Цели и задачи современного строительства и технологий ставят новые вызовы перед материаловедением. Как масштабные и амбициозные конструкции, так и микроустройства, предназначенные для работы в интенсивных и экстремальных условиях, требуют материалов с более высокими эксплуатационными свойствами, например, улучшенной прочностью и долговечностью. Эти цели могут быть достигнуты только благодаря тщательному научному дифференцированному подходу к проектированию материалов. Инновации по улучшению свойств и характеристик материалов будут все больше требовать процессов разработки материалов, которые максимально адаптируют свойства на химическом, наноструктурном и микроструктурном уровнях для предполагаемых условий эксплуатации.
В последние два десятилетия широкое распространение получили исследования, связанные с повышением физико-механических свойств металлических материалов за счет многократного уменьшения размеров зеренной структуры [1-3]. Такие наноструктурные (НС) ультрамелкозернистые (УМЗ) металлы и сплавы с размером зерен на наноуровне находятся на переднем крае современной науки о материалах, так как они демонстрируют выдающиеся свойства, которые делают их весьма интересными для перспективных применений в конструкционных и функциональных разработках. Однако для большинства конструкционных металлических материалов наблюдается конкурентный эффект прочности и пластичности. При этом снижение пластичности материала приводит к снижению характеристик его трещиностойкости, что значительно ограничивает применение НС и УМЗ материалов.
В связи с этим проблема повышения трещиностойкости НС и УМЗ материалов с сохранением их высокой прочности на разрыв является весьма актуальной задачей. Уже есть ряд результатов, которые демонстрируют возможность получения металлов и сплавов с одновременно высокой прочностью и хорошей пластичностью [4,5]. На основе этих результатов были предложены оригинальные идеи микроструктурного дизайна НС и УМЗ материалов, которые могут помочь оптимизировать их прочность и пластичность за счет создания определенной зеренной и зернограничной структуры, кристаллографической текстуры, наночастиц вторичных фаз, сегрегаций и других наноструктурных параметров [6]. Одним из перспективных направлений является формирование в материале гетерогенной структуры с доменами из ультрамелкозернистых структур с включениями крупных зерен, которые способствую смешиванию областей c различными деформационными способностями [7-9]. Развитие этого подхода является перспективным и требует дальнейших исследований в области получения гетерогенных материалов с заданными эксплуатационными свойствами. Такую возможность открывает сочетание ИПД с аддитивной печатью металлов [9]. Весьма актуальным является проведение систематических исследований, которые позволяют получить фундаментальные закономерности связи гетерогенной структуры, методов термомеханической обработки исходной заготовки с заданной архитектурой и характеристик пластичности и трещиностойкости, особенно в условиях быстропротекающих нагрузок.
Данный проект направлен на исследование и разработку гетерогенных легких металлических материалов и композитов с высокой прочностью, вязкостью и трещиностойкостью с помощью комбинации возможностей методов 3D печати для формирования первоначальной гетерогенной или слоистой структуры материалов и методов термомеханической обработки на основе методов ИПД. Кроме того, в проекте будет уделено особое внимание исследованию корректных и унифицированных достоверных методик определения механических параметров полученных гетерогенных материалов в случае сложного напряженно-деформированного состояния при испытаниях образцов, имеющих различные геометрические размеры, а также поведения таких материалов в условиях высокоскоростных и ударных нагрузках.
[1] H. Gleiter, Nanostructured materials: basic concepts and microstructure, Acta. Mater. 48 (2000) 1–29.
[2] R.Z. Valiev, A.P. Zhilyaev, T.G. Langdon, Bulk Nanostructured Materials: Fundamentals and Applications, 2014 by John Wiley & Sons, Inc. (пер. издание Р. З. Валиев, А. П. Жиляев, T. Дж. Лэнгдон; Объемные наноструктурные материалы: фундаментальные основы и применения; Эко-Вектор, 2017. — 480 с.)
[3] I. Sabirov, N.A. Enikeev, M.Y. Murashkin, R.Z. Valiev, Bulk nanostructured materials with multifunctional properties, Series: SpringerBriefs in Materials, Springer, 2015 (пер. издание И. Сабиров, Н. А. Еникеев, М. Ю. Мурашкин, Р. З. Валиев, Объемные наноструктурные материалы с многофункциональными свойствами, Санкт-Петербург, Эко-Вектор, 2018)
[4] Ma, E. Eight routes to improve the tensile ductility of bulk nanostructured metals and alloys. JOM 58, 49–53 (2006).
[5] Андриевский Р.А., Глезер А.М. Прочность наноструктур. УФН 179 337 (2009)
[6] I.A. Ovid'ko, R.Z. Valiev, Y.T. Zhu, Review on superior strength and enhanced ductility of metallic nanomaterials, Progress in Materials Science 94 (2018) 462–540.
[7] Xiaolei Wu &Yuntian Zhu Heterogeneous materials: a new class of materials with unprecedented mechanical properties,Materials Research Letters,(2017) 5:8,527-532.
[8] Z Horita, K Ohashi, T Fujita, K Kaneko, TG Langdon. Achieving High Strength and High Ductility in Precipitation-Hardened Alloys Adv Mater 2005;17:1599
[9] Y. Estrin, Y. Beygelzimer, R. Kulagin, Design of Architectured Materials Based on Mechanically Driven Structural and Compositional Patterning. Adv. Eng. Mater., 21 (2019): 1900487
