Данный проект посвящён решению актуальных проблем механики объемных наноматериалов, касающихся разработки и реализации нового подхода к повышению прочности и пластичности наноматериалов, связанного с управлением структуры границ зерен и решением прикладных задач материаловедения – улучшению механического поведения и повышению эксплуатационных свойств наноструктурных металлов и сплавов: динамических и усталостных свойств, электропроводности, стойкости к воздействию температуры, эрозионного износа и радиационного облучения. Особое внимание в проекте уделено модельной и экспериментальной разработке наноструктурных металлов и покрытий для медицинских применений в качестве имплантатов и инструментов для хирургии, травматологии и ортопедии. Первый год проекта, в соответствии с заявленным планом работ на 2018 был посвящён проведению модельных и экспериментальных исследований, которые позволят реализовать новый научный подход значительного повышения прочности и пластичности материалов в ультрамелкозернистом (УМЗ) состоянии. Этот подход связан с контролем наноструктурных особенностей микроструктуры, в частности состояния границ зерен (кристаллография, дефектная структура, наличие сегрегаций примесей и др.) путем варьирования режимов обработки методом интенсивной пластической деформации (ИПД). Для измерения требуемых для инновационных применений характеристик механического поведения при разных условиях нагружения были разработаны методики опытного определения ударной вязкости, проведения испытаний на динамическое растяжение и эрозионного износа ряда сплавов на основе Al, Ti и Cu. Кроме того, разработаны основы целенаправленного проектирования УМЗ сплавов за счет управления фазовыми превращениями при ИПД обработке. Это позволило найти подход к улучшению многофункциональных свойств ряда наноструктурных материалов, в частности, показана возможность одновременного повышения прочности и электропроводности в Al сплавах с разным содержанием редкоземельных элементов для использования в электротехнике. Также инновационный характер носят результаты, полученные в области исследовании радиационной стойкости промышленной нержавеющей стали в УМЗ состоянии, а также модельные и опытные разработки наноструктурных Ti и Mg сплавов и разработки биоактивных покрытий, что откроет возможности их широкого применения в медицине для изготовления имплантатов и инструментов улучшенной конструкции для травмотологии и ортопедии.
Данный проект нацелен на проведение прикладных исследований, нацеленных на повышение требуемых современной промышленностью характеристик, таких как механические свойства при ударных нагрузках; устойчивость к эрозионному воздействию (что актуально, например, для деталей механизмов, работающих в условиях пыльной среды); электропроводность (важно для энергетической промышленности); радиационная стойкость (актуально для создания реакторов нового поколения), биосовместимости (требуемой для приложений в области медицины). Традиционно повышение свойств материалов достигается за счёт легирования – добавления в материал новых элементов. Однако, мы предлагаем открыть дополнительные возможности для уже существующих материалов при помощи контроля составляющих их тонкой структуры. В этом русле за 2019 год были получены теоретические и опытные результаты, которые указывают, как именно надо воздействовать очень большими деформациями на металл или сплав, чтобы добиться комбинации наноразмерных параметров их структуры, чтобы увеличить не только их прочность, но и упомянутые выше функциональные свойства. Например, удалось примерно в 5 раз повысить прочность нержавеющей стали. При этом обычно сильно страдает её пластичность, но мы показали, что можно получать состояния с повышенной прочностью, избегая охрупчивания. Также разработаны методики измерения прочности УМЗ образцов при очень быстром (ударном) воздействии, охарактеризована их стойкость к потере массы при опылении потоком мелкодисперсных частиц песка, моделирующих воздействие пыльной среды на быстродвижущийся объект. Показаны пути, как создавать проводниковый материал на основе Al как с повышенной прочностью, так и электропроводностью, хотя обычно эти характеристики являются взаимоподавляющими. Более того, образцы УМЗ стали были помещены в исследовательский атомный реактор, чтобы проверить, могут ли они быть более устойчивы к деградации свойств, типичной при воздействии на материал потока высокоэнергетических нейтронов. Для биосовместимых материалов, таких как Ti, показано, что мы можем увеличить их способность лучше приживаться в тканях организма, и это позволит разработать дизайн имплантантов нового образца, менее болезненных для внедрения в травмированного или больного человека.
