Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Получены алюминиевые сплавы на основе АМг5, упрочненные тугоплавкими частицами TiB2 различной концентрации. При изготовлении лигатур необходимым условием выступало использование порошка с бимодальными структурами, включающими наноразмерный и субмикронный масштаб. Из полученных отливок изготавливали плоские образцы толщиной 2 мм.. Получены результаты исследований структуры и механических свойств и особенностей деформационного поведения всех полученных сплавов на основе АМг5: исходных (без частиц), как в литом состоянии, так и после деформационной обработки; упрочненных частицами, как в литом состоянии, так и после деформационной обработки. Исследования микроструктуры показали, что исходный сплав АМг5 в литом состоянии без частиц имел грубую и неравномерную дендритную структуру со средним размером зерна около 155 мкм. В сплаве преобладали крупные первичные дендриты со сложной формой. Добавление частиц в сплав привело к более равномерному измельчению первичных дендритов и появлению мелких равноосных дендритов в равной степени в зависимости от состава лигатур. Установлено, что частицы TiB2 подготовленной лигатуры при введении в расплав являются эффективным модификаторами литой структуры, позволяющий получать отливки с равноосной структурой. Такая структура должна значительно повысить технологическую пластичность материалов при дальнейшей обработке, уменьшить склонность к трещинообразованию при литье, увеличить коррозионную стойкость. Распределение введенных частиц по всему объему сплава свидетельствует о эффективном использовании режимов ультразвуковой обработки расплава перед его кристаллизацией. Получены экспериментальные данные о влиянии наночастиц диборида титана на коррозионную стойкость и свариваемость сплавов АМг5, упрочненных частицами TiB2 до и после деформационной обработки. Обнаружено, что дендритная структура исходных литых сплавов на основе АМг5 хуже сопротивляется коррозионному воздействию, чем прокатанная. Наибольшее коррозионное поражение наблюдалось на образцах исходного литого сплава. Основной причиной коррозии является - сплошная, избирательная (межкристаллитная) и местная (питтинг) коррозия, зарождающаяся на микропорах, на границах зерен и впоследствии вызывающая образование внушительных полостей на исследуемой поверхности. Повреждение идет по границам зерен и по фазам образующихся на них в случае межкристаллитной коррозии. Исследования коррозионной стойкости исследуемых сплавов на основе АМг5 показали удовлетворительные результаты для прокатанных образцов за счет измельченной структуры и малых размеров межзеренных областей. Оценены возможности неразъемного соединения листов из полученных сплавов современными методами электронно-лучевой сварки. Для проведения был подобран режим сварки и изготовлены односторонние сварные соединения с различной глубиной провара для исходных и упрочненных сплавов частицами диборида титана. Показана линейная зависимость прочности сварного соединения от его глубины. Установлено, что показатель прочности сварного соединения при его миниатюрных размерах превышает свойства свариваемых сплавов. Сварные соединения всех образов обладают достаточной прочностью. Относительные прочностные показатели соединений удовлетворяют отраслевым требованиям прочности сварного соединения, которая не должна быть менее 0.9 от прочности основного металла. Эти требования достигаются уже при относительной площади сварного соединения 0.7, 0.88 и 0.83 для исходного сплава без частиц и частицами различной концентрации. Дальнейшее увеличение глубины провара должно привести к достижению номинальной прочности свариваемых материалов. Получены образцы литейного магниевого сплава МЛ12 с ведением в расплав магниевых лигатур, содержащих неметаллические тугоплавкие наночастицы AlN в концентрации 0,1, 0,3, 0,5, 1 масс. %. Для изготовления магниевых лигатур использовали наночастицы AlN, синтезированные методам электровзрыва проводников. Лигатуры были изготовлены методом ударно-волнового компактирования смесей магниевого микропорошка с нанопорошком AlN в пропорциях 95/5 масс.