Разработка и исследование высокопрочных и пластичных сплавов на основе меди с эффектом памяти формы

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 22-72-00056

НазваниеРазработка и исследование высокопрочных и пластичных сплавов на основе меди с эффектом памяти формы

Руководитель Свирид Алексей Эдуардович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые слова Медные сплавы, высокотемпературная термомеханическая обработка, закалка, термоупругое мартенситное превращение, мегапластическая деформация, ультрамелкозернистая структура, наноструктура, эффект памяти формы, физические и механические свойства, прочность, пластичность

Код ГРНТИ29.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ключевой особенностью сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ) является уникальная способность полностью возвращать большую накопленную деформацию (и восстанавливать форму) или ее демпфировать однократно или многократно циклически за счет термоупругих мартенситных превращений (ТМП), в том числе, в условиях внешнего силового противодействия. При этом конструктивный элемент из сплава с ЭПФ способен совершать полезную работу за счет подвода некоторого даже незначительного количества теплоты, в том числе при нагреве на несколько единиц или десятков градусов, при пропускании электрического тока, под действием света, других источников электромагнитного излучения или магнитного поля, иначе говоря превращать тепловую, электрическую или магнитную энергию в механическую работу или, напротив, работу в электроэнергию. Важно, что широкий диапазон температур ТМП, изменяемый концентрацией Al в сплавах системы Сu-Al-Ni-(B), позволяет применять эти сплавы в самых различных сферах техники, подбирая химический состав и способ обработки в зависимости от условий эксплуатации и требуемого интервала температур для реализации ЭПФ. Например, элементы различных конструкций, подвергаемые циклическим силовым воздействиям, должны отвечать требованиям как по прочности и пластичности, так и обладать эффектом динамического или статического демпфирования и коррозионной стойкости. Такие требования, как правило, предъявляются демпферным пружинам в автомобилестроении, инерционным демпферам для высотных зданий и мостов и т.д. Работа механических приводов (актюаторов) при одноцикловом исполнении «мартенситного» преобразования энергии обеспечивается относительно просто при однократном действии ЭПФ. В случае многоциклового исполнения по разным схемам и вариантам, предъявляются еще более жесткие требования к материалам и конкретным конструктивным элементам или устройствам, которые должны испытывать многократные высокообратимые с температурой или прикладываемой нагрузкой ЭПФ. Механические исполнительные элементы из сплавов с ЭПФ могут действовать как собственно приводы (актюаторы) так и в цифровых системах управления, как высокочувствительные информационно-аналитические датчики (сенсоры). Важно, что различные многообразные конкретные решения, включающие многие запатентованные варианты, предусматривают прямое применение таких сплавов с определенными температурными, деформационными и силовыми параметрами ЭПФ в качестве интеллектуальных тепло-, электро- или магнито-механических систем (устройств, приборов) особого нового класса, в том числе микро- или наноразмерных (МЭМС, НЭМС), основанных не на известных электропроводящих или полупроводниковых материалах, а на ЭПФ и ЭСУ. По мнению ведущих мировых экспертов чрезвычайно высока актуальность этих так называемых активных или интеллектуальных полифункциональных и одновременно конструкционных