Выполняемый проект «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 2: прикладные исследования)» является результатом деления материнского проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов» и, соответственно, унаследовал часть пунктов ранее общего «Детального плана исследований НИР на 2019 год». Ниже приводятся конкретные научные результаты и достижения согласно пунктам «Детального плана исследований НИР на 2019 год» на 2 этап выполнения проекта, которые были перенесены в данный суб-проект. Подробно результаты описаны в приложении – развёрнутом отчёте по этапу.
1.1.б. Разработка эффективных подходов для повышения пластичности в высокопрочном состоянии нержавеющей УМЗ стали. Разработка методических основ для получения структурных особенностей, обеспечивающих высокую прочность и необходимую пластичность.
В результате реализации научного подхода, основанного на управлении механизмами деформации за счёт взаимодействия дислокаций с зернограничными сегрегациями, разработанного в рамках 2 этапа проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)», были применены комбинированные методы получения УМЗ нержавеющей стали типа 316, использующие интенсивную пластическую деформацию (ИПД) и дополнительную термическую и деформационную обработку. В результате удалось показать, что подобный метод может позволить значительно повысить пластичность в высокопрочном состоянии УМЗ стали. Было сформировано УМЗ состояние, характеризующееся минимальным размером зёрен (порядка 50 нм) и отсутствием сегрегаций на ГЗ. Затем, в результате регламентированного отжига, были образованы неоднородные сегрегации на границах зёрен, при этом удалось заметно увеличить предел текучести в уже высокопрочном состоянии за счёт закрепления сегрегациями на ГЗ. Дополнительная деформация позволила открепить дислокации от сегрегаций и увеличить ресурс пластичности при сохранении высокого значения предела текучести порядка 2 ГПа.
Обнаруженная «сверхпрочность» в наноструктурированном материале может быть обусловлена дополнительными упрочняющими механизмами, реализация которых возможна только после ИПД. Поэтому в отчетном периоде были изучены микроструктурные факторы, в том размер зерна, доля большеугловых границ зёрен, плотность дислокаций, характеристики твердого раствора и нанокластеров, образовавшиеся в промышленном сплаве 7075, подвергнутом обработке ИПДК при КТ и 200 ºC. Упрочнение, вызванное дислокациями, в образцах сплава после КВД, составляет 20-30% от общего прироста микротвердости и, следовательно, играет второстепенную роль. Нанокластеры, сформированные в 7075 образцах сплавов, деформированных при RT, обеспечивают дополнительный эффект упрочнения. В образцах, деформированных при 200 ºC, не отмечено образования большого количества кластеров по причине однородной сегрегации атомов Mg и Cu по границам зёрен. Это приводит к снижению эффекта упрочнения от кластеров около 6 раз, что сходится с приведёнными выше оценками о влиянии однородности распределения атомов легирующих элементов на проявление прочностных свойств.
1.2. Всесторонняя аттестация механических свойств наноструктурных материалов в зависимости от условий нагрузки. Исследование связи структурных особенностей рассматриваемых материалов с их откликом на динамические нагрузки, а также с их механическим поведением при наличии трещиноподобных дефектов. Обоснование перспектив использования разработанных материалов в качестве конструкционных материалов с улучшенными прочностными свойствами. Развитие разработанной в 2018 методики в качестве экспресс метода оценки материала к использованию в условиях высокоскоростных, динамических и импульсных воздействий. Экспериментально-теоретическое изучение прочностных и эксплуатационных свойств материалов в широком диапазоне изменения параметров внешнего воздействия
Результаты 2 этапа выполнения проекта основаны на использовании методик и теоретических подходов, разработанных в рамках реализации 2 этапа проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)».
Апробация методики была проведена на примере широко используемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg и Al-Mg. Материалы были испытаны в широком диапазоне изменения параметров внешнего воздействия – от квазистатического нагружения до высокоскоростного импульсного воздействия. Это было достигнуто посредством экспериментов на растяжение с реализацией мод одноосного растяжения и сдвига, а также экспериментов на эрозионное воздействие на установке аэродинамического типа.
Результаты экспериментальных работ показали повышенные прочностные свойства сплава Al2024 в условиях квазистатических нагрузок. С ростом скорости нагружения материала в случае растягивающих нагрузок данный сплав по своим прочностным характеристикам приблизился к сплаву Al5556. При этом в случае реализации чистого сдвига запас по прочности сохранился. Полученные результаты были проанализированы с точки зрения структурно временного подхода. Получено, что в терминах инкубационного времени динамическая прочность при растяжении у сплава Al5556 на 65% больше, чем у сплава Al2024. При этом различия в случае реализации чистого сдвига незначительны.
