких условия PSN механизм образования зародышей новых зерен будет превалировать над другими способами. Показано как параметр Зенера влияет на активизацию тех или иных механизмов зародышеобразования в сплавах 5182 и 1565 ч. PSN механизм практически сразу начинает превалировать в сплаве 5182, несмотря на то, что количество и частиц второй фазы не такое большое. Еще быстрее происходит включение PSN механизма в сплаве 1565 ч, из-за резкого увеличения количества частиц второй фазы. Поэтому при рекристаллизации в данных сплавах основным способом появления новых зародышей будет PSN. Этому способствует, во-первых, малые размеры субзерна из-за низкой по сравнению с другими алюминиевыми сплавами энергии дефекта упаковки, кроме того, увеличение количества крупных интерметаллидных частиц (как например, в сплаве 1565 ч) увеличение роли PSN механизма становится превалирующем.

 

Публикации

1. Арышенский Е.В., Хирш Ю, Коновалов С.В., Праль У Specific Features of Microstructural Evolution During Hot Rolling of the As-Cast Magnesium-Rich Aluminum Alloys with Added Transition Metal Elements Specific Features of Microstructural Evolution During Hot Rolling of the As-Cast Magnesium-Rich Aluminum Alloys with Added Transition Metal Elements, Metallurgical and Materials Transactions A. – 2019. – V. 50. – №. 12. – С. 5782-5799. (год публикации - 2019).

2. Беглов Э.Д. Арышенский В.Ю. Арышенский Е.В. Программа texture_def_rx для моделирования формирования текстуры и размера рекристаллизованого зерна при горячей, многопроходной прокатке алюминиевых сплавов -, 2019667349 (год публикации - ).

3. Е.В. Арышенский, В.Ю. Арышенский, Э.Д. Беглов, Е.С. Читнаева, С.В. Коновалов Investigation of subgrain and fine intermetallic participles size impact on grain boundary mobility in aluminum alloys with transitional metal addition Materials Today: Proceedings, Volume 19, Part 5, 2019, Pages 2183-2188 (год публикации - 2019).

4. Е.В. Арышенский, Э.Д. Беглов, Ю. Хирш, В.Ю. Арышенский, С.В. Коновалов Development of the new fast approach for calculation of texture evolution during hot deformation of aluminum alloys Procedia Manufacturing, 37 (2019): 492-499. (год публикации - 2019).

5. Читнаева Е.С. Абалихина О.В. Арышенский Е.В. Воронин С.В. Яшин В.В. Распределение плотности малоугловых границ в зависимости от ориентировок зерна на сплавах системы al-mg, аа5182, 1565ч и 01570 в условиях горячей деформации в интервале температур 350 - 450 0С и скоростей деформации 1-10 -1с -, 2019621080 (год публикации - ).

