Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования): 2019 г. этап 2

Проект: исполнение гранта/договораисполнение этапа гранта/договора

Сведения о проекте

описание

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.

описание для неспециалистов

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 фундаментальной составляющей – модельной и экспериментальной разработке научных основ повышения свойств наноструктурных металлов и покрытий. Первый год проекта, в соответствии с заявленным планом работ на 2018 был посвящён проведению исследований, которые позволили 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 реакторной 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.

В рамках выполнения проекта разработаны научные основы повышения функциональных свойств металлов и сплавов, а также решения известной проблемы, когда при наноструктурировании значительно повышается прочность, но существенно понижается пластичность, что препятствует широкому использованию наноматериалов для конструкционных применений. В результате выполнения работ реализован новый подход к повышению прочности и пластичности наноматериалов, связанный с управлением структуры границ зерен – их кристаллогеометрией, плотностью дефектов и химическим составом. Для решения данной задачи использованы теоретические и прецизионные экспериментальные исследования на уникальном оборудовании в ресурсных центрах СПбГУ и других научных центрах.

основные результаты по этапу (подробно)

Выполняемый
проект «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные
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 нумерации пунктов
«Детального плана исследований НИР на 2019 год» на 2 этап выполнения материнского
проекта, которые были перенесены в данный суб-проект. Подробно результаты
описаны в приложении – развёрнутом отчёте по этапу.



 



1.1.а.
Разработка теоретической модели, описывающие высокую прочность сплавов на
основе ультрамелкозернистого Al, содержащих
зернограничные сегрегации. Разработка основ модели пластичности высокопрочных
ультрамелкозернистых сплавов с зернограничными сегрегациями.



 



Разработана
теоретическая модель упрочнения, вызванного зернограничными сегрегациями, в
ультрамелкозернистых металлических сплавах. В рамках модели сегрегации
рассматриваются как эллипсоидальные включения, упругие напряжения которых
взаимодействуют с дислокационными петлями, расширяющимися вблизи границ зерен
(ГЗ). Эти напряжения вызывают дополнительное сопротивление движению дислокаций,
испускающихся из ГЗ, и тем самым увеличивают предел текучести. В случае
ультрамелкозернистого алюминиевого сплава 1570 модель предсказывает увеличение
предела текучести, связанное с образованием зернограничных сегрегаций магния, в
диапазоне от 100 до 300 МПа в зависимости от формы сегрегаций и расстояния
между ними. При определенной средней концентрации растворенных атомов в ГЗ
максимальное упрочнение обеспечивается небольшими сферическими или почти
сферическими сегрегациями с высокой концентрацией магния и отношением сторон
(диаметра к толщине) 1,0–1,4 в зависимости от концентрации магния внутри
сегрегации. Это означает, что наибольшее упрочнение должно достигаться, когда
примесные атомы в ГЗ аккумулируются в небольших концентрированных кластерах, а
не распределяются более равномерно по ГЗ.



 



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



 



В рамках 2
этапа разработана методика комплексных испытаний в широком диапазоне изменения
параметров внешнего воздействия – от квазистатического нагружения до
высокоскоростного импульсного воздействия. Расчеты с использованием
структурно-временного подхода позволили численно оценить динамическую прочность
материалов, что показало качественную корреляцию динамического растяжения и эрозионного
износа. Полученные результаты позволяют проводить сравнительный анализ
материалов в условиях динамических воздействий, а также экспериментально
исследовать связь между динамических разрывом материала и эрозионным
разрушением. Теоретические наработки позволяют предсказывать поведение
материалов в тех или иных условиях воздействия, основываясь на подходах
механики динамического разрушения.