Выполненные исследования показали, что применение материала в экстремальных условиях нагружения требует всестороннего экспериментально-теоретического изучения его прочностных и эксплуатационных свойств в предполагаемых диапазонах изменения параметров нагружения.
Методика аттестации свойств материала в условиях нестационарных динамических воздействий, основанная на комплексном экспериментально-теоретическом подходе, показала свою результативность в широком диапазоне изменения параметров внешнего воздействия. Полученные результаты позволяют продолжить развитие методики в качестве экспресс метода оценки материала к использованию в условиях высокоскоростных, динамических и импульсных воздействий.
1.3. Разработка научных основ для реализации сверхпластического течения при низких температурах и высоких скоростях деформации в высокопрочных и термостойких легких сплавах
Результаты 2 этапа выполнения проекта основаны на развитии научных основ для реализации сверхпластического течения при низких температурах (вплоть до комнатной температуры) в сплавах на основе Al, выполненного в рамках реализации 2 этапа проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)». Контроль наноструктурных параметров, таких как ультрамелкие зерна и вторичная фаза Mg2Si, позволил достичь эффекта сверхпластичности, проявляющегося при более низких температурах при одноосном растяжении. Испытания в условиях двухосного растяжения пластины для изгиба продемонстрировали высокую технологическую пластичность УМЗ сплава 6061 с размером зерна 350 нм. Таким образом, в результате выполнения работ по проекту было достигнуто повышение технологической пластичности при производстве тонкостенных изделий, а также стабильности структуры под действием внешних факторов.
1.4. Проведение эксперимента по нейтронному облучению и исследование радиационной стойкости УМЗ нержавеющей стали при повышенных дозах нейтронного излучения в условиях активной зоны атомного реактора
Для развития этих работ с участием установки типа Мега-Science – исследовательского ядерного реактора, имеющегося в распоряжении ГНЦ НИИ Атомных Реакторов (г. Димитровград) был выполнен анализ полученных результатов и написан совместный обзор об улучшении радиационной стойкости в материалах, полученных методами ИПД, а также подан совместный проект "Преодоление эффекта высокотемпературного радиационного охрупчивания хромо-никелевой стали за счёт модификации микроструктуры".
В опубликованной статье представлен исторический обзор исследований по радиационному поведению ультрамелкозернистых материалов, полученных ИПД, обладающих повышенными прочностными и функциональными свойствами. Значительное увеличение доли границ зёрен в УМЗ материалах обеспечивает значительно улучшенную радиационную стойкость материала к облучению электронами, протонами, ионами или нейтронами. Обсуждены вопросы, связанные с использованием ИПД металлов и сплавов в качестве перспективных радиационно-стойких материалов.
1.5.б. Оптимизация режимов ИПД для их получения с учётом фазовых превращений при ИПД. Оптимизация наноразмерных параметров УМЗ алюминиевых сплавов конструкционного и электротехнического назначения для достижения уникального сочетания многофункциональных свойств, таких как «сверхпрочность», повышенные пластичность и электропроводность и термостойкость.
Результаты 2 этапа выполнения проекта основаны на развитии научных основ для одновременного увеличения прочности и электропроводности в сплавах на основе Al, выполненного в рамках реализации 2 этапа проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)». По результатам выполненных за отчетный период исследований, были разработаны новые способы деформационно-термической обработки проводниковых алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si. При их создании решали две основные задачи. Первая задача – формирование в широко используемых в электротехнике материалах, микроструктур, обеспечивающих достижение прочности (предела прочности на разрыв не менее чем 375 МПа), близкой к уровняю проводников, выполненных из меди марки М1 (с пределом прочности ~ 400 МПа). Вторая задача – оптимизация количества технологических операций, в том числе использования интенсивной пластической деформации (адаптивность способов к условиям промышленного производства продукции электротехнического назначения). На основе проведённых фундаментальных работ была подана заявка на изобретение «Способ термомеханической обработки проводниковых сплавов системы Al-Mg-Si». Оно относится к области цветной металлургии и электротехники, а именно к способам термомеханической обработки (ТМО) Al-Mg-Si сплавов, используемых для производства изделий электротехнического назначения, таких как токопроводящие элементы в виде катанки, проволоки, пластин, шин, кабелей, а также проводов воздушных линий электропередачи.
