Разработка моделей для описания распространяющихся фронтов фазовых и химических превращений во взаимосвязи с процессами деформирования и разрушения элементов конструкций в микроинженерных приложениях

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 проекта 19-19-00552

НазваниеРазработка моделей для описания распространяющихся фронтов фазовых и химических превращений во взаимосвязи с процессами деформирования и разрушения элементов конструкций в микроинженерных приложениях

Руководитель Фрейдин Александр Борисович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова механохимия, фазовые переходы, фронты превращения, тензор химического сродства, диффузия, внутренние напряжения, окисление, интерметаллические соединения, припои, устойчивость, процесс-зона, микротрещины, разрушение

Код ГРНТИ30.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект нацелен на разработку моделей для описания взаимосвязей напряженно-деформированного состояния и распространения фронтов фазовых и химических превращений в микроструктурах, используемых в инженерных приложениях, причем акценты делаются как на разработку общих методик для количественных расчетов распространяющихся фронтов фазовых и химических превращений, так и на их применение для анализа физико-химических процессов в конкретных материалах и технологических процессах. Установление взаимосвязей между фазовыми или химическими превращениями, напряженно-деформированным состоянием и разрушением относится к проблемам, имеющих фундаментальное значение и находящимся на стыке фундаментальной науки и инженерных приложений, а также имеющим важную экологическую составляющую. Особую актуальность эти проблемы приобрели в последние десятилетия в связи с расширяющимся использованием микроразмерных конструкционных элементов микросистемной техники и ужесточением требований к прогнозированию времени жизни элементов конструкций в условиях термомеханических и химических воздействий. Понимание этих взаимосвязей, детальный учет различных факторов важны как для объяснения механизмов превращений и контроля их кинетики, так и для разработки стратегии защиты от нежелательных последствий этих превращений – как эксплуатационных, так и экологических. Например, непредвиденным следствием экологически мотивированного использования бессвинцовых припоев явилось возникновение хрупких интерметаллических соединений, приводящее к снижению надежности паяных соединений. Однако, существующие представления о росте интерметаллидов в основном базируются на экспериментальных наблюдениях. Проект предложит модель роста интерметаллидов, что, в свою очередь, позволит оценить долговечность соединения в интегральных микросхемах при эксплуатационных термомеханических воздействиях. Другой реакцией, важной для микроэлектроники и микро-электромеханических систем (МЕМС), является реакция окисления кремния. Поскольку реакция окисления кремния сопровождается большими деформациями превращения, которые в свою очередь порождают внутренние механические напряжения, становится важным понимание и количественный прогноз влияния напряженно-деформированного состояния на кинетику реакции окисления. Современные тенденции создания не только миниатюрных, но и все более быстродействующих приборов подразумевает также необходимость глубокого изучения динамических свойств материалов, в которых в результате превращений формируются мелкомасштабные структуры, состояния которых могут быть далеки от равновесных, а свойства могут качественно отличаться от макроскопических свойств. Это делает актуальным разработку общих методик для количественных расчетов динамики границ таких структур. При этом становится важным тонкий учет взаимодействия фронтов превращений с увлекаемыми ими подвижными дефектами или примесями и сопутствующих тепловых эффектов. Кроме того, порождаемые превращениями неоднородные поля напряжений могут приводить к образованию микротрещин, что делает актуальным моделирование распространения связанных комплексов фронт превращения-сетка микротрещин. В задачи настоящего проекта входят • Разработка моделей для исследования влияния термомеханических воздействий на кинетику химических реакций в деформируемых телах применительно к химическим реакциям типа реакции окисления кремния и к реакциям, протекающим при формировании интерметаллических соединений в экологически предпочтительных бессвинцовых припоях. • Расчеты динамики межфазных границ с учетом механических напряжений, скрытой теплоты превращения и взаимодействия с подвижными примесями. • Развитие концепции процесс-зоны в окрестности вершины трещины как области новой фазы и исследования эффектов трансформационного упрочнения в результате фазовых превращений, индуцированных трещиной. • Исследования устойчивости фронтов фазовых и химических превращений и потери устойчивости этих фронтов как причины разрушения элементов конструкций. • Разработка алгоритмов и процедур для численной симуляции распространения фронтов фазовых и химических превращений во взаимосвязи с напряженно-деформированным состоянием и процессами разрушения в однородных и гетерогенных средах. Компетенции команды исполнителей позволят объединить подходы, развиваемые механиками и физиками. Подходы к решению задач проекта основаны на оригинальных концепциях, разрабатываемых исполнителями проекта. При описании фронтов химических реакций будет использована концепция тензора химического сродства, выражение которого было недавно получено и апробировано исполнителями проекта. Тензорность химического сродства связана с тем, что в деформируемом материале имеет значение ориентации площадки, на которой происходит реакция. Ранее на тензорность химического сродства указывалось в работах академика А.И. Русанова. При описании фазовых границ будут использованы подходы механики конфигурационных сил, основанные на тензоре энергии-импульса Эшелби. Эти подходы будут сочетаться с фазово-полевыми моделями диффузных границ конечной толщины. Такие модели позволяют рассчитывать вклады нелинейных по скорости вязких сил трения, обусловленных диссипацией энергии внутри границ и будут использованы как для описания распространения межфазных фронтов и зон химических реакций, так и для описания развития процесс-зон трещин. Теоретические подходы будут дополнены численными симуляциями. Верификация теоретических моделей и численных алгоритмов будет проводиться на основе сравнения численных решений с аналитическими зависимостями, экспериментальными данными, имеющимися в литературе, а также результатами экспериментальных исследований формирования интерметаллидов, уже проводимых совместно с коллегами из Берлинского технического университета (TU Berlin) и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Предлагаемые проектом подходы, постановки, как и ожидаемые результаты, являются новыми и передовыми.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чеврычкина А.А., Бессонов Н.М., Корженевский А.Л. Нелинейная динамика формирования периодической сверхструктуры примесных полос при быстрой направленной кристаллизации бинарных сплавов Физика твердого тела, том 61, вып.11, с. 2122-2129 (год публикации - 2019)
10.21883/FTT.2019.11.48417.528