6. Яшин В.В., Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Воронин С.В., Халимова Г.Р. Study of the specific features, characterising homogenisation of the promising Al-Mg system aluminium alloys with transition elements addition International Journal of Nanotechnology, 16.6-10 (2019): 602-612. (год публикации - 2020).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На третьем этапе гранта произведены модификации модели, позволяющие более точно рассчитывать уровень скалывающего напряжения в процессах термомеханической обработки алюминиевых сплавов. Это происходит за счет учета таких факторов как рост плотности дислокаций данной системы скольжения, влияние внутреннего трения при перемещении дислокаций и торможений движения дислокаций атмосферами примесных атомов, взаимодействие дислокаций копланарных систем скольжения взаимодействие дислокаций систем скольжения в пересекающихся плоскостях. В свою очередь это позволило более точно учитывать влияние химического состава на распределения основных компонент текстура бета фибера особенно Bs. Помимо этого разработана, математическая модель ориентированного роста кубических компонентов при рекристаллизации алюминиевых сплавов. Ориентированный рост реализован благодаря разбиению на два фиктивных объема, один из которых состоит из кубически ориентированных зерен, граничащих с текстурой β-трубки, а другой - из остальных текстурных компонентов. Это позволило эффективно моделировать ускоренный, по сравнению с другими компонентами, рост текстуры куба, вызванный его энергетическим выгодным расположением относительно текстур деформации. При этом наиболее эффективно модели работает при правильном учете скалывающего напряжения, так как это позволяет более точно рассчитать количество S компоненты необходимой для ориентированного роста. Кроме того были проведены эксперименты позволившие собрать данные о дроблении интерметаллидов м внедрить их в разрабатываемую в проекте модель. Что позволило правильно использовать их для точного расчета количества зародышей рекристаллизации возникающих на частицах. Все эти изменения позволили создать новую программу для ЭВМ. В ней рассматривается поликристаллическое тело. Градиент деформации кристаллита и образца равны. Пластическая деформация моделируется скольжением по плоскостям кристаллита. Учитывается упрочнение от сдвиговой деформации по плоскостям скольжения и латентное упрочнение. Сдвиговые деформации систем скольжения определяется из принципа минимума мощности. Рассчитываются кристаллографические ориентировки кристаллитов. Энергия, накопленная кристаллитом, приравнивается к работе деформации. Накопленная энергия--зависит от ориентировки и определяет размеры субзерна после деформации. Кристаллографические ориентировки с более крупным субзерном получают преимущество при зарождении новых зерен, чем моделируется возникновении текстур рекристаллизации, учитывается механизм PSN. Моделирование рекристаллизации с использованием JMAK. Кроме того для реализации модели и увеличения количества сведений о процессах происходящих на ранних этапах термомеханической обработки, позволяющих контролировать формирование кристаллографической текстуры был произведен ряд экспериментальных исследований и расчётов которые позволили установить. 1) Что при формировании субзерна при горячей деформации из литой заготовки во всех исследуемых сплавах наблюдается схожая картина формирования субзерна, заключающаяся в росте плотности малоугловых границ и количества, замкнутых субзерен, а также уменьшением их размеров с увеличением степени деформации. Это подтверждается кривыми напряжения деформации на которых наблюдается плавное упрочнение. . Зависимость размеров субзерна от степени во всех сплавах подчиняется параболической зависимостью. Учитывая влияние параметра Зенера на коэффициенты параболы можно вывести универсальное выражение позволяющие учесть как степень деформации, так и ее температурно скоростные условия. 2) Моделирование эволюции текстуры показало, что отсутствие учета дробления интерметаллидов может привести к тому, что при расчете объем металла рекристаллизующейся на PSN может быть, как и завышен, так и занижен в зависимости от стадии термомеханической обработки. На ранних стадиях из-за отсутствия учета дробления интерметаллидов ведет к занижению количества рекристаллизующегося по схеме PSN объема. Это связанно с тем, что с одной стороны сами частицы еще очень большие, но их количество уже начинает расти. На более поздних стадиях частицы измельчаются еще сильно и поэтому теряют свой потенциал в качестве зародышей, не смотря на рост их количества. Исключением является сплав 8011 в котором из-за очень сильного дробления возникает чрезвычайно много частиц и эффект роста их количества перекрывает уменьшение размеров. Недоучет дробления интерметаллидов может приводить к завышению доли текстур куба и β-трубки на данном этапе термомеханической обработки. На более поздних стадиях учет фактора дробления интерметаллидных частиц также позволяет повысить точность расчетов, однако не столь значительно как на первых этапах. 3) Энергия дефекта упаковки, влияющая в первую очередь на размер субзерен, не оказывает сильное влияние на объем рекристализующийся на интерметаллидных частицах при проработке литой структуры. Основная причина заключается в том при начальной стадии проработки литой структуры, параметр Холломона-Зенера имеет низкие значения. Из-за этого на данной стадии размер субзерна не сильно отличается в различных сплавах. Кроме того сами зародыши текстур куба и β-трубки имеют достаточно большой размера и могли бы эффективно конкурировать с частицами первый фазы, однако на данной стадии термомеханической обработки их еще не так много. В тоже время моделирование показало, что при увеличении параметра Холломона-Зенера отличия в размерах субзерен для 8011 и высокомагниевых сплавов, а следовательно и различия в текстурной композиции будут возрастать. Таким образом, низкое количество текстуры куба и β-трубки при проработки литой структуры объясняется не их конкуренцией с PSN, а малой протяженностью границ зерен, на которых в основном концентрируются зародыши данных компонент. Кроме того, слабовыраженная текстура β-трубки не дает задействовать механизм ориентированного роста кубической текстуры. 4) Сравнение реальных данных и моделирования формирования текстуры на ранних этапах термомеханической обработки алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния показало, что при учете дробления интерметаллидов моделирование наиболее точно отражает реальную картину, а именно показывает отсутствие ярко выраженной кристаллографической текстуры. Если не брать в учет дробление интерметаллидных частиц, то моделирование будет давать завышенное количество текстуры β-трубки. Это происходит за счет снижения количества зародышей образующихся на частицах. Учет ориентированного роста существенно не влияет на точность расчетов, это объясняется тем, что самих кубических зародышей недостаточно (даже если не учитывать дробление интерметаллидов) чтобы они конкурировали с теми, что возникают на частицах. 5)Исследование показало, что рост содержания магния и других легирующих элементов оказывает существенное влияние на развитие компонент текстуры β-трубки при горячей деформации. Если в технически чистом алюминии задействуются плоскости скольжения, в основном связанные с компонентами меди и S текстуры то по мере увеличения содержания магния интенсивность данных компонент, ослабевает и появляется ярко выраженная текстура латуни. На развитие тех или иных текстурных компонент так же влияют. Есть два объяснения этому факту. Во-первых, снижение энергии дефекта упаковки однако ЭДУ снижается для сплавов с высоким содержанием магния лишь на 10 – 15 %. Как показало моделирование, намного большее влияние на кристаллографической упрочнение оказывают примесные атомы. В тоже время для дальнейшего повышение точности модели необходимо более тщательно изучить связь тех или иных компонент матрицы упрочнения с физическими явлениями, возникающими при движении и взаимодействии дислокаций с различными препятствиями. Результаты данного этапа гранта опубликованы в журналах, индексируемых в Scopus и Web of Science, в том числе входящих в первый квартиль. Таким образом, все задачи, поставленные как на данном этапе гранта, так на весь срок его выполнения, были успешно решены. Достигнутые результаты позволили во первых добиться большего понимания о физических процессах сопровождающих формирование текстуры на ранних этапах термомеханической обработки алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния и добавками переходных элементов. Получены сведения о зарождении и развитии основных текстурных компонент возникающих в данной группе алюминиевых сплавов при их термомеханической обработки. Это позволило создать эффективную модель, основанную с одной стороны на теории кристаллографической пластичности с другой стороны на физико статистической модели рекристаллизации. Это в свою очередь позволяет контролировать текстурную композицию и добиваться нужной анизотропии физико механических свойств. Отметим, что кроме анизотропии изучение текстурообразование привело к более глубокому пониманию механизмов рекристаллизации алюминиевых сплавов с высоким содержанием магния в частности ориентированного зародышеобразования и ориентированного роста. Контролируя эти два параметра можно добиться заданного размера зернёной структуры а следовательно значительно повысить физико механические свойства алюминиевых сплавов которые она и определяет. Что так же продемонстрированно в созданной в рамках гранта, заявке на изобретение.