1.6 Разработка биомеханических принципов для получения новых УМЗ биоматериалов: аналитические и конечноэлементные модели для проектирования новых имплантатов из сплавов на основе УМЗ Ti. Комплексный анализ влияния режимов ИПДК на формирование структурно-фазового состояния медицинских магниевых сплавов с содержанием редкоземельных элементов, характеризующегося ультрамелким размером зерна и наличием частиц вторых фаз, обеспечивающих высокую прочностью и пластичность. Разработка методики синтеза, дающей возможность направленно регулировать структурные характеристики покрытий на поверхности нанотитана в нанометровом и микронном диапазоне, а также химический состав поверхности. Комплексный анализ влияния режимов ИПДК на формирование структурно-фазового состояния медицинских магниевых сплавов, характеризующегося ультрамелким размером зерна и наличием частиц вторых фаз, обеспечивающих высокую прочностью и пластичность.
Экспериментальные работы по практическому применению комбинированной обработки, включающей РКУП, позволяет получать заготовки УМЗ сплава Ti–6Al–7Nb обладающего повышенными прочностными свойствами. Поскольку сплав Ti–6Al–7Nb имеет медицинское применение, важное значение для биосовместимости этого материала имеет обработка поверхности химическими способами. Проведенные исследования показали, что как после кислотного травления, так и после обработки кислотой и щелочью УМЗ сплав Ti–6Al–7Nb не имеет цитотоксичности и демонстрирует хорошую адгезию клеток на поверхности. Вместе с тем, исследованные способы химической обработки поверхности УМЗ сплава Ti–6Al–7Nb демонстрирую некоторые отличия. Образцы после обработки кислотой и щелочью (УМЗ-АА) имеют нанотопографическую коралловую или губчатую морфологию поверхности, что способствует лучшему закреплению клеток, их дисперсии и подвижности. В связи с этим, на поверхности образцов УМЗ-АА улучшены биологические реакции, выше клеточное распространение, что приводит к более высокому поколению филоподий. Можно отметить, что возможность получения нанотопографической морфологии поверхности высокопрочных УМЗ титановых сплавов имеет важное значение для разработки наноструктурированных, химически обработанных имплантируемых устройств для остеоинтеграции.
На выбранных Mg сплавах системы Mg-РЗМ, представляющих непосредственный интерес для перспективных медицинских имплантатов с биорастворимыми свойствами, были определены режимы ИПД-обработки, позволяющие получить в них УМЗ структуру и сформировать нанодисперсные выделения вторых фаз. На данных образцах запланировано проведение комплексных испытаний механических и коррозионных свойств полученных УМЗ материалов.
1.7. Публикация глав в монографию и не менее 7 статей в высокорейтинговых журналах (1-2 квартиль), подача 1 заявки на изобретения, защита докторской или кандидатской диссертации, выступление с 2-3 ключевыми/приглашенными докладами на ведущих конференциях, Развитие сотрудничества со сторонними организациями и подача заявок на внешнее финансирование.
В результате деления материнского проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов» на две части (фундаментальную и прикладную), было сделано следующее распределение показателей, которые должны были быть достигнуты в ходе выполнения 2 этапа каждого из суб-проектов:
«Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов
(часть 1: фундаментальные исследования)»:
Количество статей в журналах 1-2 квартиля 5
Защита докторской или кандидатской диссертации 1
Выступление с 2-3 ключевыми/приглашенными
докладами на ведущих конференциях 2
Публикация глав в монографию 3
Учебное пособие 1
Развитие сотрудничества со сторонними
организациями и подача заявок на внешнее
финансирование (привлечено/подано) 2 млн.р/4 млн р.
«Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов
(часть 2: прикладные исследования)»:
Количество статей в журналах 1-2 квартиля 2
Подача заявки на изобретения 1
Развитие сотрудничества со сторонними
организациями и подача заявок на внешнее
финансирование (привлечено/подано) 9 млн.р/12 млн р.
