КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 22-79-10043
НазваниеЭкспериментально-теоретическое обоснование разработки материалов с повышенной стойкостью к внешним динамическим воздействиям за счёт создания в них специальных структур
РуководительЕвстифеев Алексей Дмитриевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2025 |
Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «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, 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций
Ключевые словаНаноструктурные материалы, гетерогенные структуры, композиты, динамическая нагрузка, прочность, пластичность
Код ГРНТИ30.19.57
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проблема создания конструкционных металлических материалов с одновременно высокой прочностью, пластичностью и трещиностойкостью является объектом активных исследований уже в течение многих десятилетий. Традиционно ее решают путем модифицирования химического состава, а также целенаправленного изменения микроструктуры материалов, применяя для этой цели сочетание разнообразных методов литья и режимов деформационно-термической обработки. За последние два десятилетия было показано, что значительные улучшения прочностных и эксплуатационных свойств в металлических материалах можно достичь благодаря применению специально разработанных методов интенсивной пластической деформации (ИПД). Эти методы позволяют целенаправленно изменять на наноуровне микроструктуру сплавов на основе различных металлов и, тем самым, добиваться в них существенного повышения комплекса свойств. Однако возможности ИПД все еще не реализованы в полной мере. ИПД по-прежнему сохраняет огромный потенциал для улучшения свойств материалов по мере развития знаний о микроструктурных процессах, протекающих в них на наноуровне, которые, в свою очередь, позволяют реализовать новые механизмы упрочнения и деформации. В проекте предполагается развитие перспективного направления, основанного на разработке оригинального микроструктурного/наноструктурного дизайна для создания конструкционных материалов с новым уровнем прочностных характеристик. За счет использования ИПД и ее проведения в различных температурно-скоростных условиях планируется целенаправленно управлять в материалах измельчением и степенью гетерогенности зеренной структуры, состоянием, строением и локальным химическим составом межзеренных границ, фазовыми превращениями, распределением наночастиц и другими параметрами микроструктуры. Рациональное сочетание вышеуказанных параметров, а также степень гетерогенности распределения зерен в объеме материалов исследования, позволят получить в них сочетание высокой прочности и пластичности, что в свою очередь ведет к повышению эксплуатационных свойств материалов, таких как ударная вязкость и трещиностойкость.
В ходе выполнения проекта необходимую степень гетерогенности разрабатываемых наноструктур планируется достигать не только за счет использования ИПД и оригинальных методов ее реализации, но и за счет создания в исходных заготовках исследуемых материалов заданной градиентности химического состава/распределения легирующих элементов, используя аддитивные технологии (3D печать). Данный метод позволяет не только модифицировать микроструктуру путем регулировки параметров осаждения, но также производить компоненты, изготовленные из множества материалов или непрерывно функционально-градиентных компонентов. Использование комбинации 3D печати и ИПД обработки при создании конструкционных металлических материалов с особенной структурой, обеспечивающей высокую прочность и трещиностойкость, безусловно, является новаторским перспективным подходом. Возможности методов 3D печати при создании специальных исходных материалов будут сочетаться с широкими возможностями процессов ИПД для адаптации исходной микроструктуры и достижения цели проекта - сверхпрочных материалов с повышенной пластичностью и трещиностойкостью. В проекте будут исследованы несколько легких сплавов на основе Al и Ti. Полученные материалы будут всесторонне проанализированы с помощью методов просвечивающей и сканирующей микроскопии высокого разрешения, рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа, а также испытаны с использованием различных схем напряженно-деформированного состояния при разных скоростях и условиях нагружения. В результате осуществленного комплекса исследований будут получены зависимости критических напряжений от скорости деформации, чтобы продемонстрировать, что механические и эксплуатационные свойства (прочность, пластичность, ударная вязкость и трещиностойкость) могут быть значительно повышены в сверхпрочных легких сплавах, которые представляют непосредственный интерес для применения в различных областях техники и медицины.
Ожидаемые результаты
По завершении проекта ожидаются следующие основные результаты:
1. Будут установлены влияние комбинации режимов ИПД и 3D-печати на микроструктуру выбранных металлов и сплавов (параметры зерен и их границ, ламелей, частиц вторичной фазы, и др.) и выявлены основные закономерности для производства гетерогенных материалов с высокой прочностью и пластичностью. Успешное получение таких связей позволит предложить подход микроструктурного дизайна для получения НС и УМЗ материалов с высокой прочностью и пластичностью методами ИПД. Кроме того, улучшение пластичности УМЗ материалов позволит обеспечить отличные показатели их трещиностойкости, что исключит опасения относительно возможности применения НС и УМЗ материалов в ответственных конструкциях и изделиях.