2. Чеврычкина А.А., Бессонов Н.М., Корженевский А.Л., Александров Д.В. Transient dynamics of solute bands in dilute binary alloys. European Physical Journal (год публикации - 2020)

3. Полуэктов М., Фрейдин А.Б., Фигель Л. Micromechanical modelling of mechanochemical processes in heterogeneous materials Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, V. 27, N. 7, 084005 (год публикации - 2019)
10.1088/1361-651X/ab3b3a

4. Морозов А.В., Фрейдин А.Б., Мюллер В. Устойчивость фронтов химических превращений вблизи состояния блокирования Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика, №3, с. 58-64 (год публикации - 2019)
10.15593/perm.mech/2019.3.06

5. Шарипова Л.Л., Фрейдин А.Б. Равновесные двухфазные и оптимальные композитные микроструктуры XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник трудов в 4 томах.Т. 3: Механика деформируемого твердого тела.—Уфа: РИЦ БашГУ, 2019, Т.3, с. 1138-1140 (год публикации - 2019)
10.22226/2410-3535-2019-congress-v3

6. Морозов А.В., Клинков В.А., Семенча А.В., Фрейдин А.Б., Мюллер В. Моделирование кинетики роста интерметаллидов меди и олова при температурном нагружении XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник трудов в 4 томах.Т. 3: Механика деформируемого твердого тела.—Уфа: РИЦ БашГУ, 2019, Т.3, С.1106-1108 (год публикации - 2019)
10.22226/2410-3535-2019-congress-v3

7. Балбич А., Корженевский А.Л. Morphological transformation of the process zone at the tip of a propagating crack. II. Geometrical parameters of the process zone Physical review. E, V. 101, Iss. 3, p.033004 (год публикации - 2020)
10.1103/PhysRevE.101.033004

8. Чеврычкина А.А., Бессонов Н.М., Корженевский А.Л. Формирование регулярных слоистых структур при твердотельных фазовых переходах с изменением концентрации Физика твердого тела, Т. 62, Вып.8, с. 1244-1251 (год публикации - 2020)
10.21883/FTT.2020.08.49609.074

9. Чеврычкина А.А., Корженевский А.Л. Управление примесной микроструктурой, сформированной при неравновесном фазовом переходе в разбавленном трехкомпонентном сплаве Физика твердого тела, Т. 62, Вып. 12, с. 2101-2109 (год публикации - 2020)
10.21883/FTT.2020.12.50214.143

10. Фрейдин А.Б., Шарипова Л.Л., Черкаев А.В. On equilibrium two-phase microstructures at plane strain Acta Mechanica (год публикации - 2020)
10.1007/s00707-020-02905-2