По итогам работы за 2 этап проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 2: прикладные исследования)» опубликовано 4 статьи в журналах 1-2 квартиля SJR, подана 1 заявка на изобретение, привлечено средств за счёт переходящих или выигранных проектов – 7.5 млн.р. Таким образом, можно констатировать, что все заявленные показатели достигнуты в полном объёме и даже перевыполнены.
Детальный список достижений по проекту:
Список опубликованных/принятых к печати статьей:
1. Diego Pedreira de Oliveira,Tatiane Venturott Toniato, Ritchelli Ricci, Fernanda Roberta Marciano, Egor Prokofiev, Ruslan Z Valiev, Anderson Oliveira Lobo, Alberto Moreira Jorge Júnior, Biological response of chemically treated surface of the ultrafine-grained Ti–6Al–7Nb alloy for biomedical applications, Int. J. Nanomed. 14 (2019) 1725–1736 (Q1 SJR)
2. I. Smirnov, Strength Characteristics and Fracture of Ultrafine-Grained Titanium Grade 4 Processed by Equal Channel Angular Pressing—Conform, Technical Physics, 64 (2019) 497–505 (Q2 SJR)
3. N. Enikeev, V. Shamardin, B. Radiguet, Radiation tolerance of ultrafine-grained materials fabricated by severe plastic deformation, Mater. Trans. 60 (2019) 1723 - 1731 https://doi.org/10.2320/matertrans.MF201931 (Q2 SJR)
4. H.F. Li, F.L. Nie, Y.F. Zheng, Y. Cheng, S.C. Wei, R.Z. Valiev, Nanocrystalline Ti49.2Ni50.8 shape memory alloy as orthopaedic implant material with better performance, Journal of Materials Science & Technology 35 (2019) 2156–2162 (Q2 SJR, Q1 JCR) https://doi.org/10.1016/j.jmst.2019.04.026
Список поданных патентов:
М.Ю. Мурашкин, И.В. Смирнов «Способ термомеханической обработки проводниковых сплавов системы Al-Mg-Si» - заявка подана.
Список поданных заявок на проекты и привлечённого финансирования в 2019 (необходимо с накоплением за три года получить финансирование, равное выделенному за это же время университетом):
Подано на сумму более 20 млн. р.
Привлечено на 2019 – 10.5 млн. р.
Ожидается решение – на сумму 6 млн. р.
Переходящие с 2018 года (Всего– 1.5 млн. р.)
1. Грант РНФ «Разработка экспериментально-теоретических основ для определения и прогноза прочностных характеристик конструкционных материалов в широком диапазоне скоростей нагружения», рук. Смирнов И.В., сроки выполнения проекта: 2018-2020 – 1500 тр в год
Поддержанные в 2019 г. (всего - 9 млн. р.)
2. РФФИ Конкурс 2019 года «Конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными - кандидатами наук в научных организациях РФ («Перспектива»)», рук. Евстифеев А.Д., тема "Исследование и разработка принципов модификации конструкционных сплавов на основе легких цветных металлов для эксплуатации в условиях низких температур", 3 млн. руб./год. Проект поддержан. Сроки выполнения проекта: 01.11.2019-31.10.2022.
3. РФФИ Конкурс 2019 года «Конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными - кандидатами наук в научных организациях РФ («Перспектива»)», рук. Ф.С. Беляев, тема "Моделирование взаимодействия механизмов фазовой и пластической деформации в сплавах с памятью формы", 3 млн. руб./год. Проект поддержан. Сроки выполнения проекта: 01.11.2019-31.10.2022.
4. РФФИ Конкурс 2019 года «Конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными - кандидатами наук в научных организациях РФ («Перспектива»)», рук. А.И.Базлов , тема " Структурообразование и эволюция механических свойств двухфазных металлических стекол при термодеформационной обработке", 3 млн. руб./год. Проект поддержан. Сроки выполнения проекта: 01.11.2019-31.10.2022.
Ожидается решение (всего - 6 млн. р.)
4. Конкурс на лучшие проекты фундаментальных научных исследований, проводимый совместно РФФИ и Чешским научным фондом, рук. Валиев Р.З., тема "Исследование и разработка перспективных ультрамелкозернистых материалов с помощью обработки интенсивной пластической деформации и прецизионных процедур испытаний", 6 млн. руб./год, результаты - до 16 декабря 2019 года.
Поданные, но не поддержанные (всего - 10 млн. р.)