Кроме того,
результаты экспериментальных исследований процессов рассеяния энергии при
квазистатическом растяжении чистой меди и магниевого сплава при различных
скоростях деформации показали значительную зависимость скорости тепловыделения
от скорости деформации и отсутствие такого влияния на диаграммах
напряжение-деформация. Анализ результатов выявил на качественном уровне
корреляцию между изменениями характера тепловыделения и процессами структурных
превращений на различных стадиях пластического течения. Крупнозернистая и
ультрамелкозернистая медь демонстрирует различное поведение в процессе
выделения тепла. Эта разница менее выражена в случае магниевого сплава.
Результаты демонстрируют существенные возможности исследований тепловыделения
для анализа влияния структурных особенностей на деформацию металлических
материалов. Нужна дальнейшая детализация латентной энергии, описывающей
изменения микроструктуры в процессе деформирования и учитывающей иерархию
масштабных уровней структурных преобразований, что может быть реализовано на
последующих этапах проекта.



 



1.3.
Разработка научных основ для реализации сверхпластического течения при низких
температурах и высоких скоростях деформации в высокопрочных и термостойких
легких сплавах



 



В ходе
работ 2 этапа были развиты научные основы для реализации сверхпластического
течения при низких температурах (вплоть до комнатной температуры) в сплавах на
основе Al. Были изучены ключевые микроструктурные параметры (распределение по
размерам зерен, спектр разориентировок, состояние границ зерен, размер и
распределение частиц вторых фаз, их эволюция в процессе сверхпластической
деформации), а также механизмов пластической деформации (дислокационное
скольжение, диффузионная ползучесть и зернограничное проскальзывание),
определяющих сверхпластическое поведение наноструктурных материалов. В ходе
работ был проведен анализ УМЗ структуры и термической стабильности сплава 6061,
подвергнутого обработке модернизированным методом РКУП – в параллельных каналах.



 



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
установления фундаментальных механизмов, позволяющих уменьшить склонность к
радиационному повреждению реакторных материалов в наноструктурном состоянии,
были проведены работы с применением модельного (ионного) излучения. В рамках
сотрудничества с французскими учёными были проведены исследования
радиационно-индуцированных дефектных структур в реакторной стали Fe-14Cr-1W
(мас.%) с размерами зерен 5 мкм и 110 нм. Облучение ионами Fe стали в обоих состояниях проводилось до повреждающей дозы
10 сна. Характеристика микроструктуры показывает, что в случае
наноструктурированного материала плотность внутризеренных радиационных
дислокаций значительно ниже. Из полученных результатов следует, что измельчение
микроструктуры до размера зерен около ста нанометров может эффективно
использоваться для решения проблемы повышенной скорости образования дефектов в
сталях Fe-Cr, вызванной облучением, а также для получения сплавов со
значительно улучшенными механическими характеристиками и повышенной
радиационной стойкостью.



 



1.5.а.
Разработка принципов для целенаправленного проектирования наноструктурных
сплавов с многофункциональными свойствами, оптимизация режимов ИПД для их
получения с учётом фазовых превращений при ИПД.



 



В рамках
данного направления исследований были получены результаты фундаментального
характера на примере алюминиевых сплавов систем Al-Zr и Al-Mg-Si
электротехнического назначения. Было изучено влияние дополнительного
низкотемпературного отжига на микроструктуру и электропроводность сплава
Al-0.4Zr в УМЗ состоянии. Показано, что процессы возврата на границах зёрен в
процессе отжига сопровождаются образованием на них сегрегации примесных атомов,
эти сегрегации будут способствовать увеличению вклада в общее значение
удельного сопротивления. В этом случае релаксация границ должна быть
доминирующей для наблюдаемого уменьшение удельного сопротивления. Поскольку
обработанный ИПД сплав Al-0.4Zr содержит Zr как в твердом растворе, так и в
частицах Al3Zr вторичной фазы, не следует полностью исключать рост
электропроводности из-за возможной частичной очистки твердого раствора путем
образования очень маленьких нанокластеров (не выявленных с помощью ПЭМ) на границах
в результате отжига. Следует отметить, что проведенный анализ влияния отжига на
изменения удельного электрического сопротивления указывает на ключевую роль
релаксации границ зёрен. Для определения, происходит ли сегрегация примесей на
ГЗ, и как сегрегации и/или нанокластеры влияют на электросопротивление УМЗ
материала, тонкая структура ГЗ будет изучена в дальнейшем с привлечением
методов сканирующей просвечивающие электронной микроскопией и атомной зондовой
томографии.



 



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.



