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 07.2021 - 06.2023 

КонкурсКонкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (30)

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


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Все задачи Проекта 2018 были успешно реализованы, а именно: создана эффективная модель эволюции кристаллографической текстуры алюминиевых сплавов на этапе проработки литой структуры. Также изучены особенности формирования различных элементов микроструктуры, напрямую влияющих на процесс формирования текстуры, такие как: первичные и вторичные интерметаллидные частицы, субзерна, зеренная структура на данном этапе ТМО. Это позволяет контролировать не только непосредственно эволюцию текстуры, но и физико-механические свойства. В то же время в ходе реализации Проекта 2018 выяснилось, что исследуемая группа сплавов по особенностям формирования текстуры (а также зеренной структуры) сильно отличается от других алюминиевых сплавов. Эти особенности, с одной стороны, объясняются мелким размером субзерна, связанным как со снижением энергии дефекта упаковки, так и с наличием в твердом растворе большого количества примесных атомов магния. С другой стороны, большим количеством крупных интерметаллидных частиц. Из-за этого основными зародышами являются субзерна, формирующиеся вокруг интерметаллидных частиц. Они имеют размеры, равные непосредственно размерам частиц и значительно больше, чем другие субзерна. Поэтому преимущество к росту при рекристаллизации получают именно субзерна, возникающие на частицах и служащие зародышами бестекстурной составляющей. В результате субзерна, лежащие на высокоугловых границах, кубических полосах и полосах сдвига, практически не задействуются в ходе рекристаллизации. В результате в данных сплавах после рекристаллизации наблюдается практически полное отсутствие текстур и лишь в сплаве 5182 после некоторых режимов термомеханической обработки при проработке литой структуры возникает текстура куба. Из этого вытекают задачи, которые предполагается решать в Проекте 2021. Из-за описанных особенностей для успешного использования модели в малолегированных алюминиевые сплавах (с добавками переходных элементов) требуется её модификация. Это связано прежде всего с тем, что субзерна имеют значительно больший размер, а количество интерметаллидных частиц значительно меньше, что сразу поменяет характер протекания рекристаллизации, а следовательно особенности её моделирования. Хотя исследований проработки литой структуры для малолегированных сплавов больше, чем для высокомагниевых, сведений о процессах, происходящих там, все равно недостаточно для создания современных моделей и проектирования интеллектуальных производственных технологий. Во-первых, в Проекте 2021 предполагается исследовать и разработать модель формирования субзерна в условиях проработки литой структуры. Хотя процессы формирования субзерна, в том числе в алюминиевых сплавах, хорошо изучены как отечественными (проф В.В. Рыбиным), так и зарубежными учеными (проф Хансеном), однако в основном это изучение проводилось в условиях холодной деформации или уже с проработанной зеренной структурой. В то же время условия на начальных этапах термомеханической обработки будут существенно отличаться, прежде всего, из меньшего числа высокоугловых границ, а следовательно, меньшего количества источников новых дислокаций. Это позволит, во-первых, более точно определять движущую силу рекристаллизации, во многом определяющуюся размером и степенью сформированности субструктуры. Кроме того, это повысит точность расчета зародышей текстурных компонент, что позволит учесть влияние на них не только степени получаемой деформации, но и особенностей процесса возврата, сопровождающего рекристаллизацию. Таких моделей ранее не создавалась для данной стадии обработки алюминиевых сплавов. Во-вторых, будут разрабатываться новые принципы расчета текстур бета-фибера, позволяющие лучше учесть локальные особенности деформации каждого кристаллита. В первой части проекта были разработаны Тейлоровские модели формирования текстур с полными и неполными ограничениями, преимущество которых заключалось в возможности быстрых расчетов (а значит и применение в реальных промышленных системах). Обе модели позволяют с достаточной точностью проводить расчеты для сплавов с высоким содержанием магния. Однако для малолегированных сплавов, где роль субзерен, возникающих на таких объектах микроструктуры, как большеугловые границы, кубические полосы, полосы скольжения и в некоторых случаях полосы сдвига (роль последних на этапе проработки литой структуры не велика) играют значительно большую роль и во многих случаях превалируют над зародышеобразованием, связанным с частицами. Поэтому для увеличения точности их определения в малолегированных сплавах необходимо дополнительное развитие модели для определения таких параметров, как локальная разориентировка внутри одного кристаллита, отличие в степени деформации между кристаллитом и соседними зернами, а также макроскопическим уровнем. Для решения этой проблемы в Проекте 2021 будет создан подход, позволяющий проводить расчеты с ансамблем из 1000 кристаллитов и учитывать взаимодействия между ними. При этом выбранные методы решения будут позволять производить быстрые расчеты с качеством, превышающим другие модели, в которых используются ансамбли кристаллитов. В-третьих, будет разработан новый подход, который сможет рассчитывать ориентированный рост таких источников, как кубические полосы и полосы сдвига, что существенно повысит точность расчета текстур в алюминиевых малолегированных сплавах с содержанием железа, где эти элементы микроструктуры играют значительно большую роль, чем в высокомангиевых сплавах, исследуемых в рамках Проекта 2018 (поэтому их влиянием пренебрегали). Отметим, что новый подход к решению, а именно использование ансамбля из 1000 кристаллитов, позволит находить такие места более точно, чем другие подобные модели, оперирующие как одним, так и несколькими кристаллитами. В-четвертых, на основании полученных на предыдущем этапе проекта данных будет предложен новый способ управлением текстуры. Одним из основных способов снижения анизотропии на сегодняшний день является наложение текстуры бета-фибера на текстуру куба. Однако в указанной группе сплавов из большого количества интерметаллидных частиц и маленького размера зерна можно последовательно добиваться получения бестекстурной составляющей после каждого этапа термомеханической обработки. В проекте будут разработаны новые научно обоснованные способы получения беструктурной составляющей и максимального снижения анизотропии для указанных групп сплавов.