 

Публикации

1. Арышенский В.Ю., Арышенский Е.В., Беглов Э.Д., Кауров А.Ю., Осинцев К.А. Программа rx_tx_fro для расчета температурного режима и преимущественных кристаллографических ориентировок с представлением в виде Функции Распределения Ориентировок(ФРО) при горячей, многопроходной прокатке алюминиевых сплавов. ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, 2020618308 (год публикации - 2020).

2. Арышенский В.Ю., Арышенский Е.В., Беглов Э.Д., Коновалов С.В., Осинцев К.А. Программа text_latent_hrd для моделирования формирования текстуры и размера рекристаллизованного зерна при прокатке металлов с ГЦК решеткой и их сплавов ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ, 2021613712/69 (год публикации - 2019).

3. Арышенский Е, Беглов Э., Коновалов С., Арышенский В., Халимова А. Approach to oriented grain growth accounting during aluminum alloys recrystallization simulation Materials Today: Proceedings, - (год публикации - 2021).

4. Арышенский Е.В. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭВОЛЮЦИИ ТЕКСТУРЫ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ В НЕПРЕРЫВНОЙ ГРУППЕ АВИАЦИОННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ. ЧАСТЬ I Фундаментальные проблемы современного материаловедения, том 17 №3 (2020), стр. 323-329 (год публикации - 2020).

5. Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Гречников Ф.В. ФОРМИРОВАНИЕ ТЕКСТУРЫ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ПРОЦЕССАХ ПРОКАТКИ Самара, издательство Самарского университета, - (год публикации - 2021).

6. Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Тептерев М.С. Изучение влияние кристаллографической ориентации на плотность малоугловых границ и размер субзерна в алюминиевых сплавах с высоким содержанием магния на ранних стадиях термомеханической обработки Сборник трудов XIII ежегодного заседания Научного Совета по физике конденсированных сред при отделении физических наук РАН и научно-практического семинара "Актуальные проблемы физики конденсированных сред", с. 47 (год публикации - 2020).

7. Арышенский Е.В., Коновалов С.В.,Хирш Ю. Investigation of the Intermetallic Compounds Fragmentation Impact on the Formation of Texture during the as Cast Structure Thermomechanical Treatment of Aluminum Alloys metals, vol. 11, issue 3, p.507 (год публикации - 2021).

8. Арышенский Е.В., Хирш Ю, Бажин В.Ю.,Кавалла Р., Прал У. Impact of Zener-Hollomon parameter on substructure and texture evolution during thermomechanical treatment of iron-containing wrought aluminium alloys Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Issue 5. — P. 893-906 (год публикации - 2019).