В связи с высоким научным запросом и прикладной значимостью результаты могут быть опубликованы в высокорейтинговых журналах. В качестве примера можно привести следующие предполагаемые публикации:
• «Новые принципы производства наноструктурных материалов с высокой прочностью и пластичностью с использованием 3D-печати и ИПД» Acta Materialia. IF 8.203
• «Микроструктурный дизайн материалов с высокой прочностью и пластичностью» Scripta Materialia. IF 5.611
• «Трещиностойкость и ударная вязкость гетерогенных УМЗ материалов» Materials Science and Engineering A. IF 5.234
2. Будут реализованы экспериментальные схемы динамического сжатия, растяжения и трехточечного изгиба по методике Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона при скорости деформации 10^(2)-10^(4) 1/s.
Экспериментальное оборудование будет обладать широкими возможностями по исследованию прочностных характеристик материалов в условиях высокоскоростных ударных нагрузок, что позволит выявить структурно-временные особенности деформирования новых материалов, а также определить область их возможного использования. Кроме того, в проекте будет уделено особое внимание исследованию корректных и унифицированных достоверных методик определения механических параметров полученных гетерогенных материалов в случае сложного напряженно-деформированного состояния при испытаниях образцов, имеющих различные геометрические размеры.
3. Будет получен уникальный набор данных о взаимосвязи между режимами термомеханической обработки, полученной микроструктурой и механическим поведением НС и УМЗ материалов и композитов при различных режимах нагружения (сжатие, растяжение, изгиб) и интенсивности (медленная и высокоскоростная). Его систематизация позволит использовать данные в дальнейших исследованиях по поиску путей изменения микроструктуры материалов с целью получения заданных механических свойств, в том числе при разработке аналитических и численных моделей. В качестве примера запланированы следующие публикации:
• «Влияние напечатанной микроструктуры на механический отклик материалов с наноструктурными особенностями после различной ИПД обработки» Journal of Materials Science IF 4.220
• «Скоростная чувствительность гетерогенных наноструктурных материалов после различных режимов ИПД обработки» Mechanics of Materials. IF 3.266
Таким образом, исследования в рамках проекта позволят обосновать новый научный подход к решению проблемы пластичности и трещиностойкости НС и УМЗ материалов, связанных с контролем состояния микроструктуры (микроструктурные неоднородности, дефектная структура, наличие скоплений примесей и др.) путем изменения режимов термомеханической обработки. На основе этого подхода будет реализовано повышение прочностных характеристик ряда промышленных сплавов на основе Al и Ti в условиях высокоскоростных ударных нагрузок. Предполагаемые к получению экспериментальные данные практически не встречаются в литературе, а некоторые будут получены впервые, их уникальность будет заключаться в наборе варьируемых условий эксперимента и свойств материалов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проблема создания конструкционных металлических материалов с одновременно высокой прочностью, пластичностью и трещиностойкостью является объектом активных исследований уже в течение многих десятилетий. Традиционно ее решают путем модифицирования химического состава, а также целенаправленного изменения микроструктуры материалов, применяя для этой цели сочетание разнообразных методов литья и режимов деформационно-термической обработки.
Для получения первичной информации о прочностных характеристиках металлов и сплавов с ГЦК-решеткой (Al и его сплавы), получаемых с использованием технологий проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM), был выбран алюминиево-магниевый сплав AA5056. За последние два десятилетия было показано, что значительные улучшения прочностных и эксплуатационных свойств в металлических материалах можно достичь благодаря применению специально разработанных методов интенсивной пластической деформации (ИПД). В настоящем проекте данный подход применяется как дополнительный этап обработки материала с уже созданной оригинальной структурой посредством методов аддитивной печати.
В первую очередь были проведены всесторонние эксперименты по выбору параметров WAAM печати и оптимальных режимов термообработки для сплава AA5056. Проведены исследования микроструктуры с использованием рентгеноструктурного анализа (РСА) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), выполнены механические испытания. Эксперименты на одноосное растяжение показали близкие результаты с материалом, полученным стандартным методом литья и проката. Динамические свойства материала при растяжении исследовались на ударной установке, основанной на модифицированном методе Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона. Методика эксперимента была адаптирована под малые размеры образца и структурные особенности исследуемых материалов. В качестве исследуемых параметров были выбраны предельные значения прочности и пороговые скорости роста напряжений для каждой скорости нагружения. Сравнительный анализ прочностных характеристик материала, полученного методами аддитивного производства и прокатки, проводился с использованием структурно-временного подхода с критерием инкубационного времени. Результаты показали, что материал, полученный WAAM, демонстрирует прочностные характеристики, сопоставимые с прочностными характеристиками традиционно прокатанного материала. Полученные результаты свидетельствуют о том, что проволочно-дуговое аддитивное производство может быть альтернативой для производства высокопрочных алюминиевых сплавов, предназначенных для использования при ударных нагрузках.