Ожидаемые результаты
Отметим, что большой практический интерес представляет сама группа сплавов, выбранная для научного исследования. Это малолегированные сплавы, с добавками переходных элементов. Это прежде всего сплавы с высоким содержанием железа, которое ранее считалось вредной примесью в деформированных алюминиевых сплавах и на удаление которого требовались дополнительные металлургические операции. В настоящее время оно считается перспективным легирующим элементом и при правильной обработке сплавов с его содержанием можно снизить анизотропию и повысить прочность при сохранении приемлемой пластичности. Поэтому сплавы с высоким содержанием железа типа 8011 в настоящее время востребованы отечественной промышленностью. Однако с их внедрением постоянно возникают проблемы, связанные с тем, что физические процессы, происходящие в данной системе при формировании микроструктуры в ходе ТМО, недостаточно исследованы. Кроме того, в ходе реализации проекта будет создана новая универсальная модель проработки литой структуры в малолегированных сплавах, учитывающая формование субзерна и локальные особенности деформации зеренной структуры, а также связь скалывающего напряжения с взаимодействием и торможением дислокаций. Данная модель будет востребована отечественной промышленностью, так как например в 2018 году производство плоского проката в Российской Федерации составило 377 тысяч тонн, доля его импорта составляет 31% а экспорта - 58 % от общего количества алюминиевых изделий [http://www.aluminas.ru/analytics/ (Рынок проката 2018: состояние и тенденции)]. Её практическая ценность заключается не только в том, что она позволяет контролировать эволюции текстуры, а значит и анизотропию механических свойств алюминиевых сплавов, а также зеренной структуры с самого начала ТМО. Тем самым это даст возможность управлять большим спектром функциональных свойств алюминиевых сплавов (прочность, пластичность, электропроводность), которые напрямую определяются размерами зеренной структуры. Модель будет реализована в виде программных продуктов ЭВМ, что даст возможность внедрить ее в системы управления высокопроизводительных прокатных комплексов. В ходе создания данной модели планируется провести большое количество исследований, связанных с влиянием термомеханической обработки на эволюцию различных аспектов микроструктуры (дислокации, субзерно и.т.д). Это, как уже упоминалось ранее, даст более глубокое понимание физических процессов, происходящих при ТМО данных сплавов и тем самым сделает полученные результаты востребованными при создании новых сплавов исследуемой группы и технологий их обработки. Наконец в работе запланирована разработка нового научно-обоснованного подхода снижения анизотропии в сплавах с высоким содержанием магния на основе полученных в Проекте 2018 данных и моделей. В настоящее время подобные сплавы осваиваются большим количеством машиностроительных и аэрокосмических предприятий. Поэтому технологии, позволяющие добиваться снижения анизотропии и управления размерами зерна, также весьма актуальны для данных сплавов. Поэтому полученные результаты могут быть востребованы целым рядом предприятий и организаций, связанных с созданием новых алюминиевых сплавов, проектированием и реализацией технологий и ТМО, такими как: ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей", ВИАМ, ВИЛС, НИТУ МИСИС, ИМЕТ РАН. Так ОАО «KУМЗ», АО «АРКОНИК СМЗ», группы заводов компании «РУСАЛ». ОАО НПК «Иркут», ЗАО «Авиастар-СП», ОАО «Авиакор – авиационный завод», АО «РКЦ «Прогресс».