5) БРИКС_т Конкурс проектов фундаментальных научных исследований, проводимый РФФИ совместно с организациями - участниками Рамочной программы БРИКС в сфере науки, технологий и инноваций, рук. Валиев Р.З., тема «Наноструктурированные материалы и изделия: перспективные объемные наноматериалы с улучшенными свойствами», 5 млн. руб./год. (не поддержан)
5) Евстифеев А.Д. «Исследование и разработка принципов модификации конструкционных сплавов на основе легких цветных металлов для эксплуатации в условиях низких температур» (РНФ – под рук. молодых учёных), запрашиваемая сумма в год - 5 млн. руб. (не поддержан)
В результате реализации научного подхода, основанного на управлении механизмами деформации за счёт взаимодействия дислокаций с зернограничными сегрегациями, разработанного в рамках 2 этапа проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)», были применены комбинированные методы получения УМЗ нержавеющей стали типа 316, использующие интенсивную пластическую деформацию (ИПД) и дополнительную термическую и деформационную обработку. В результате удалось показать, что подобный метод может позволить значительно повысить пластичность в высокопрочном состоянии УМЗ стали. Было сформировано УМЗ состояние, характеризующееся минимальным размером зёрен (порядка 50 нм) и отсутствием сегрегаций на ГЗ. Затем, в результате регламентированного отжига, были образованы неоднородные сегрегации на границах зёрен, при этом удалось заметно увеличить предел текучести в уже высокопрочном состоянии за счёт закрепления сегрегациями на ГЗ. Дополнительная деформация позволила открепить дислокации от сегрегаций и увеличить ресурс пластичности при сохранении высокого значения предела текучести порядка 2 ГПа.
Обнаруженная «сверхпрочность» в наноструктурированном материале может быть обусловлена дополнительными упрочняющими механизмами, реализация которых возможна только после ИПД. Поэтому в отчетном периоде были изучены микроструктурные факторы, в том размер зерна, доля большеугловых границ зёрен, плотность дислокаций, характеристики твердого раствора и нанокластеров, образовавшиеся в промышленном сплаве 7075, подвергнутом обработке ИПДК при КТ и 200 ºC. Упрочнение, вызванное дислокациями, в образцах сплава после КВД, составляет 20-30% от общего прироста микротвердости и, следовательно, играет второстепенную роль. Нанокластеры, сформированные в 7075 образцах сплавов, деформированных при RT, обеспечивают дополнительный эффект упрочнения. В образцах, деформированных при 200 ºC, не отмечено образования большого количества кластеров по причине однородной сегрегации атомов Mg и Cu по границам зёрен. Это приводит к снижению эффекта упрочнения от кластеров около 6 раз, что сходится с приведёнными выше оценками о влиянии однородности распределения атомов легирующих элементов на проявление прочностных свойств.
Результаты 2 этапа выполнения проекта основаны на использовании методик и теоретических подходов, разработанных в рамках реализации 2 этапа проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)».
Апробация методики была проведена на примере широко используемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg и Al-Mg. Материалы были испытаны в широком диапазоне изменения параметров внешнего воздействия – от квазистатического нагружения до высокоскоростного импульсного воздействия. Это было достигнуто посредством экспериментов на растяжение с реализацией мод одноосного растяжения и сдвига, а также экспериментов на эрозионное воздействие на установке аэродинамического типа.
Результаты экспериментальных работ показали повышенные прочностные свойства сплава Al2024 в условиях квазистатических нагрузок. С ростом скорости нагружения материала в случае растягивающих нагрузок данный сплав по своим прочностным характеристикам приблизился к сплаву Al5556. При этом в случае реализации чистого сдвига запас по прочности сохранился. Полученные результаты были проанализированы с точки зрения структурно временного подхода. Получено, что в терминах инкубационного времени динамическая прочность при растяжении у сплава Al5556 на 65% больше, чем у сплава Al2024. При этом различия в случае реализации чистого сдвига незначительны.
Выполненные исследования показали, что применение материала в экстремальных условиях нагружения требует всестороннего экспериментально-теоретического изучения его прочностных и эксплуатационных свойств в предполагаемых диапазонах изменения параметров нагружения.