%. Установлены закономерности влияния концентрации наноразмерных тугоплавких частиц нитрида алюминия на структуру, упругопластические свойства: деформационное поведение, в т.ч. при повышенных температурах, сопротивление циклическому нагружению, трещиностойкость. Показано, что в исходном состоянии магниевый сплав МЛ12 имеет значения ударной вязкости (KCU) 38 Дж/м2. Добавление частиц AlN увеличивает этот показатель до 41, 44, 51 и 44 Дж/м2 для сплавов с концентрацией частиц 0,1, 0,3, 0,5, и 1 AlN масс.%. Эффект увеличения ударной вязкости связан с уменьшением среднего размера зерна исследуемых сплавов, увеличенной пластичности, что показали испытания на растяжение и наличием крупных частиц во фронте роста трещины, препятствующих ее распространению. Проведены исследования влияния частиц AlN на малоцикловую усталость плоских образцов из магниевого сплава МЛ12 при знакопеременном циклическом нагружении в режиме растяжение-сжатие до 100-1000 тыс. циклов. Для сравнения были выбраны результаты, полученные на образцах из исходного сплава МЛ12 и сплава с частицами в концентрации 1,0 AlN масс.%. Аппроксимация экспериментальных данных уравнением Коффина-Мэнсона для сплава с частицами показывает меньшую способность к сопротивлению динамическим знакопеременным нагрузкам в области малоцикловой усталости, чем исходный сплав. Вероятно, подобное поведение связано с меньшими значениями предела текучести сплава с частицами. Также в отчетный период с использованием гидридной технологии получен легирующий сплав Al3Er. Полученный сплав Al3Er является по составу двухфазным (Al3Er, AlEr), с преобладанием фазы Al3Er. Эрбий равномерно распределяется в объеме образца по границам сформировавшихся зерен. Разработана физическая модель, описывающая ползучесть под воздействием постоянного механического напряжения дисперсно-упрочнённого материала с ГЦК-матрицей и некогерентными недеформируемыми упрочняющими частицами. В основе модели лежит концепция упрочнения и отдыха. Ползучесть обусловлена элементарными процессами пластической деформации, осуществляемыми движением сдвигообразующих дислокаций и точечных дефектов. Создана программа для расчёта изменения параметров дефектной структуры, деформации, скорости деформации с течением времени, которая позволяет исследовать явление ползучести при разных температурах и механических напряжениях. Разработан метод решения задачи ползучести и определения характеристик напряженно-деформированного состояния стенок толстостенной трубы из дисперсно-упрочненного алюминиевого сплава при различных видах квазистатического нагружения. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния стенок трубы при неоднородном распределении упрочняющей фазы. Для повышения эффективности использования материала наружных слоев предложен метод составных труб, изготовленных из дисперсно-упрочненного алюминиевого сплава с различным содержанием частиц. В результате проведенных исследований определена величина контактного давления, а также величина натяга, позволяющая повысить предел упругого сопротивления составной трубы по сравнению со сплошной. Показано, что с увеличением температуры и расстояния между упрочняющими частицами при одной и той же их объемной доле величина предельного натяга уменьшается. Предел упругого сопротивления внутренней трубы в случае ее малой толщины линейно возрастает с ростом натяга. Увеличение контактного давления при соизмеримых толщинах внешней и внутренней трубы приводит к росту напряжений в стенке внешней трубы и способствует ее пластической деформации. Результаты проведенных исследований показали, что при изготовлении внешней части составной трубы можно использовать материал с меньшей объемной долей упрочняющих частиц, чем при изготовлении внутренней, без существенного ухудшения прочностных характеристик. Разработаны теоретические основы создания дисперсно-упрочненных материалов и проведено исследование их поведения в неоднородном поле массовых сил. Рассмотрена пластическая деформация кольцевого диска в поле центробежной силы. Исследована зависимость напряженно-деформированного состояния диска от свойств материала. Результаты