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На данном этапе выполнения работ были проведены комплексные исследования по изучению процессов, сопровождающих формирование текстуры и структуры при проработки малолегированных алюминиевых сплавов легированных железом. Для исследования данных сплавов были проведены комплексные исследования того как термомеханическое воздействие влияет на кинетику рекристаллизации, текстуру, зеренную структуру и субструктуру. Кроме того, было проведено моделирование формирование зеренной структуры и текстуры, а также особенностей зародышей при рекристаллизации при получении литой структуры в сплавах с высоким содержанием магния. Кроме того был развит подход к моделированию текстур деформации с помощью задания больших ансамблей порядка 1000 кристаллитов. В ходе исследования были определены коэффициенты для аналитического уравнения типа Джонсона-Мэла-Аврами-Колмогорова, характеризующие кинетику рекристаллизации алюминия марки А0 алюминиевых сплавов 8011 и 8006 при проработке из литого состояния. Данные коэффициенты следует применять в следующем диапазоне режимов горячей деформации: температура 300÷500 0 C; степень деформации e≈0,6; скорость деформации 3 ÷ 8 с-1. Образцы из алюминия показали более высокую скорость рекристаллизации, чем образцы из сплавов 8011 и 8006. Это можно объяснить присутствием дисперсоидов в сплавах, которые сдерживают процесс рекристаллизации. Количество дисперсоидов в сплаве 8006 оказалось достаточном для полной блокировки процесса рекристаллизации при параметре Z<16. Исходя из полученных данных можно сделать заключение, что процесс рекристаллизации в случае деформации литой структуры с малыми степенями деформации (e≤0,6) обладает двумя основными особенностями по сравнению с более поздними стадиями горячей обработки, а именно, значительным влиянием степени деформации на кинетику процесса, и пониженным влиянием показателя Зинера-Холломона. Кроме того установлено, что количество мелкодисперсных частиц во многом определяет, то насколько сильно степень деформации влияет на кинетику рекристаллизации на данном этапе термомеханической обработки. Чем больше частиц, тем больше внутренней энергии, а следовательно деформации нужно для начала процесса рекристаллизации. При формировании субструктуры в малолегированных сплавах на мезоуровне при логарифмической деформации 0,15 наблюдаются лишь отдельные крупные незамкнутые субзерна, например, сама зеренная структура является дендритной. При повышении степени деформации до 0,3 субструктура начинает измельчаться, а границы субзерен становятся более замкнутые. В целом сохраняется дендритная зеренная структура. При повышении степени деформации до 0,6 наблюдаются замкнутые, но крупные субзерна, а зерна начинают вытягиваться в направлении деформации. Уменьшение размера субзерен и увеличении степени замкнутости их границ объясняется постепенным накоплением дислокации, связанным в том числе с площадью зернёных границ, являющихся основными их источниками. Отметим, что по сравнению с алюминиевыми магниевыми сплавами с такой же степенью деформации субструктура имеет больший размер и формируется значительно позже. Увеличение параметра Зинера-Холломона, так же ведет к измельчению субзеренной структуры, однако данный эффект проявляется слабее чем в алюминиевых сплавах с высоким содержанием магния. Снижение степени деформации наряду со снижением показателя Зинера-Холломона (Z) приводит к замедлению процесса рекристаллизации. При степени деформации e=0,15, процессы рекристаллизации полностью отсутствуют. При изучении эволюции субструктуры установлено, что в алюминиевых малолегированных сплавах с добавками железа, как и в большинстве алюминиевых сплавах в литом состоянии какая-либо выраженная текстура на макроуровне во всех сплавах отсутствует. Такая же картина наблюдается и при степени логарифмической деформации 0,15. Однако при увеличении обжатия до 0,3 начинают появляться небольшие фрагменты текстуры деформации, выраженные в основном близкими к Cu компонентам, расположенным в сечениях фи2 = 20; 30; 40; отметим. При достижении степени деформации 0,6 начинает появляться ярко выраженные текстуры. При этом в сплаве А0 основным типом текстуры является Cu и близкие к ней текстурные компоненты. В то время как в наиболее легированном сплаве 8006 появляется текстура S и текстура латуни. Такое различие объясняется тем, что легирование снижает дефект упаковки, а также повышает уровень кристаллографического упрочнения, что задействует дополнительные системы скольжения особенно Bs. Хотя отличия не такие сильные как при добавлении в алюминий магния. Исследование режимов термомеханической обработки, сплавов с помощью моделирования показало, что в сплаве 1565 ч при проработке литой структуры процесс рекристаллизации не протекает, если не достигается достаточно высоких значений параметра Зинера-Холломона. Моделирование показывает, что происходит вытягивание дендритной литой структуры в направлении прокатки и формирование текстуры β-фибера в которой преимущественную роль играет Bs ориентировка. Моделирование показывает, что по мере увеличения параметра Зинера-Холломона основным механизмом зародышеобразования при рекристаллизации будет PSN механизм и при достаточно высоких параметрах Зинера-Холломона и времени рекристаллизация возможно её полное протекание. Разработан новый метод моделирования формирования текстуры деформации на основе разбиения области решения на домены каждый из которых состоит из ансамбля порядка 1000 кристаллитов. Алгоритм расчета разработанной модели основан на определении траектории деформации для домена, содержащего данный ансамбль, с помощью метода конечных элементов. После определения траектории деформации, алгоритм модели предусматривает разбиение на шаги по времени и, исходя из этого, задание граничные условий для домена, включающего ансамбль кристаллитов. Разработанная в проекте модель также позволяет решить задачу о деформации домена, при этом каждом кристаллиту соответствует один или несколько конечных элементов. Реализованная в модели схема расчета пластической деформация внутри домена основана на представлениях о системах скольжения и поэтому при вычислении, помимо пластической деформации, определяется величина поворота кристаллической решетки, т.е. формирование текстуры в том числе внутри зерен.