материалов, их перспективность для широкого использования в разных отраслях науки и экономики. Однако, практически все разработанные к настоящему времени атомноупорядоченные легированные интерметаллические узкогистерезисные сплавы с ЭПФ (и в том числе сплавы меди) не обладают требуемым комплексом физико-механических, химических и эксплуатационных характеристик, прежде всего достаточной пластичностью и термостабильностью, и не могут пока применяться на практике. Исключение составляет небольшая группа бинарных и малолегированных сплавов на основе никелида титана. Но помимо высокой стоимости производства дпнных сплавов, особенно объемных полуфабрикатов, указанные сплавы никелида титана с рекордными физико-механическими свойствами и характеристиками ЭПФ также имеют свои неблагоприятные ограничения (прежде всего, по химическому составу в пределах 49,5-50,5 процентов по никелю, по температуре реализации ЭПФ, меньше 100 град. Цельсия, и сильной температурной зависимостью от концентрации). Для различных сплавов, в том числе и для малоизученных сплавов на медной основе, способных испытывать ТМП и обусловленные ими ЭПФ (как бинарных и тройных, так и дополнительно легированных разными химическими элементами), характерны разнообразные предмартенситные эффекты. Так, особенностью медных сплавов является высокая анизотропия их упругих модулей вследствие преимущественного размягчения модуля С′. Другой важной особенностью при практическом применении медных сплавов с ЭПФ, как и многих других, является наличие в них не только ТМП, но и предшествующих или одновременно происходящих диффузионно-контролируемых процессов атомного упорядочения и распада твердых растворов (в том числе эвтектоидного распада в сплавах на основе Cu-Al-Ni). Это наряду с упрочнением может оказывать серьезное негативное или, напротив, положительное влияние на физико-механические свойства данных сплавов. Наконец, в сплавах на медной основе в процессе затвердевания происходят химическая ликвация и заметный рост зерен до очень больших размеров, составляющих миллиметры. Вместе с тем, существуют принципиально новые подходы для радикального улучшения комплекса эксплуатационных характеристик (и прежде всего пластичности) медных сплавов с ЭПФ, которые предлагаются и будут комплексно исследованы в данном проекте. Следует отметить, что новизна, актуальность и значимость решаемой проблемы для развития науки и экономики не вызывает сомнений. Оригинальность и эффективность выбора химических композиций, разработанных способов получения и обработки сплавов и применяемых методов их изучения в комплексе и по постановке задач работы и полученным результатам далеко опережает зарубежные исследования. Основными отраслевыми потребителями результатов исследования по использованию разработанных материалов и устройств являются такие отрасли экономики как производство медицинской техники и медицина, социальная инфраструктура и системы безопасности, авиакосмическая, автомобильная, горная промышленность, производство и строительство мостов и других сооружений, особенно в сейсмоопасных территориях, военно-промышленное производство, в интересах которых активно осуществляются работы в последние годы в наиболее развитых странах мира (Россия, США, страны ЕС, Япония, Китай).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Свирид А.Э., Пушин В.Г. Исследование влияния бора на микроструктуру и механические свойства сплавов системы Cu-Al-Ni-B Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». Москва. 25-27 октября 2022 г. Сборник тезисов. – М: НИТУ «МИСиС», 2022, 190 с. (год публикации - 2022)