9. Арышенский Е.В., Хирш Ю., Беглов Э.Д., Коновалов С.В., Каргин В. Р. Specific of the Recrystallization Driving Force Calculation on the Early Stages of Thermomechanical Treatment of Aluminum Alloys Materials Science Forum, - (год публикации - 2021).

10. Арышенский Е.В., Хирш Ю., Коновалов С.В., Арышенский В.Ю., Дриц А.М. Influence of Mg Content on Texture Development during Hot Plain-Strain Deformation of Aluminum Alloys Metals, 11, 865 (год публикации - 2021).

11. АРЫШЕНСКИЙ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ЭВОЛЮЦИИ ТЕКСТУРЫ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКЕ В НЕПРЕРЫВНОЙ ГРУППЕ АВИАЦИОННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ. ЧАСТЬ II Фундаментальные проблемы современного материаловедения, ом 17 No3 (2020) (год публикации - 2020).

12. Беглов Э.Д. Осинцев К.А. Арышенский В.Ю. Арышенский Е.В. Коновалов С.В. Способ изготовления катных изделий с повышенной коррозионной стойкостью из деформируемых термически неупрочняемых сплавов систем -, 2021107631 (год публикации - ).

13. Стожаров Д.А.,Яшин В.В.,Арышенский Е.В.,Халимова А.Ф.,Коновалов С.В. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЭВОЛЮЦИИ МИКРОСТРУКТУРЫ ПРИ ПРОКАТКЕ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al–Mg В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ DEFORM 2D Ползуновский вестник, 2020, №2, стр. 140-144 (год публикации - 2020).

14. Тептерев М.С.,Арышенский Е.В.,Гук С.В., Баженов В.Е., Дриц А.М., Кавалла Р. Effect of Annealing Conditions on the Evolution of the Grain Structure and Intermetallic Phases in the Cold-Rolled Strip of Aluminum–Magnesium Alloy Physics of Metals and Metallography, 121, 906–913 (2020) (год публикации - 2020).

15. Яшин В. В., Латушкин И. А., Арышенский Е. В., Читнаева Е. С. Изучение кинетики рекристаллизации алюминиевого сплава 1565ч с низкой степенью проработки литой структуры Цветные металлы, №1, 58-64 (год публикации - 2021).

16. Яшин В.В., Арышенский Е.В., Дриц А.М., Латушкин И.А. Effect of hafnium transition metal additives on the microstructure of 01570 aluminum alloy Tsvetnye Metally, No 11, 84 - 90 (год публикации - 2020).

17. Яшин В.В., Арышенский Е.В., Латушкин И.А., Стожаров Д.А. Study of kinetics of the supersaturated solid solution decomposition in alloys of the Al – Mg system with transition elements addition Tsvetnye Metally, No 11, с. 77 - 84 (год публикации - 2020).

18. Яшин В.В., Дриц А.М., Арышенский Е.Ю., Латушкин И.А., Читнаева Е.С. Study of Recrystallization Kinetics of 1565ch Aluminum Alloy during hot deformation MATEC Web of Conferences, 326, 05001 (год публикации - 2020).

19. Яшин В.В., Латушкин И.А., Кабанов А.С., Арышенский Е.В. How microalloying of the AlMg5 alloy with transition metals (Sc, Zr, Nb) impacts the structure of a cast billet Tsvetnye Metally, Issue 2. — P. 56-61 (год публикации - 2019).


Возможность практического использования результатов
В ходе реализации проекта созданы три программных средства (упомянутых выше в списке РИД) напрямую предназначенных для расчетов текстурной композиции и величины зереной структуры в современных прокатных комплексах для термомеханической обработки алюминиевых сплавов. Учитывая что размер зерна и текстура напрямую влияют на такие функциональные показатели материла как пластичность прочность и анизотропия физико-механических свойств данные программные продукты будут востребованы на таких предприятиях ЗАО «Алкоа СМЗ», ОАО «KУМЗ», АО «Алюминий Металлург Рус», Кроме того растет доля продукции из сплавов с высоким содержанием магния с малыми добавками переходных элементов как и исследуемых в рамках проекта так и новых таких как например 1575 и 1580. Поэтому изложенные в проекте сведения о влиянии режимов термомеханической обработки позволят разработать новые технологии производства плоской катанной продукции исследуемой группы сплавов. Заявка на изобретение созданная в рамках проекта показывает что полученые в ходе его данные проекта могут быть использованы для создания промышленных технологий. Следует отметить что руководитель проекта участвовал как основной исполнитель в пяти НИОКР с ЗАО "Алкоа СМЗ", поэтому знает, как продвигать научные разработки и решения в рамках предприятий, занимающихся термомеханической обработкой, что также будет способствовать ускоренному внедрению результатов проекта в промышленность.