 

Публикации

1. Арышенский В.Ю., Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Яшин В.В., Комаров В.С., Беглов Э.Д. Способ достижения минимальной фестонистости при прокатке полос из алюминиевого сплава -, 2021128172 (год публикации - ).

2. Арышенский Е.В., Коновалов С.В. Разработка новой тейлоровской модели с неполными ограничениями и учетом сложных законов упрочнения для эволюции текстуры при горячей деформации алюминиевых сплавов ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ, №3, Том 18, с. 281-288 (год публикации - 2021).

3. Арышенский Е.В., Коновалов С.В. Особенности формирования кристаллографической текстуры в алюминиевых сплавах с высоким содержанием магния на этапе проработки литой структуры ИЗВЕСТИЯ ЮГО-ЗАПАДНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ: ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №3, Том 11, с. 28-45 (год публикации - 2021).

4. Арышенский Е.В., Коновалов С.В. Механизмы и закономерности формирования текстуры и свойств в перспективных алюминиевых сплавах при рекристаллизации в процессах термомеханической обработки Труды XXII Международной научно-практической конференции Металлургия: Технологии, Инновации, Качество "Металлургия – 2021", Часть 1, с. 225-232 (год публикации - 2021).

5. Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Латушкин И.А., Лапшов М.А. Изучение эволюции кристаллографической текстуры при вытяжке низколегированного алюминиевого сплава Цветные Металлы, - (год публикации - 2022).

6. Арышенский Е.В., Хирш Ю., Дрич А.М., Коновалов С.В,, Арышенский В.Ю., Тептерев М.С. Texture Development in Aluminum Alloys with High Magnesium Content Metals, №. 5, Т. 12. С. 723. (год публикации - 2022).

7. Яшин В.В., Арышенский Е.В., Коновалов С.В., Арышенский В.Ю., Латушкин И.А. Изучение кинетики рекристаллизации алюминиевого сплава а0 с низкой степенью проработки литой структуры Труды XXII Международной научно-практической конференции Металлургия: Технологии, Инновации, Качество "Металлургия – 2021", Часть 1, с. 212-216 (год публикации - 2021).