Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Получены и проанализированы закономерности влияния структурных параметров модельных сплавов на эволюцию микроструктуры и вклады действующих механизмов сверхпластической деформации. В сплавах с исходной рекристаллизованной структурой перед началом сверхпластической деформации выявлен динамический рост зерен с их удлинением в направлении растяжения и образованием поперечных малоугловых границ. Введение цинка не изменяет средний размер зерен, но повышает равноосность зерен. В процессе сверхпластической деформации сплавов наблюдали рост плотности дислокаций в теле зерен при увеличении степени деформации. Вклад зернограничного скольжения в общую деформацию на установившейся стадии сверхпластического течения, оцененный по смещениям линий маркерной сетки в магналиях с исходным размером зерна около 7 мкм составил 20-25%, при 25% внутризеренной деформации и 50% вкладе полосчатых областей, т.е. нового материала на поверхности. Выявлено формирование в процессе сверхпластической деформации зон свободных от выделений Mn-содержащей фазы, которые образуются в тройных стыках и по обе стороны от поперечных границ зерен, при формировании цепочек выделений вдоль продольных границ зерен, свидетельствующих о действии механизма диффузионной ползучести. В сравнительно крупнозернистых магналиях на начальной стадии деформации зоны свободные от выделений обеспечивали 50% общей деформации, что приводило к удлинению зерен в направлении оси растяжения и формированию полосчатых зон на поверхности образцов. Показано, что концентрация магния в интервале 4.9-7.8% слабо сказывалась на соотношении вкладов действующих механизмов в сплавах с исходной рекристаллизованной структурой. В сплавах с высокой плотностью L12 дисперсоидов перед началом сверхпластической деформации формировалась практически нерекристаллизированная зеренная структура с высокой долей малоугловых границ. В процессе сверхпластической деформации на начальной стадии происходил рост плотности дислокаций, а при больших степенях деформации плотность дислокаций снижалась, увеличивалась доля высокоугловых границ зерен и уменьшался средний размер зерна, т.е. наблюдали динамическую рекристаллизацию. В таких динамически рекристаллизующихся сплавах с размером зерна около 2 мкм вклад зернограничного скольжения составил 30%, при соизмеримом вкладе внутризеренной деформации. В сплаве, полученном при помощи всесторонней изотермической ковки, с исходной рекристаллизованной структурой и малой долей малоугловых границ, вклад зернограничного скольжения в полтора раза больше. В сплавах с исходной нерекристаллизованной структурой и малой долей крупных частиц при высокоскоростной сверхпластической деформации формировалась неоднородная зеренная структура и остаточная пористость достигала 20%. Присутствие 6-8% крупных частиц вторых фаз, стимулирующих динамическую рекристаллизацию, способствовало формированию однородной структуры при сверхпластическом течении и малой остаточной пористости 2-5%. Добавка цинка приводит к росту вклада зернограничного скольжения в два раза и соизмеримому уменьшению доли зон свободных от выделений и вклада диффузионной ползучести при снижении эффективной энергии активации сверхпластической деформации до типичных для сверхпластичных сплавов значений соизмеримых с энергией активации самодиффузии алюминия по границам зерен. Крупные частицы вторых фаз увеличивали вклад зернограничного скольжения, вероятно, через уменьшение размера зерна, а также через появление дополнительных межфазных границ, способствующих ускорению диффузии по границам раздела и развитию межзеренной деформации. С учетом полученных данных о вкладах действующих механизмов деформации и данных Проекта 2017 выбраны составы новых сплавов, отвечающих целям Проекта. Оптимизированы технологии получения заготовок новых сплавов с высокоскоростной сверхпластичностью, включающие горячую и холодную прокатку. Показано, что наиболее эффективным интервалом температур всесторонней изотермической ковки исследуемых сплавов является 250-350°С, благодаря интенсивной динамической/постдинамической рекристаллизации, повышающей однородность структуры. Установлено, что применение между операциями всесторонней ковки и холодной прокатки промежуточного гетерогенизационного отжига обеспечивает однородную зеренную структуру перед началом сверхпластической деформации и высокие показатели сверхпластичности с удлинением 500-520% при скоростях деформации 0.01-0.03/с. Применение всесторонней ковки целесообразно при необходимости использовать массивные заготовки, для получения тонколистовых заготовок предпочтительнее технология термомеханической обработки, включающая горячую и холодную прокатку по оптимизированному режиму. Для дальнейших исследований формуемости сплавов в состоянии сверхпластичности получены заготовки новых сплавов с железом и никелем в качестве эвтектико-образующих элементов с разной комбинацией дисперсоидо-образующих элементов, дополнительно легированные малой добавкой цинка, стимулирующего зернограничное скольжение, обеспечивающего улучшение показателей сверхпластичности и повышение однородности течения при высоких скоростях деформации. Разработаны математические и компьютерные модели деформационного поведения нового сплава при сверхпластическом течении в условиях одноосного растяжения с учетом особенностей формоизменения образца. По результатам конечно-элементного моделирования предложена методика расчета кривых напряжение-деформация, основанная на итерационной коррекции данных о деформационном поведении материала и учитывающая реальное формоизменение образца в ходе испытаний на