моделирования показывают, что упрочнение материала наночастицами существенно изменяет прочностные характеристики материала. В сплавах с меньшими расстояниями между упрочняющими частицами при одной и той же объемной доле частиц требуется существенно большая частота вращения диска для достижения пластической деформации. Таким образом, установлено, что уменьшение расстояния между частицами вызывает упрочнение материала, приводящее к росту предела пластического сопротивления. По результатам выполнения работ в 2020 году опубликовано 4 работы в журналах, цитируемых базами Scopus, Web of Science, из них: 1 статья в журнале «JOM» (квартиль Q1 по Web of Science, Scopus), 3 статьи в журнале «Russian Physics Journal» (квартиль Q3 Scopus), приняты к публикации: 1 статья в журнале «Chinese Journal of Physics» (квартиль Q2 Scopus); 1 статья в журнале «Вестник Томского государственного университета. Математика и механика», индексируемого базой Web of Science (Q3). Научные результаты работ представлены на двух конференциях различного уровня: (РИНЦ) XIV Всероссийская школа-конференция для молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (ПМ: 2020). 28 февраля (Новосибирск) по 6 марта 2020 г. (Шерегеш); Шестой междисциплинарный научный форум с международным участием «Новые материалы и перспективные технологии», 23-26 ноября 2020 г., Москва. Получен патент на изобретение 2708724 «Способ электронно-лучевой сварки кольцевого соединения тонкостенной обечайки с цилиндрической крышкой, выполненных из высокопрочных алюминиевых сплавов» (авторы из состава исполнителей проекта: Ворожцов А.Б., Хмелева М.Г.). Ссылка на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: название "От кости до космоса: физики ТГУ улучшают сплавы с помощью наноалмазов ", https://www.riatomsk.ru/article/20201103/tgu-splavi-slajder/

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках решаемых задач проекта получен комплекс экспериментальных и теоретических данных о влиянии лигатур системы Al-Er, полученных по гидридной технологии, на структуру, химический и фазовый составы, физико-механические свойства алюминиево-магниевых сплавов до и после деформационной обработки. Для этого методом гидрированием эрбия в химическом реакторе с последующим смешением с микропорошком сплава алюминия, прессованием и дегидрированием в вакуумной печи получены лигатуры содержанием эрбия системы Al-Al3Er. После чего получены лабораторные отливки исходного и модифицированного алюминиево-магниевого сплава АМг5 (химический состав 91,9-94,68% Al, 4,8-5,8% Mg, 0,3-0,8% Mn, 0,5% Fe, 0,5% Si) методом литья с использованием ультразвукового воздействия на расплав и последующей термообработкой по режиму Т6. Модификацию сплава проводили при ультразвуковом воздействии введением приготовленных лигатур при температуре расплава 730 °C, содержащих эрбий. Модификация алюминиево-магниевого сплава добавками эрбия с ультразвуковым воздействием при литье позволила улучшить его механические свойства. Показатели твердости по Бринеллю HB и микротвердости по Виккерсу HV у модифицированного сплава увеличились и стали 64 HB и 86 HV, чем у исходного литого сплава АМг5, имеющего показатели 59 HB и 67 HV соответственно. Условный предел текучести, временное сопротивление и относительное удлинение после модифицирования литого сплава повысились с 63 МПа, 170 МПа и 14,75% до 64 МПа, 204 МПа и 21,37% соответственно. С использованием теоретических оценок разработан режим деформационной обработки прокаткой исследуемых сплавов, в соответствии с которым получены образцы листового проката исходного и модифицированного эрбием сплавов АМг5. Слябы из исследуемых сплавов были прокатаны до пластин по одинаковому режиму при температуре 300 °C с максимальной усадкой до 80 %. После прокатки структура сплавов приобретает полосчатый характер, где зерна после больших деформаций вытянуты вдоль направления проката. Методами электронной микроскопии установлено, что в межзеренных пространствах встречаются участки с выделениями Fe-Mn и Al-Mg, Al-Mn фазы в виде микронных и субмикронных частиц. Введение эрбия уменьшает количество Fe-Mn фазы и увеличивает