Методика аттестации свойств материала в условиях нестационарных динамических воздействий, основанная на комплексном экспериментально-теоретическом подходе, показала свою результативность в широком диапазоне изменения параметров внешнего воздействия. Полученные результаты позволяют продолжить развитие методики в качестве экспресс метода оценки материала к использованию в условиях высокоскоростных, динамических и импульсных воздействий.
Результаты 2 этапа выполнения проекта основаны на развитии научных основ для реализации сверхпластического течения при низких температурах (вплоть до комнатной температуры) в сплавах на основе Al, выполненного в рамках реализации 2 этапа проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)». Контроль наноструктурных параметров, таких как ультрамелкие зерна и вторичная фаза Mg2Si, позволил достичь эффекта сверхпластичности, проявляющегося при более низких температурах при одноосном растяжении. Испытания в условиях двухосного растяжения пластины для изгиба продемонстрировали высокую технологическую пластичность УМЗ сплава 6061 с размером зерна 350 нм. Таким образом, в результате выполнения работ по проекту было достигнуто повышение технологической пластичности при производстве тонкостенных изделий, а также стабильности структуры под действием внешних факторов.
Для развития этих работ с участием установки типа Мега-Science – исследовательского ядерного реактора, имеющегося в распоряжении ГНЦ НИИ Атомных Реакторов (г. Димитровград) был выполнен анализ полученных результатов и написан совместный обзор об улучшении радиационной стойкости в материалах, полученных методами ИПД, а также подан совместный проект "Преодоление эффекта высокотемпературного радиационного охрупчивания хромо-никелевой стали за счёт модификации микроструктуры".
В опубликованной статье представлен исторический обзор исследований по радиационному поведению ультрамелкозернистых материалов, полученных ИПД, обладающих повышенными прочностными и функциональными свойствами. Значительное увеличение доли границ зёрен в УМЗ материалах обеспечивает значительно улучшенную радиационную стойкость материала к облучению электронами, протонами, ионами или нейтронами. Обсуждены вопросы, связанные с использованием ИПД металлов и сплавов в качестве перспективных радиационно-стойких материалов.
Результаты 2 этапа выполнения проекта основаны на развитии научных основ для одновременного увеличения прочности и электропроводности в сплавах на основе Al, выполненного в рамках реализации 2 этапа проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)». По результатам выполненных за отчетный период исследований, были разработаны новые способы деформационно-термической обработки проводниковых алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si. При их создании решали две основные задачи. Первая задача – формирование в широко используемых в электротехнике материалах, микроструктур, обеспечивающих достижение прочности (предела прочности на разрыв не менее чем 375 МПа), близкой к уровняю проводников, выполненных из меди марки М1 (с пределом прочности ~ 400 МПа). Вторая задача – оптимизация количества технологических операций, в том числе использования интенсивной пластической деформации (адаптивность способов к условиям промышленного производства продукции электротехнического назначения). На основе проведённых фундаментальных работ была подана заявка на изобретение «Способ термомеханической обработки проводниковых сплавов системы Al-Mg-Si». Оно относится к области цветной металлургии и электротехники, а именно к способам термомеханической обработки (ТМО) Al-Mg-Si сплавов, используемых для производства изделий электротехнического назначения, таких как токопроводящие элементы в виде катанки, проволоки, пластин, шин, кабелей, а также проводов воздушных линий электропередачи.
Экспериментальные работы по практическому применению комбинированной обработки, включающей РКУП, позволяет получать заготовки УМЗ сплава Ti–6Al–7Nb обладающего повышенными прочностными свойствами. Поскольку сплав Ti–6Al–7Nb имеет медицинское применение, важное значение для биосовместимости этого материала имеет обработка поверхности химическими способами. Проведенные исследования показали, что как после кислотного травления, так и после обработки кислотой и щелочью УМЗ сплав Ti–6Al–7Nb не имеет цитотоксичности и демонстрирует хорошую адгезию клеток на поверхности. Вместе с тем, исследованные способы химической обработки поверхности УМЗ сплава Ti–6Al–7Nb демонстрирую некоторые отличия. Образцы после обработки кислотой и щелочью (УМЗ-АА) имеют нанотопографическую коралловую или губчатую морфологию поверхности, что способствует лучшему закреплению клеток, их дисперсии и подвижности. В связи с этим, на поверхности образцов УМЗ-АА улучшены биологические реакции, выше клеточное распространение, что приводит к более высокому поколению филоподий. Можно отметить, что возможность получения нанотопографической морфологии поверхности высокопрочных УМЗ титановых сплавов имеет важное значение для разработки наноструктурированных, химически обработанных имплантируемых устройств для остеоинтеграции.