 



За 2019 год
была разработана виртуальная модель зубного имплантата с уменьшенным на 10%
диаметром, выполненная из ультрамелкозернистого титана Grade 4. Проведенные
численные испытания данного устройства продемонстрировали, что за счет
применения более прочного титана возможно уменьшение геометрии устройства как
минимум на 10% - устройство с запасом выдерживает максимальные для стандартной
геометрии приемлемые нагрузки (как статические, так и циклические).



В рамках
отчетного периода методом компьютерного моделирования также были исследованы
возможности миниатюризации устройств для лицевой хирургии. Показано, что миниатюризированное
устройство (с уменьшенной на 19% площадью сечения устройства) с большим запасом
выдерживает определенные для стандартной модели нагрузки: предел прочности ультрамелкозрнистого
титатана Grade 4 не превышается ни в одной точке устройства, также устройство
выдерживает более 1е7 циклов нагрузки и разгрузки по приведенной выше схеме
нагружения. Таким образом, возможно дальнейшее уменьшение поперечного сечения устройства
без потери его статической и усталостной прочности.



 



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 пункта плана 1.7., 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                                        1



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)                            6
млн.р/12 млн р.



 



По итогам
работы за 2 этап проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов
(часть 1: фундаментальные исследования)» опубликовано 6 (вместо 5) статей в
журналах 1-2 квартиля SJR, а также 2 главы в
монографию (вместо 1), защищено 2 диссертации - кандидатская и докторская
(вместо 1), опубликовано 1 учебное пособие (из 1), сделано 4 приглашённых
докладов на конференциях (вместо 2), привлечено средств за счёт переходящих или
выигранных проектов – 6 млн.р (вместо 2 млн.р.), подано заявок – более, чем на
20 млн.р. (вместо 4 млн.р.). Таким образом, можно констатировать, что все
заявленные показатели достигнуты в полном объёме и перевыполнены.



 



Детальный
список достижений по проекту:



 



Список опубликованных/принятых к печати статьей:



1.     
I.
Lomakin, M. Castillo-Rodrigues, X. Sauvage. Microstructure, mechanical properties
and aging behaviour of nanocrystalline copper-beryllium alloy. Mater. Sci. Eng.
A 744 (2019) 206-214 (Q1 JCR)



2.     
T.S.
Orlova, T.A. Latynina, A.M. Mavlyutov, M.Y. Murashkin, R.Z. Valiev, Effect of
annealing on microstructure, strength and electrical conductivity of the
pre-aged and HPT-processed Al-0.4Zr alloy, Journal of Alloys and Compounds784 (2019)
41-48 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.12.324 (Q1 JCR)



3.     
V.G. Konakov, O.Yu. Kurapova, E.N. Solovyeva, I.V. Lomakin,
I.Yu. Archakov, Sinthesis, structure and mechanical properties of bulk "Copper
- Graphene" composite. Rev. Adv. Mater. Sci. 57 (2018) 151-157 (Q1 SJR)



4.     
Yidong Zhang, Shenbao Jina, Patrick Trimby, Xiaozhou
Liao, Maxim Y. Murashkin, Ruslan Z. Valiev, Gang Sha, Strengthening mechanisms in
an ultrafine-grained Al-Zn-Mg-Cu alloy processed by high pressure torsion at different
temperatures, Materials Science & Engineering A 752 (2019) 223–232 (Q1 JCR)



5.     
E.V. Bobruk, Z.A. Safargalina, O.V. Golubev, D.
Baykov, V.U. Kazykhanov, The effect of ultrafine-grained states on superplastic
behavior of Al-Mg-Si alloy, Materials Letters 255 (2019) 126503 https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.126503
(Q1 SJR)



6.     
S.V. Bobylev, N.A. Enikeev, A.G. Sheinerman, R.Z.
Valiev, “Strength enhancement induced by grain boundary solute segregations in
ultrafine-grained alloys”, Int. J. Plast. 123 (2019) 133–144 https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2019.07.013
(Q1 JCR)



 



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 – 6 млн. р.



Ожидается решение – на сумму 9.9 млн. р.



 



Переходящие с 2018 года (Всего– 1.5 млн. р.)