дисперсность, которая выделяется так же преимущественно по границам зерен. Частицы, содержащие Er, распределены в материале проката равномерно. Обнаружено его присутствие в матрице в виде отдельных микронных частиц, равномерно распределенных по всему объему, в виде субмикронных частиц в зернах и преимущественно на границах зерен. Прокатка привела к увеличению значений твердости по Бринеллю до 78 и 83 HB по сравнению с показателями 59 и 64 HB литых сплавов - исходного и модифицированного соответственно. Показатели условного предела текучести, временного сопротивления и относительного удлинения после прокатки для сплава без частиц в среднем повысились с 63 до 115 МПа, с 170 до 295 МПа и с 14,75 до 41%, а для модифицированного частицами Er сплава с 64 до 117 МПа, с 204 до 305 МПа и с 21,37 до 45% соответственно. Получены экспериментальные данные о влиянии микрофибр базальтового волокна на процессы литья и кристаллизации, структуру и свойства литейных сплавов. В качестве исходных материалов были использованы литейный алюминиевый сплав системы Al-Si АК9 и базальтовые волокна со средней длиной 60 мкм и диаметром 7 мкм в массовом количестве 1 масс. % и 2 масс. %. Структура исходного сплава АК9 представлена дендритами и кремниевой эвтектики. Средний размер дендритной ячейки составил около 19 мкм. Введение 1 масс. % базальта привело к увеличению среднего размера дендритных ячейки сплава до 26 мкм и снизило ширину области эвтектики. Введение 2 масс. % базальтовых волокон в расплав приводит к изменению типа микроструктуры после кристаллизации: происходит переход структуры от дендритной к зернистой, при этом средний размер зерна составил 32 мкм. Эксперименты по растяжению образцов из исследуемых сплавов показали, что при введении волокон базальта предел текучести составляет порядка 60 МПа для 1 масс. % и 2 масс. % волокон, что выше предела текучести исходного сплава АК9, который составляет порядка 42 МПа. Предел прочности с введением волокон базальта также возрастает до 134 МПа и 156 МПа для сплава АК9 с содержанием 1 масс. % и 2 масс. % базальтовых волокон соответственно, при прочности исходного АК9 равной 108 МПа. Относительная деформация при введении 1 масс. % базальтовых волокон изменяется несущественно: с 1,77% для исходного АК9 до 1,86%; при введении 2 масс. % базальтовых волокон предельная относительная деформация сплава АК9 возрастает до 2,41%. Увеличение предела прочности обусловлено вкладом базальтовых волокон в сопротивление разрыву. По результатам исследования микротвёрдости полученных образцов методом Виккерса выявлено, что при введении 1 масс. % базальтовых волокон, значение микротвёрдости возрастает на 21% до 82 HV относительно исходного сплава АК9 со значениями 68 HV. Введение 2 масс. % волокон привело к увеличению микротвёрдости на 35% до 92 HV относительно исходного сплава. Результаты измерения твёрдости методом Бринелля показали, что введение 1 масс. % и 2 масс. % базальта приводит к повышению твёрдости с 71 до 95-98 HB. Теоретические исследования эффекта упрочнения показывают, что упрочнение достигается за счёт нескольких одновременно реализующихся механизмов: предел текучести увеличивается благодаря различию коэффициентов термического расширения алюминиевой матрицы и базальта; показатели пластического течения за счет возникших препятствий для движения дислокаций в объеме зерна. Определены зависимости состав-структура-свойства алюминиевых сплавов, модифицированных наночастицами тугоплавких металлов. Для этого получены образцы модифицированных алюминиевых сплавов наноразмерными частицами вольфрама. В качестве исходного сплава использован алюминиевый сплав АМг5. В качестве наноразмерных частиц тугоплавких металлов использовали нанопорошок вольфрама. Образцы исходного и модифицированного сплавов получены литьем в кокиль. Кристаллизация сплавов в кокиле проходила под действием вибрации с частотой 60 Гц и амплитудой 0,5 мм на вибрационном столе. Установлено, что введение наночастиц вольфрама способствует снижению среднего размера зерна сплава АМг5 с 410 до 180 мкм. При этом определено, что структура сплавов достаточно однородная с