Испытания на ударную вязкость проводились на башенном копре с ускорителем Instron CEAST 9350. Использовались образцы длиной 55 мм, высотой 8 мм (рабочая часть 6 мм) и шириной 5 мм. Скорость при ударе составляла 5 м/с, что соответствует энергии удара ~68 Дж. При испытаниях на ударную вязкость наблюдалось заметное расхождение в характеристиках: значение удельной работы до начала разрушения материала, изготовленного аддитивным способом, было в два раза меньше, чем у промышленного материала. Снижение ударной вязкости аддитивно изготовленного материала связано с различными структурными особенностями (пористость, микродефекты, анизотропия структуры и пр.), присущими методам аддитивного производства с использованием проволочной дуги. Эти особенности могут ограничивать способность материала быстро поглощать энергию, тем самым влияя на его общую производительность в условиях динамической нагрузки. Данное исследование дает ценное представление о механических свойствах материалов, изготовленных аддитивным способом, в сравнении с их промышленными аналогами. Хотя характеристики прочности и пластичности двух типов материалов схожи при квазистатическом нагружении, ударная вязкость аддитивно изготовленного материала значительно снижена. Дальнейшие исследования в этой области должны быть направлены на изучение структурных особенностей, присущих методам аддитивного производства проволочной дуги, и их влияния на механическое поведение материалов в широком диапазоне изменения скорости и параметров воздействия внешней нагрузки. Эти знания будут важны для оптимизации процессов аддитивного производства, разработки передовых материалов с улучшенными механическими свойствами и более широкого внедрения этих материалов в различных отраслях промышленности и сферах применения.
Поскольку одной из причин снижения эксплуатационных характеристик аддитивно полученных материалов являются структурные особенности, формируемые в процессе послойной печати, то применение дополнительной деформационной обработки, включающей методы интенсивной пластической деформации, выглядит обоснованным. В развитие данного подхода был изготовлен композит с чередующимися слоями из сплавов AA5056 и AA1580 по технологии аддитивного производства проволочной дугой. Показано, что повышение прочностных характеристик композитного материала может быть получено за счет деформационной обработки методом кручения под высоким давлением (ИПДК). Исследованы микроструктура (методами РСА, СЭМ и ПЭМ) и механические свойства материала, обработанного методом ИПДК, в различных структурных состояниях. Полученный материал не имел признаков наличия микропор и микротрещин. Введение в композит сплава AA1580, содержащего скандий, позволили повысить термостабильность итогового материала и тем самым расширить допустимый интервал для дальнейших термомеханических обработок материала с ультрамелкозирнистой структурой с целью повышения пластических характеристик без потери прочности. Предельная прочность композитного материала, обработанного методом ИПДК достигает ~770 МПа. Это в ~ 3 раза больше, чем начальные прочностные характеристики. Однако материал обладает низкой пластичностью, что является ограничением для многих практических применений. Было установлено, что дополнительная деформационно-термическая обработка, включающая кратковременный отжиг при 250°С и деформацию методом ИПДК на 0.25 оборота при комнатной температуре, является эффективным способом повышения пластичности материала при сохранении высокого уровня прочности. Полученный материал имел прочность при растяжении ~700 МПа, что составляет 90% от значения прочности после обработки ИПДК, при значительном увеличении пластичности примерно до 9%. Сочетание достаточной пластичности и высокой прочности при растяжении было получено путем введения дополнительной плотности дислокаций в зернограничную или околозернограничную структуру. Предложенный подход предполагает высокий потенциал для практического применения изучаемого сплава и может быть универсальным эффективным способом достижения сочетания высокой прочности и пластичности для различных ульрамелкозернистых материалов.
Результаты показывают потенциал комбинации аддитивного производства и метода кручения под высоким давлением для получения композитных материалов с высокими механическими характеристиками. Эти методы позволяют целенаправленно изменять на наноуровне микроструктуру сплавов на основе металлов и, тем самым, добиваться в них существенного повышения комплекса свойств.
Публикации
1. Айдар Мавлютов, Алексей Евстифеев, Дарья Волосевич, Марина Гущина, Артем Воропаев, Олег Зотов, Ольга Климова-Корсмик The Effect of Severe Plastic Deformation on the Microstructure and Mechanical Properties of Composite from 5056 and 1580 Aluminum Alloys Produced by Wire Arc Additive Manufacturing Preprints, preprints.org 2023, 2023050367 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.20944/preprints202305.0367.v1