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 22-21-00056
НазваниеМеханизмы прочности и трещиностойкости нанокристаллических металлических сплавов с зернограничными сегрегациями
РуководительШейнерман Александр Григорьевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук, г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах, 01-305 - Разрушение деформируемых тел, кинетика и динамика
Ключевые словаграницы зерен, нанокристаллические сплавы, сегрегации, прочность, пластичность, разрушение
Код ГРНТИ30.19.57
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Высокопрочные металлические материалы имеют высокую значимость для широкого круга технологий и отраслей промышленности, таких как машиностроение, авиа- и автомобилестроение, электротехника, медицина и энергетика. Одним из классов новых высокопрочных материалов являются нанокристаллические металлические сплавы. Малый размер зерна таких материалов определяет их высокую прочность. В отличие от крупнозернистых материалов, где процессы пластической деформации осуществляются в основном за счет движения дислокаций внутри зерен, в ультрамелкозернистых и нанокристаллических материалах первостепенное влияние на процессы пластической деформации и прочность оказывает структура и состав границ зерен. В частности, большое влияние на механические свойства нанокристаллических сплавов оказывают зернограничные сегрегации легирующих элементов. Хотя такие сегрегации при определенных условиях могут приводить к охрупчиванию нанокристаллических сплавов, они могут стабилизировать такие сплавы, препятствуя росту зерен, а также приводить к росту предела прочности или увеличению пластичности. Примерами этого служат нанокристаллические стали (J.G. Kim, et al., Sci. Rep. 8 (2018) 11200), нанокристаллические сплавы на основе серебра с ансамблями ростовых двойников (X. Ke et al., Nature Mater. 18 (2019) 1207) и нанокристаллические сплавы Ni-Mo (J. Hu, et al., Science 355 (2017) 1292) с рекордными значениями предела прочности и твердости.
Наряду с прочностью и твердостью зернограничные сегрегации в нанокристаллических сплавах влияют на трещиностойкость таких сплавов. Хотя зернограничные сегрегации могут уменьшать трещиностойкость нанокристаллических сплавов, недавние эксперименты (N.M. Heckman et al., Nanoscale 10 (2018) 21231) с нанокристаллическими сплавами Pt-Au, содержащими зернограничные сегрегации золота, продемонстрировали противоположную возможность увеличения трещиностойкости и пластичности таких сплавов за счет образования сегрегаций.
При этом экспериментальные данные о влиянии параметров сегрегаций (их концентрации, характерных размеров, пространственного расположения и т.д.) на прочность и трещиностойкость нанокристаллических сплавов весьма противоречивы. В связи с этим исследование влияния сегрегаций на механизмы упрочнения и трещиностойкости нанокристаллических сплавов приобретает не только научную, но и существенную практическую значимость.
Настоящий проект направлен на выявление роли сегрегаций легирующих элементов в границах зерен на прочность и трещиностойкость нанокристаллических металлических сплавов. В рамках проекта предполагается выявить механизмы прочности и трещиностойкости нанокристаллических металлических сплавов с зернограничными сегрегациями, а также рассчитать параметры структуры таких сплавов (размеры зерен, размеры и объемную долю сегрегаций, характерную концентрацию атомов в них), при которых такие сплавы будут иметь максимальную прочность и трещиностойкость.
Научная новизна проекта заключается в разработке моделей, описывающих влияние зернограничных сегрегаций на прочность и трещиностойкость нанокристаллических сплавов, и в расчете оптимальных параметров структуры, при которых высокая прочность этих композитов может сочетаться с достаточно хорошей трещиностойкостью.
Предложенные в проекте исследования в области моделирования процессов деформации и разрушения нанокристаллических сплавов, несомненно, актуальны, поскольку направлены на решение таких фундаментальных задач, как выяснение новых механизмов упрочнения и трещиностойкости, характерных только для нанокристаллических сплавов. Планируемые исследования могут служить научной основой для разработки прочных, износостойких и устойчивых к коррозии покрытий для приложений в двигателестроении и авиастроении, а также высокопрочных термостойких наноструктурных сплавов для использования в электронике (в частности, в электрических контактах) в широком интервале температур эксплуатации.
Ожидаемые результаты
Ожидаемые научные результаты проекта включают:
1) теоретическую модель, описывающую влияние пространственно неоднородных зернограничных сегрегаций на процессы зернограничного проскальзывания в нанокристаллических сплавах, на основе которой будут выявлены параметры сегрегаций, при которых такие сплавы будут иметь максимальную прочность;
2) теоретические и конечно-элементные модели роста трещин в нанокристаллических металлических сплавах с зернограничными сегрегациями, на основе которых будут выявлены параметры сегрегаций, при которых такие сплавы будут иметь максимальную трещиностойкость.
Предполагаемые результаты проекта соответствуют передовому мировому уровню исследований. Их значимость для развития исследований механического поведения нанокристаллических сплавов определяется выявлением взаимосвязей между структурой и составом границ зерен в таких сплавах, механизмами пластической деформации и разрушения этих сплавов и их механическими свойствами. Возможность практического использования ожидаемых результатов проекта обусловлена созданием высокопрочных, износостойких и устойчивых к коррозии покрытий для приложений в двигателестроении и авиастроении, а также высокопрочных термостойких наноструктурных сплавов для использования в электротехнике в широком интервале температур эксплуатации.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Предложена модель, описывающая упрочнение нанокристаллических металлических сплавов за счет неоднородных сегрегаций по границам зерен. Рассмотрены два режима пластической деформации нанокристаллических металлических сплавов: межзеренное скольжение, реализуемое за счет движения дислокаций по границам зерен, и скольжение решеточных дислокаций через внутренние области зерен. На примере алюминиевого сплава 1570 показано что при межзеренном скольжении, имеющем место в нанокристаллических сплавах с наиболее мелкими зернами, зернограничные сегрегации вызывают лишь умеренное упрочнение. Показано, что в этом случае вклад сегрегаций в предел текучести растет с увеличением радиуса сегрегации и/или уменьшением размера зерна.