равноосными зёрнами. В структуре сплавов присутствует пористость до 5 %. Установлено, что в сплаве, содержащем наночастицы вольфрама, присутствуют тёмные включения, которые могут состоять из вольфрама, агломерированного из-за выдавливания наночастиц фронтом кристаллизации при охлаждении и затвердевании расплава. По статистическим расчётам на основе изображений микроструктуры и данных по плотности полученных материалов, общее объёмное количество таких включений не превышает 1 %. При этом известно, что вольфрам реагирует с алюминием и возможно образование интерметаллидных соединений Al-W. Исследования механических свойств сплава АМг5/W, показали, что введение в сплав наночастиц вольфрама приводит к увеличению предела текучести, предела прочности и пластичности сплава АМг5. Введение 0,3 масс.% наночастиц вольфрама приводит к увеличению предела текучести с 53 до 78 МПа, предела прочности с 140 до 166 МПа и пластичности с 1,9 до 7,7 %. Кроме этого, введение наночастиц вольфрама приводит к увеличению твёрдости и микротвёрдости с 59 до 63 HB и с 67 до 86 HV соответственно. Теоретические оценки показали, что упрочнение сплава АМг5/W происходит за счёт механизмов, описанных Холла-Петчем, Орованом и разности коэффициентов теплового расширения (КТР) матрицы и частиц. Получены данные о влиянии на структуру, деформационное поведение и эксплуатационные свойства медицинских магниевых сплавов. Методом литья в защитной атмосфере аргона получены модифицированные наноразмерными частицами алмаза медицинские магниевые сплавы системы Mg-Ca-Zn. В качестве исходных материалов в работе использованы чистый магний (99,5%), металлический цинк и кальций, а также нанопорошок алмаза (НД), полученный методом детонационного синтеза. Лигатуры с содержанием НД получены методом ударно-волнового компактирования. Процессы литья и кристаллизации расплава сопровождалась одновременной вибрационной обработкой с применением вибростенда. В результате литья удалось добиться в отливках содержания магния около 94 масс.% во всех сплавах. При этом содержание цинка и кальция варьируется в зависимости от сплава. В исходном сплаве Mg-Ca-Zn удалось добиться 4 и 1 масс.% цинка и кальция соответственно. Литьё сплава с НД привело к увеличению содержания цинка и кальция до 4.7 и 1,3 масс.%. Ультразвуковая обработка расплава привела к угару большего количества кальция, содержание которого в сплаве снизилось до 0,46 масс.%. Зеренная структура сплава Mg-Ca-Zn без частиц состоит из равноосных зёрен с размерами изменяющимся от 50 до 300 мкм и средним значением 180 мкм. Введение НД привело к снижению среднего размера зерна до 90 мкм и более однородно НД в магниевый сплав, которые в процессе литья создают множество центров кристаллизации за счёт переохлаждения в области частиц НД. Ультразвуковая обработка расплава привела к снижению среднего размера зерна сплава Mg-Ca-Zn с 180 до 110 мкм, но их размер варьируется в широком диапазоне от 3 до 200 мкм. Исходный сплав Mg-Ca-Zn состоит из матрицы и второй фазы распределённой в межзёренных границах в виде каркаса. Введение НД позволило снизить толщину второй фазы за счёт снижения среднего размера зерна сплава в два раза, что привело к увеличению протяженности зернограничной области. В сплаве Mg-Ca-Zn без частиц после ультразвуковой обработки количество второй фазы заметно снижается, которая представляет собой отдельные включения вытянутой и глобулярной формы. В сплаве, содержащем НД, были обнаружены области, содержащие углерод, размер которых менее 1 мкм, что может свидетельствовать о наличии агломератов и отдельных частиц наноалмаза в структуре сплава. Сплав Mg-Ca-Zn с ультразвуковой обработкой состоит из магниевой матрицы и включений перенасыщенных кальцием. После испытаний на сжатие, определено, что введение НД приводит увеличению предела текучести сплава с 66 до 75 МПа, предела прочности с 294 до 332 МПа и пластичности с 22 до 27 %. Показатели твёрдости исследуемых магниевых сплавов одинаковы и равны 54 и превышают показатели чистого магния практически в два раза. Получены результаты теоретических исследований формирования дислокационной структуры (распределение