растяжение. Данная методика была применена к результатам испытаний исследуемого сплава для получения адекватной модели его формоизменения. За период реализации этапа опубликовано две научные статьи в научных журналах первого квартиля, три научные статьи в сборниках трудов научных конференций, и пять докладов на международных и всероссийских научных конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Построены модели деформационного поведения при сверхпластическом течении в условиях одноосного растяжения экспериментального сплава, (1) по исходным экспериментальным данным (2) с применением итерационной процедуры уточнения значения напряжений с целью учета особенностей формоизменения образца в ходе испытания, и (3) модель учитывающая особенности формоизменения образца при одноосном растяжении и условия двухосного растяжения. Путем анализа результатов эксперимента по формовке тестового изделия и его конечно-элементных имитационных моделей проведено сравнение построенных моделей. Выявлено, что учет особенностей формоизменения образца при построении деформационной модели материала позволяет повысить адекватность компьютерного моделирования технологических процессов сверхпластической формовки и улучшить согласование прогнозных значений толщин заготовки с результатами измерений. Калибровка модели с коррекцией по результатам тестовых формовок позволила учесть фактор двухосного растяжения и в разы снизить ошибку прогнозирования времени формовки. Построенная калиброванная модель деформационного поведения описывает поведение экспериментального сплава Al-Mg-Fe-Ni в условиях двухосного растяжения при температуре 460 °C и является предпочтительной при проектировании технологических процессов сверхпластической формовки изделий из данного сплава. Методом сверхпластической формовки со скоростями 0,002-0,01 1/с были получены модельные детали сложной формы, при этом, наибольшую однородность сплавы демонстрируют при формовке с повышенной скоростью деформации 0,01/с. Проведен анализ микроструктурных изменений в интервале деформации 0,39-2,38 для деталей полученных по разным режимам, обеспечивающим скорость деформации 0,01/с. Кинетика рекристаллизации, размер рекристаллизованных зерен, объемная доля остаточной пористости в условиях сверхпластической формовки по разным режимам и при одноосном растяжении практически не отличались. Динамическая рекристаллизация приводила к формированию практически рекристаллизованной структуры при деформации 1.5, средний размер рекристаллизованных зерен составлял 4.1 мкм при максимальной деформации. Остаточная пористость при деформации менее 1.6 не превышала 0,3%, при 2.0 не превышала 2%. Морфология частиц вторых фаз не менялась в процессе сверхпластического течения при формовке или одноосном растяжении. На основании проведенных экспериментов предложены составы сверхпластичных сплавов на основе системы Al-Mg демонстрирующих в зависимости от режима деформации относительное удлинение 400-900% при температурах 440-540°С в диапазоне скоростей деформации (0,002-0,06) c-1 и повышенные прочностные свойства - предел текучести 200-280 МПа, предел прочности 380-450 МПа при сохранении высоких характеристик пластичности, относительное удлинение 12-20%. Данный результат обеспечивает химический состав сплавов и режим получения заготовки. Mагний обеспечивает твердорастворное упрочнение, формирование микрозеренной структуры и ее стабильность при деформации, цинк обеспечивает снижение напряжения течения и рост относительного удлинения за счет зернограничных сегрегаций и ускорения зернограничного скольжения, повышение сопротивляемости коррозионному растрескиванию. Сe/Ni и Fe (частично Mn) приводят к формированию частиц эвтектического происхождения микронных размеров, с объемной долей 4-7%, стимулирующих рекристаллизацию по механизму зародышеобразования на деформационных зонах вблизи крупных частиц. Чем выше плотность таких частиц в сплаве, тем больше мест зарождения новых зерен, соответственно, меньше средний размер зерна. Данные частицы, за счет их компактного размера и формы, не приводят к существенному ускорению порообразования в сплавах. Основная роль легирования Mn, Zr, Cr, Sc - формирование высокой плотности наноразмерных дисперсоидов, стабилизирующих структуру сплавов по механизму сдерживания миграции границ зерен силой Зинера. Благодаря гетерогенной структуре в присутствии частиц различной дисперсности с бимодальным их распределением по размерам- 10-100 нм и 0,5-2 мкм сплавы имеют размер зерна 3-7 мкм. Улучшение показателей сверхпластичности реализовано за счет формирования однородной стабильной зеренной структуры, обеспечивающей высокий показатель скоростной чувствительности и однородную деформацию при сверхпластической деформации/формовке. При этом уровень механических характеристик выше сплавов аналогов за счет механизмов твердорастворного упрочнения и дисперсионного твердения. Указанные свойства реализуются в сплавах заданного состава при получении листовых заготовок термомеханической обработкой. Режим обработки включает гомогенизационный отжиг в несколько ступеней, горячую прокатку (или всестороннюю ковку) и холодную прокатку. Первая низкотемпературная ступень гомогенизационного отжига позволяет выделить наноразмерные дисперсоиды, вторая высокотемпературная ступень приводит к фрагментации и сферодизации частиц эвтектического происхождения, что повышает технологическую пластичность сплава и снижает возможность преждевременного разрушения материала при сверхпластической формовке, а также обеспечивает увеличение плотности распределения дисперсоидов и обеспечивает высокую термическую стабильность зеренной структуры.