На выбранных Mg сплавах системы Mg-РЗМ, представляющих непосредственный интерес для перспективных медицинских имплантатов с биорастворимыми свойствами, были определены режимы ИПД-обработки, позволяющие получить в них УМЗ структуру и сформировать нанодисперсные выделения вторых фаз. На данных образцах запланировано проведение комплексных испытаний механических и коррозионных свойств полученных УМЗ материалов.
По итогам работы за 2 этап проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 2: прикладные исследования)» опубликовано 4 статьи в журналах 1-2 квартиля SJR, подана 1 заявка на изобретение, привлечено средств за счёт переходящих или выигранных проектов – 7.5 млн.р. Таким образом, можно констатировать, что все заявленные показатели достигнуты в полном объёме и даже перевыполнены.
1) Валиев Руслан Зуфарович - руководитель проекта; да
2) Еникеев Нариман Айратович - Экспериментально-теоретические исследования по повышению пластичности наноструктурной нержавеющей стали, написание научных статей, нет;
3) Мурашкин Максим Юрьевич - Целенаправленное проектирование УМЗ сплавов (Al-RE с разным содержанием RE), оптимизация режимов ИПД для получения наноструктурных сплавов с многофункциональными свойствами, написание научных статей, нет;
4) Бобрук Елена Владимировна - Микроструктурные исследования и механические испытания УМЗ сплава Al-30Zn для определения диапазонов ИПД, обеспечивающих формирование состояния, демонстрирующего признаки сверхпластичности при относительно низких температурах, нет;
5) Алабердов Артур Арсенович - пробоподготовка материалов для механических испытаний, нет;
6) Семенов Борис Николаевич - изучение систем скольжения в Cu и Ti, подвергнутых ИПД, нет;
7) Арбенин Андрей Юрьевич - Исследование УМЗ Ti сплавов с биоактивными покрытиями, написание научных статей, нет;
8) Смирнов Иван Валерьевич - Разработка методик для исследования ударной вязкости и трещиностойкости материалов после различных режимов обработки, нет;
9) Ломакин Иван Владимирович - Целенаправленное проектирование УМЗ сплавов (Cu-Be с разным содержанием Be), экспериментальные и теоретические исследования фазовых превращений, нет;
10)Магомедова Дарья Курбановна - проведение механических испытаний , нет;
11) Мартюшева Александра Андреевна - прободготовка материалов для проведения механических испытаний , нет;
12) Болтынюк Евгений Вадимович - Проведение механических испытаний, анализ результатов, нет;
13) Ефимов Михаил Алексеевич - пробоподготовка материалов для механических испытаний, нет;
14) Евстифеев Алексей Дмитриевич - Разработка методик для аттестации механических свойств НС и УМЗ материалов в зависимости от условия нагружения: динамическое растяжение и эрозия, нет;
15) Прокофьев Егор Александрович - Исследование структур и механические свойств УМЗ Mg сплавов как биоразлагаемых материалов для медицины , нет;
16) Шейнерман Александр Григорьевич - разработка микромеханических моделей для достижения высокого уровня прочности и пластичности в наноструктурных материалах, нет;
17) Сафаргалина Зарема Альбертовна - пробоподготовка образцов для исследования структуры , нет;
18) Валиев Роман Русланович - работа над увеличением прочности и пластичности титанового сплава; нет;
19) Федоровский Георгий Дмитриевич - пробоподготовка материалов для механических испытаний, нет;
20) Галина Эльмира Хамитовна - подготовка образцов для исследования структуры, нет;
21) Казаринов Никита Андреевич - Разработка биомеханических принципов для получения новых УМЗ биоматериалов: аналитические и конечноэлементные модели для проектирования новых имплантатов из сплавов на основе УМЗ Ti, написание научных статей; нет.
Как следует из п.2, данный проект реализует междисциплинарный подход, связывающий научные методы и подходы механики деформируемого твёрдого тела, физики конденсированного состояния, материаловедения, инженерии.
| Short title | GZ-2019 |
|---|
| Acronym | M3_2018 - 2 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 12/03/19 → 31/12/19 |
|---|