плотностей дислокаций и концентраций точечных дефектов) в элементах конструкций и механизмов (цилиндрических трубах и вращающихся дисках). Создана программа для расчёта изменения параметров дефектной структуры, деформации, скорости деформации с течением времени, которая позволяет исследовать явление ползучести при разных температурах и механических напряжениях. Разработана физическая модель, описывающая ползучесть под воздействием постоянного механического напряжения дисперсно-упрочнённого материала с ГЦК-матрицей и некогерентными недеформируемыми упрочняющими частицами. В основе модели лежит концепция упрочнения и отдыха. Ползучесть обусловлена элементарными процессами пластической деформации, осуществляемыми движением сдвигообразующих дислокаций и точечных дефектов. Вместе с генерацией сдвигообразующих дислокаций развиваются элементарные процессы, обусловленные взаимодействием дислокаций с частицами и порождающие кольца Орована, призматические петли, дипольные конфигурации. Между структурными элементами в ходе деформации и последующих релаксационных процессов возможны взаимные превращения. Определено влияние тепловых напряжений и неоднородности распределения упрочняющей фазы на пластическую деформацию и напряженно-деформируемого состояния стенок трубы из дисперсно-упрочнённого сплава на основе алюминия. Разработанные методики решения задач ползучести, реализованные в виде программного обеспечения, позволяют оценить остаточный ресурс цилиндрических труб и провести параметрический анализ влияния различных факторов на их напряженно-деформированное состояние. Получено распределение напряжений, деформаций и перемещений для вращающегося упругопластического сплошного и кольцевого диска для трех моделей материала: без упрочнения, линейно изотропно упрочняющегося материала и материала, учитывающего истинную диаграмму растяжения. Разработаны теоретические основы создания дисперсно-упрочненных материалов и проведено исследование их поведения в неоднородном поле массовых сил. Рассмотрена пластическая деформация кольцевого диска в поле центробежной силы. Исследована зависимость напряженно-деформированного состояния диска от свойств материала. Получены данные о распределении напряжений, деформаций и перемещений для вращающегося упругопластического диска для трех моделей материала: без упрочнения, линейно изотропно упрочняющегося материала и материала, учитывающего истинную диаграмму растяжения. Установлено, что модели сред без упрочнения и линейно упрочняющихся сред дают заниженную оценку по сравнению с моделью нелинейно упрочняющейся среды. По результатам выполнения работ в 2021 году опубликовано 5 работ в журналах, цитируемых базами Scopus, Web of Science, из них: 2 статьи в журнале «Metals» (квартиль Q1 по Scopus), 1 статья в журнале «Russian Physics Journal» (квартиль Q3 Scopus), 1 статья в журнале «Вестник Томского государственного университета. Математика и механика», индексируемого базой Web of Science (Q4), 1 статья в сборнике «Minerals, Metals and Materials Series: Light Metals» (Scopus). Научные результаты работ представлены на пяти конференциях различного уровня: TMS Annual Meeting 2021, 15-18 марта 2021 г. (онлайн); 59-ой Международной научной студенческой конференции, 12-23 апреля 2021 г., Новосибирск; VIII Международной молодежной научной конференции, Физика. Технологии. Инновации. ФТИ-2021, 17-21 мая 2021 г., Екатеринбург; XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Перспективы развития фундаментальных наук», 27-30 апреля 2021 г., Томск; XVI Международной конференции «HEMs-2021» «Высокоэнергетические и специальные материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение», 16-18 ноября 2021 г. в рамках 7-го Международного симпозиума по энергетическим материалам и их применению ISEM–2021 совместно с Японским обществом взрывчатых веществ (Токио, Япония). Ссылка на информационные ресурсы в сети Интернет, посвященные проекту: "ТГУ презентовал новые сплавы и наноматериалы на конференции HEMs-2021 ", https://www.tsu.ru/short_news/tgu-prezentoval-novye-splavy-i-nanomaterialy-na-konferentsii-hems-2021/?sphrase_id=363917