2. Свирид А. Э., Пушин В. Г., Макаров В. В., Куранова Н. Н. The Effect of High-Temperature Thermomechanical Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Cu–Al–Ni–(B) Alloys with a Thermoelastic Martensitic Transformation Physics of Metals and Metallography, Vol. 124, No. 7, pp. 710–718 (год публикации - 2023)
10.1134/S0031918X23600938

3. Свирид А.Э., Афанасьев С.В., Давыдов Д.И., Куранова Н.Н., Макаров В.В., Пушин В.Г., Устюгов Ю.М. Microstructure and Mechanical Behavior of Cu-Al-Ni-B Alloys with Thermoelastic Martensitic Transformation Metals, Volume 13, Issue 5, art. No. 967 (год публикации - 2023)
10.3390/met13050967

4. Свирид А. Э., Куранова Н. Н., Макаров В. В., Пушин В. Г. The Effect of Boron Addition on the Structure and Mechanical Properties of Cu–Al–Ni–B Alloys with a Thermoelastic Martensitic Transformation Physics of Metals and Metallography, Vol. 124, No. 5, pp. 504–513. (год публикации - 2023)
10.1134/S0031918X23600549

5. Свирид А.Э., Пушин В.Г., Куранова Н.Н. Высокотемпературная термомеханическая обработка сплавов Cu-Al-Ni-(B) с термоупругим мартенситным превращением ИВЦ Минфина, 2023, Перспективные материалы и технологии: материалы международного симпозиума (Минск, 21 - 25 августа 2023 г.) / под. ред. В.В.Рубаника. – Минск: ИВЦ Минфина, 2023. – 104-106 с. (год публикации - 2023)

6. Свирид А.Э., Пушин В.Г. Исследование влияния высокотемпературной термомеханической обработки на микроструктуру и механические свойства сплавов Cu-Al-Ni-B с термоупругим мартенситным превращением Общество с ограниченной ответственностью «ИЗДАТЕЛЬСТВО ВВМ» (Санкт-Петербург), СПЛАВЫ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ (СПФ-2023) Материалы V Международной конференции. Санкт-Петербург, 2023 Издательство: Общество с ограниченной ответственностью «ИЗДАТЕЛЬСТВО ВВМ» (Санкт-Петербург), 49 с. (год публикации - 2023)

7. А.Э. Свирид, Н.Н. Куранова, В.Г. Пушин,С.В. Афанасьев Особенности структуры метастабильных сплавов на основе Cu-Zn с эффектом памяти формы Физика металлов и металловедение (год публикации - 2024)

8. Н.Н. Куранова, В.Г. Пушин, А.Э. Свирид, Д.И. Давыдов Мартенситные фазы в метастабильных сплавах на основе Cu-Zn с эффектом памяти формы Физика металлов и металловедение (год публикации - 2024)

9. Свирид А. Э., Пушин В.Г., Давыдов Д.И., Афанасьев С.В. ПОЛУЧЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ CU-AL-NI-(B) С ТЕРМОУПРУГИМ МАРТЕНСИТНЫМ ПРЕВРАЩЕНИЕМ С ПОМОЩЬЮ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ УРАЛЬСКАЯ ШКОЛА МОЛОДЫХ МЕТАЛЛОВЕДОВ Сборник статей XXII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (Екатеринбург,23–27 октября 2023 г.). – Екатеринбург : Издательство Издательский Дом «Ажур», 2023. – 424 с., Сборник статей XXII Международной научно-технической Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых (Екатеринбург,23–27 октября 2023 г.). – с. 190-194 (год публикации - 2023)

10. Свирид А.Э. Формирование микроструктуры, фазовые превращения и механическоие свойства сплавов на основе меди с эффектом памяти формы ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет», Екатеринбург, Актуальные проблемы прочности: Сборник тезисов LXVII Международной конференции (г. Екатеринбург, 2-5 апреля 2024 г.) / отв. редакторы Д.В. Зайцев. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2024. – с.80-81 (год публикации - 2024)

11. Свирид А.Э., Пушин В.Г., Куранова Н.Н. ИССЛЕДОВАНИЕ РОЛИ ЛЕГИРОВАНИЯ, ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕДНЫХ СПЛАВОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ Информационно-вычислительный центр Министерства финансов Республики Беларусь, Минск, Перспективные материалы и технологии / Антанович А. А. [и др.] ; под ред. В. В. Рубаника. – Минск : ИВЦ Минфина, 2023. – 403 с. : ил. (год публикации - 2023)

12. Свирид А.Э.,Пушин В.Г.,Куранова Н.Н.,Афанасьев С.В.,Давыдов Д.И.,Сташкова Л.А. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАСТАБИЛЬНОГО (α+β) СПЛАВА Cu-39.5 мас.%Zn С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ, ПОДВЕРГНУТОГО МЕХАНОТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ Физика металлов и металловедение (год публикации - 2024)

13. Свирид А.Э.,Пушин В.Г.,Куранова Н.Н.,Афанасьев С.В.,Давыдов Д.И.,Сташкова Л.А. ВЛИЯНИЕ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАСТАБИЛЬНОГО (α+β) СПЛАВА НА ОСНОВЕ Cu-41мас.%Zn С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ Физика металлов и металловедение (год публикации - 2024)

Публикации