Рассчитан вклад зернограничных сегрегаций в предел текучести в ситуации, когда пластическая деформация реализуется путем движения решеточных дислокаций через внутренние области зерен от одной границы зерен к другой. На примере алюминиевого сплава 1570 продемонстрировано, что вклад зернограничных сегрегаций в предел текучести увеличивается с уменьшением размера зерна и/или увеличением размера сегрегаций аналогично рассмотренному выше случаю, когда пластическая деформация осуществляется путем межзеренного скольжения. Показано, что при одинаковых значениях размера зерен и радиуса сегрегаций вклад сегрегаций в предел текучести значительно больше в случае, когда пластическая деформация идет за счет скольжения решеточных дислокаций, чем в ситуации, когда пластическая деформация реализуется за счет межзеренного скольжения. Сделан вывод о том, что кластерные сегрегации более эффективно препятствуют скольжению решеточных дислокаций через внутренние области зерен, чем межзеренному скольжению. Выявлено, что кластерные сегрегации малоэффективны для упрочнения нанокристаллических металлических сплавов с наиболее мелкими зернами, где наличие обратной зависимости Холла–Петча, связанной с межзеренным скольжением, может приводить к разупрочнению. Показано, что кластерные сегрегации должны быть очень эффективными для упрочнения нанокристаллических металлических сплавов с более крупными зернами, которые деформируются за счет скольжения решеточных дислокаций через внутренние области зерен.
Публикации
1. Шейнерман А.Г. Strengthening of nanocrystalline alloys by grain boundary segregations Materials Physics and Mechanics, т. 50, вып. 2, стр. 193-199 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18149/MPM.5022022_1
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Предложена двумерная теоретическая модель, описывающая влияние зернограничных сегрегаций на вязкость разрушения нанокристаллических сплавов. В рамках модели в части границ зерен (ГЗ) случайным образом образуются сегрегации примесных атомов, которые располагаются вдоль всей длины таких границ и приводят к существенному уменьшению их эффективной поверхностной энергии. Рассмотрены два механизма искривления трещины, связанные с наличием хрупких ГЗ с сегрегациями, – шероховатость поверхности вдали от вершины трещины и ее отклонение от макроскопического направления роста в ГЗ непосредственно возле вершины трещины – и рассчитан вклад обоих механизмов в увеличение вязкости разрушения. Показано, что значение вязкости разрушения увеличивается с увеличением доли ГЗ с сегрегациями от 0 до 50% и/или увеличением хрупкости таких границ. Это означает, что максимальная вязкость разрушения может быть достигнута, когда ГЗ с сегрегациями очень хрупкие. При этом доля ГЗ с сегрегациями должна быть достаточно велика, но не должна превышать значений, при которых такие хрупкие границы образуют кластеры, приводящие к катастрофическому разрушению. В этом случае увеличенная шероховатость поверхности трещины в результате наличия ГЗ с сегрегациями может повысить вязкость разрушения до 13%.
Рассмотрено также влияние сегрегаций на увеличение вязкости разрушения в результате отклонения трещины вблизи ее вершины от макроскопического направления роста трещины. Показано, что такой механизм может увеличивать вязкость разрушения, если отношение эффективной поверхностной энергии ГЗ с сегрегациями к эффективной поверхностной энергии ГЗ без сегрегаций меньше 0,5, причем вязкость разрушения растет с уменьшением этого отношения. Продемонстрировано, что максимальное увеличение вязкости разрушения по этому механизму может достигать примерно 20%. Показано, что суммарный вклад обоих механизмов, связанных с более сильным изгибом трещины при наличии зернограничных сегрегаций, в увеличение вязкости разрушения может достигать 30-35%. Показано, что заметное увеличение вязкости разрушения может быть достигнуто, если сегрегации очень хрупкие и занимают умеренную долю ГЗ. Результаты модели коррелируют с экспериментальными наблюдениями сплавов Pt-Au, где сегрегации золота в ГЗ приводили к повышению трещиностойкости.
Проведено конечно-элементное моделирование влияния образования вторичных трещин на вязкость разрушения нанокристаллических сплавов с зернограничными сегрегациями. Показано, что вязкость разрушения растет с ростом доли ГЗ с сегрегациями от 0 до 50% и при доле ГЗ с сегрегациями 50% увеличение вязкости разрушения за счет образования вторичных трещин составляет 9%.
Публикации
1. А.Г. Шейнерман, Р.Э. Шевчук Toughening of nanocrystalline alloys due to grain boundary segregations: Finite element modeling Механика и Физика Материалов, - (год публикации - 2024)
2. Шейнерман А.Г. Modeling the Effect of Grain Boundary Segregations on the Fracture Toughness of Nanocrystalline and Ultrafine-Grained Alloys Metals, Metals, vol. 13, article 1295 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/met13071295
Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы в качестве научной основы для создания новых высокопрочных функциональных материалов (магнитных материалов, материалов для микроэлектромеханических систем) для различных отраслей промышленности.