1. Грант РНФ «Пространственная и временная
дискретность как фундаментальная особенность процесса динамического разрушения
твердых тел», рук. Казаринов Н.А., сроки выполнения проекта: 2018-2020 – 1500
тр в год



 



Поддержанные в 2019 г. (всего - 4.5 млн. р.)



2. РНФ Конкурс 2019 года «Проведение инициативных
исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских
проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, рук.
Мавлютов А.М., тема "Разработка и исследование наноструктурных
алюминиево-медных сплавов с улучшенными механическими и электрическими
свойствами", 1500 тыс. руб./год. Проект поддержан. Сроки выполнения
проекта: 07.2019-06.2021.



3. РФФИ Конкурс 2019 года «Конкурс на лучшие
проекты фундаментальных научных исследований, выполняемые молодыми учеными -
кандидатами наук в научных организациях РФ («Перспектива»)», рук. Казаринов
Н.А., тема "Управление процессами хрупкого динамического разрушения и их
оптимизация для повышения динамической прочности конструкций", 3 млн.
руб./год. Проект поддержан. Сроки выполнения проекта: 01.11.2019-31.10.2022.



 



Ожидается решение(всего - 9.9 млн. р.)



4. Конкурс на лучшие проекты фундаментальных
научных исследований, проводимый совместно РФФИ и Японским обществом
продвижения науки, рук. Еникеев Н.А., тема "Разработка новых
многофункциональных Al сплавов
несмешиваемых систем путём образования и распада пересыщенного твёрдого
раствора с использованием ультра-интенсивной пластической деформации", 1.5
млн.руб./год, результаты - 28 февраля 2020 года.



5. Конкурс на лучшие проекты фундаментальных
научных исследований, проводимый совместно РФФИ и Национальным центром научных
исследований Франции, рук. Еникеев Н.А., предварительное название
"Наномасштабное проектирование алюминиевых сплавов с улучшенным
механическим поведением", 1.2 млн. руб./год, результаты - 17 февраля 2020
года.



6. Конкурс на лучшие проекты фундаментальных
научных исследований, рук. Еникеев Н.А., предварительное название
"Преодоление эффекта высокотемпературного



радиационного охрупчивания хромо-никелевой стали
за счёт модификации микроструктуры", 1.2 млн. руб./год, результаты - 15
января 2020 года.



7. Конкурс на получение грантов РНФ по
мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых
научных исследований международными научными коллективами» (совместно с
Немецким научно-исследовательским сообществом - DFG), рук. Еникеев Н.А., «Высокопрочные алюминиевые сплавы несмешиваемых
систем с повышенной проводимостью», 6 млн. руб./год, результаты – 15 октября
2020 года



 



Поданные, но не поддержанные(всего - 6.0 млн. р.)



8) Конкурс на лучшие проекты фундаментальных
научных исследований, выполняемые молодыми учеными под руководством ведущего
ученого – наставника, проводимый совместно РФФИ и Образовательным Фондом
«Талант и успех» рук. Еникеев Н.А. «Многоуровневое моделирование процессов
получения и цифровой дизайн биосовместимых ультрамелкозернистых материалов с
улучшенным механическим поведением», 4.5 млн. р., (не поддержан)



9) Ломакин И.В. «Влияние химического и фазового
состава на структуру и механические свойства нанокристаллических сплавов
бинарной системы Cu – Be» (РНФ - молодые учёные), запрашиваемая сумма в год
– 1.5 млн. руб. (не поддержан)



 



Список диссертаций, защищённых в 2019:



1) В.Д. Ситдиков «Рентгеноструктурный анализ микроструктуры, кристаллографической
текстуры и фазовые превращения в объёмных наноструктурных материалах»– защищена
14 июня 2019 (на соискание степени доктора физ-мат наук)



2) Д.В. Назаров "Модификация поверхности наноструктурированного титана
методами химического травления и молекулярного наслаивания для регулирования
биомедицинских свойств" – защищена 16 апреля 2019 (на соискание степени
кандидата хим. наук)



 



Список монографий:



1. Главы в монографию «Nanocrystalline Titanium»:



1a)
Irina P. Semenova and Ruslan Z. Valiev and Terence G. Langdon, “Chapter 1 -
High-pressure torsion and equal-channel angular pressing”, in Nanocrystalline
Titanium Eds Halina Garbacz, Irina P. Semenova, Sergey Zherebtsov, Maciej
Motyka, Micro and Nano Technologies, Elsevier, p. 3-19, ISBN 978-0-12-814599-9,
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814599-9.00001-8



1b)
Grigory S.Dyakonov, Sergey Mironov, Irina P.Semenova, Ruslan Z.Valiev, “ Chapter
7 - Strengthening mechanisms and super-strength of severely deformed titanium”,
in Nanocrystalline Titanium Eds Halina Garbacz, Irina P. Semenova, Sergey Zherebtsov,
Maciej Motyka, Micro and Nano Technologies, Elsevier, p. 123-143, ISBN
978-0-12-814599-9, https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814599-9.00007-9



 



Список учебных пособий:



1. Е. Бобрук, Учебное пособие «Термическая и
химико-термическая обработка материалов» /Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. –
Уфа: РИК УГАТУ, 2019.- 130 с. ISBN 978-5-4221-1234-0



Приглашённые доклады на конференции и установление
связей с зарубежными партнёрами:



 



Конференции:



Валиев
Р.З., приглашённые и ключевые доклады:



1) «Разработка
наноструктурированных металлов для медицинских имплантатов c поверхностными
модификациями», III Международная научная конференция «Наука будущего», 14-17
Мая, Сочи (приглашённый);



2) «Heterogeneous Materials for Superior
Properties », Processing, Microstructure and Mechanical Properties of
Heterogeneous Metals and Alloys, 23 – 28 июня, Гонконг (приглашённый);



3) « Nanostructural
design of metallic materials for superior properties », The 10th Pacific Rim
International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM 10), 18-22
августа, Сиань, Китай (ключевой);



4) «Разработка
наноструктурированных металлов для медицинских имплантатов с поверхностными
модификациями», I Межрегиональный форум «Медицина. Промышленность. Фармация», 13.06.2019,
Курган, Россия (приглашённый)



 



Международное
сотрудничество:



1) Валиев,
Прокофьев: визит в составе делегации в Харбинский инженерный университет (4-5
декабря 2019 г) на церемонию открытия совместной с СПбГУ международной
лаборатории объемных наноматериалов для инновационных применений



2) Валиев,
Еникеев, Мурашкин, Смирнов, Евстифеев, Мавлютов – установление контактов и
подача совместных проектов с ведущими международными исследовательскими
центрами (см. список проектов)



3) Смирнов,
Евстифеев – установление контактов с компанией CONMET, Чехия. 

основные результаты по этапу (кратко)