11. Морозов А., Фрейдин А.Б., Клинков В.А., Семенча А.В., Мюллер В., Хок Т. Experimental and Theoretical Studies of Cu-Sn Intermetallic Phase Growth During High-Temperature Storage of Eutectic SnAg Interconnects Journal of Electronic Materials, V. 49, p. 7194-7210 (год публикации - 2020)
10.1007/s11664-020-08433-y

12. Измайлова Я.О., Фрейдин А.Б. О моделировании поверхностного роста твердых тел под действием напряжений Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика (год публикации - 2020)
10.15593/perm.mech/2020.4.09

13. Штегман В.О., Морозов А.В., Фрейдин А.Б., Мюллер В.Х. On stress-affected kinetics of intermetallic compound growth in the presence of electromigration Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика (год публикации - 2020)
10.15593/perm.mech/2020.4.01

14. Штегман В.О., Морозов А.В., Фрейдин А.Б., Мюллер В.Х. Моделирование роста интерметаллида меди и олова с учетом влияния электромиграции и напряжений Тезисы XXIX конференции "Математическое моделирование в естественных науках". Пермь. 2020 (год публикации - 2020)

15. Морозов А.В., Фрейдин А.Б., Мюллер В.Х., Полуэктов М. Coupled problems of mechanochemistry: statements and solutions Thesis of The International Summer School-Conference “Advanced Problems in Mechanics — 2020”. St. Petersburg. IPME. 2020 (год публикации - 2020)

16. Фрейдин А.Б. Постановка и решение связанных задач механохимии в механике деформируемых тел Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2020 (3−13 сентября 2020 г., Сочи, «Буревестник» МГУ): Тезисы докладов. – М.: Издательство Московского университета, 2020., с. 21 (год публикации - 2020)

17. Петренко С., Фрейдин А.Б., Чаркалюк Э. On chemical reaction planar fronts in an elastic-viscoelastic mechanical framework Continuum Mechanics and Thermodynamics, Online (год публикации - 2021)
10.1007/s00161-021-01051-x

18. Фрейдин А.Б., Королев И.К., Алещенко С.П. FEM-simulations of a chemical reaction front propagation in an elastic solid with a cylindrical hole Advanced Structured Materials (год публикации - 2022)

19. Чеврычкина А.А., Корженевский А.Л. Влияние процессов микросегрегации на формирование периодических примесных сверхструктур в бинарных сплавах Физика твердого тела, Том 63, Вып 10, с. 1598-1604 (год публикации - 2021)
10.21883/FTT.2021.10.51411.094

20. Чеврычкина А.А., Бессонов Н.М., Корженевский А.Л. Расчет динамики границы аморфная фаза-кристалл при твердофазной взрывной кристаллизации Физика твердого тела, Том 63, № 11, С. 1927-1933 (год публикации - 2021)
10.21883/FTT.2021.11.51599.162

21. Морозов А., Фрейдин А.Б., Клинков В., Семенча А., Миллер В.Х. Theoretical and experimental studies of Cu-Sn intermetallic growth duribg high temperature storage test 25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics. August 22-27, 2021. Book of Abstracts, 2002-2003 (год публикации - 2021)

22. Фрейдин А.Б., Морозов А., Мюллер В.Х., Полуэктов М., Королев И.К. Propagation and stability of stress-affected chemical reaction front in solids 25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics. August 22-27, 2021. Book of Abstracts, 2016-2017 (год публикации - 2021)

23. Измайлова Я. О., Фрейдин А. Б. Моделирование поверхностного роста в пористом теле Математическое моделирование и биомеханика в современном университете : тезисы докладов XV Всероссийской школы, (с. Дивноморское, 26 мая — 31 мая 2021 г.), 66 (год публикации - 2021)

24. Королев И. К., Морозов А. В., Мюллер В. Х., Полуэктов M., Фрейдин А. Б. Распространение и устойчивость фронтов химических реакций в деформируемых телах Математическое моделирование и биомеханика в современном университете : тезисы докладов XV Всероссийской школы, (с. Дивноморское, 26 мая — 31 мая 2021 г.), 83 (год публикации - 2021)

25. Фрейдин А.Б., Морозов А.В., Мюллер В.Х., Королев И.К., Полуэктов М. Распространение и устойчивость фронтов химических реакций в деформируемых телах 27-ая Международная конференция по численным методам решения задач теории упругости и пластичности. Красноярск. 5-9 июля 2021г. Тезисы докладов., 1 (год публикации - 2021)

26. Чеврычкина А.А., Корженевский А.Л. Analytical study of self-oscillatory pattern-forming crystal growth in two-parabola model European Physical Journal: Special Topics (год публикации - 2022)

Публикации