Разработана теоретическая модель упрочнения, вызванного зернограничными сегрегациями, в ультрамелкозернистых металлических сплавах. В рамках модели сегрегации рассматриваются как эллипсоидальные включения, упругие напряжения которых взаимодействуют с дислокационными петлями, расширяющимися вблизи границ зерен (ГЗ). Эти напряжения вызывают дополнительное сопротивление движению дислокаций, испускающихся из ГЗ, и тем самым увеличивают предел текучести. В случае ультрамелкозернистого алюминиевого сплава 1570 модель предсказывает увеличение предела текучести, связанное с образованием зернограничных сегрегаций магния, в диапазоне от 100 до 300 МПа в зависимости от формы сегрегаций и расстояния между ними. При определенной средней концентрации растворенных атомов в ГЗ максимальное упрочнение обеспечивается небольшими сферическими или почти сферическими сегрегациями с высокой концентрацией магния и отношением сторон (диаметра к толщине) 1,0–1,4 в зависимости от концентрации магния внутри сегрегации. Это означает, что наибольшее упрочнение должно достигаться, когда примесные атомы в ГЗ аккумулируются в небольших концентрированных кластерах, а не распределяются более равномерно по ГЗ.
В рамках 2 этапа разработана методика комплексных испытаний в широком диапазоне изменения параметров внешнего воздействия – от квазистатического нагружения до высокоскоростного импульсного воздействия. Расчеты с использованием структурно-временного подхода позволили численно оценить динамическую прочность материалов, что показало качественную корреляцию динамического растяжения и эрозионного износа. Полученные результаты позволяют проводить сравнительный анализ материалов в условиях динамических воздействий, а также экспериментально исследовать связь между динамических разрывом материала и эрозионным разрушением. Теоретические наработки позволяют предсказывать поведение материалов в тех или иных условиях воздействия, основываясь на подходах механики динамического разрушения.
Кроме того, результаты экспериментальных исследований процессов рассеяния энергии при квазистатическом растяжении чистой меди и магниевого сплава при различных скоростях деформации показали значительную зависимость скорости тепловыделения от скорости деформации и отсутствие такого влияния на диаграммах напряжение-деформация. Анализ результатов выявил на качественном уровне корреляцию между изменениями характера тепловыделения и процессами структурных превращений на различных стадиях пластического течения. Крупнозернистая и ультрамелкозернистая медь демонстрирует различное поведение в процессе выделения тепла. Эта разница менее выражена в случае магниевого сплава. Результаты демонстрируют существенные возможности исследований тепловыделения для анализа влияния структурных особенностей на деформацию металлических материалов. Нужна дальнейшая детализация латентной энергии, описывающей изменения микроструктуры в процессе деформирования и учитывающей иерархию масштабных уровней структурных преобразований, что может быть реализовано на последующих этапах проекта.
В ходе работ 2 этапа были развиты научные основы для реализации сверхпластического течения при низких температурах (вплоть до комнатной температуры) в сплавах на основе Al. Были изучены ключевые микроструктурные параметры (распределение по размерам зерен, спектр разориентировок, состояние границ зерен, размер и распределение частиц вторых фаз, их эволюция в процессе сверхпластической деформации), а также механизмов пластической деформации (дислокационное скольжение, диффузионная ползучесть и зернограничное проскальзывание), определяющих сверхпластическое поведение наноструктурных материалов. В ходе работ был проведен анализ УМЗ структуры и термической стабильности сплава 6061, подвергнутого обработке модернизированным методом РКУП – в параллельных каналах.
Для установления фундаментальных механизмов, позволяющих уменьшить склонность к радиационному повреждению реакторных материалов в наноструктурном состоянии, были проведены работы с применением модельного (ионного) излучения. В рамках сотрудничества с французскими учёными были проведены исследования радиационно-индуцированных дефектных структур в реакторной стали Fe-14Cr-1W (мас.%) с размерами зерен 5 мкм и 110 нм. Облучение ионами Fe стали в обоих состояниях проводилось до повреждающей дозы 10 сна. Характеристика микроструктуры показывает, что в случае наноструктурированного материала плотность внутризеренных радиационных дислокаций значительно ниже. Из полученных результатов следует, что измельчение микроструктуры до размера зерен около ста нанометров может эффективно использоваться для решения проблемы повышенной скорости образования дефектов в сталях Fe-Cr, вызванной облучением, а также для получения сплавов со значительно улучшенными механическими характеристиками и повышенной радиационной стойкостью.
В рамках данного направления исследований были получены результаты фундаментального характера на примере алюминиевых сплавов систем Al-Zr и Al-Mg-Si электротехнического назначения. Было изучено влияние дополнительного низкотемпературного отжига на микроструктуру и электропроводность сплава Al-0.4Zr в УМЗ состоянии. Показано, что процессы возврата на границах зёрен в процессе отжига сопровождаются образованием на них сегрегации примесных атомов, эти сегрегации будут способствовать увеличению вклада в общее значение удельного сопротивления. В этом случае релаксация границ должна быть доминирующей для наблюдаемого уменьшение удельного сопротивления. Поскольку обработанный ИПД сплав Al-0.4Zr содержит Zr как в твердом растворе, так и в частицах Al3Zr вторичной фазы, не следует полностью исключать рост электропроводности из-за возможной частичной очистки твердого раствора путем образования очень маленьких нанокластеров (не выявленных с помощью ПЭМ) на границах в результате отжига. Следует отметить, что проведенный анализ влияния отжига на изменения удельного электрического сопротивления указывает на ключевую роль релаксации границ зёрен. Для определения, происходит ли сегрегация примесей на ГЗ, и как сегрегации и/или нанокластеры влияют на электросопротивление УМЗ материала, тонкая структура ГЗ будет изучена в дальнейшем с привлечением методов сканирующей просвечивающие электронной микроскопией и атомной зондовой томографии.
За 2019 год была разработана виртуальная модель зубного имплантата с уменьшенным на 10% диаметром, выполненная из ультрамелкозернистого титана Grade 4. Проведенные численные испытания данного устройства продемонстрировали, что за счет применения более прочного титана возможно уменьшение геометрии устройства как минимум на 10% - устройство с запасом выдерживает максимальные для стандартной геометрии приемлемые нагрузки (как статические, так и циклические).
В рамках отчетного периода методом компьютерного моделирования также были исследованы возможности миниатюризации устройств для лицевой хирургии. Показано, что миниатюризированное устройство (с уменьшенной на 19% площадью сечения устройства) с большим запасом выдерживает определенные для стандартной модели нагрузки: предел прочности ультрамелкозрнистого титатана Grade 4 не превышается ни в одной точке устройства, также устройство выдерживает более 1е7 циклов нагрузки и разгрузки по приведенной выше схеме нагружения. Таким образом, возможно дальнейшее уменьшение поперечного сечения устройства без потери его статической и усталостной прочности.

По итогам работы за 2 этап проекта «Актуальные проблемы механики объемных наноматериалов (часть 1: фундаментальные исследования)» опубликовано 6 (вместо 5) статей в журналах 1-2 квартиля SJR, а также 2 главы в монографию (вместо 1), защищено 2 диссертации - кандидатская и докторская (вместо 1), опубликовано 1 учебное пособие (из 1), сделано 4 приглашённых докладов на конференциях (вместо 2), привлечено средств за счёт переходящих или выигранных проектов – 6 млн.р (вместо 2 млн.р.), подано заявок – более, чем на 20 млн.р. (вместо 4 млн.р.). Таким образом, можно констатировать, что все заявленные показатели достигнуты в полном объёме и перевыполнены.

описание вклада в работу каждого из участников, допустима оценка в процентах (учётная форма ЦИТиС)

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.

передача полной копии отчёта третьим лицам для некоммерческого использования: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

не разрешается

проверка отчёта на неправомерные заимствования во внешних источниках: разрешается/не разрешается (учётная форма ЦИТиС)

разрешается

обоснование междисциплинарного подхода

Как следует из п.2, данный проект реализует междисциплинарный подход, связывающий научные методы и подходы механики деформируемого твёрдого тела, физики конденсированного состояния, материаловедения, инженерии.
Короткий заголовокGZ-2019
АкронимM3_2018 - 2
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания12/03/1931/12/19

Ключевые слова

  • объемные наноматериалы
  • интенсивная пластическая деформация
  • механический отклик
  • сверхпрочность
  • сверхпроводимость
  • функциональные свойства
  • стойкость к облучению
  • наноструктурный дизайн
  • разработка новых сплавов
  • разрушение
  • динамическая прочность
  • высокоскоростная деформации
  • Ультрамелкозернистые (УМЗ) материалы

Виды деятельности

  • 3 выступление с приглашенным докладом/лекцией
  • 1 выступление с устной презентацией

The 10th Pacific Rim International Conference on Advanced Materials and Processing (PRICM 10)

Руслан Зуфарович Валиев (Докладчик)

18 авг 201922 авг 2019

Деятельность: выступлениевыступление с устной презентацией

III Международная научная конференция «Наука будущего»

Руслан Зуфарович Валиев (Докладчик)

14 мая 201917 мая 2019

Деятельность: выступлениевыступление с приглашенным докладом/лекцией

Microstructure and Mechanical Properties of Heterogeneous Metals and Alloys

Руслан Зуфарович Валиев (Докладчик)

23 июн 201928 июн 2019

Деятельность: выступлениевыступление с приглашенным докладом/лекцией