Лаборатория «Механика градиентных наноматериалов им. А. П. Жиляева»

Научные результаты:

• Разработаны компьютерные FEM-модели процессов асимметричной прокатки, асимметричной криопрокатки, асимметричной аккумулирующей прокатки материалов с ГЦК-, ГПУ- и ОЦК-решеткой.
• Установлены на основе компьютерного FEM моделирования закономерности изменения энергосиловых параметров процесса асимметричной прокатки в зависимости от степени деформации, величины рассогласования окружных скоростей валков, коэффициента контактного трения, диаметра рабочих валков, исходной толщины и ширины листовой заготовки.
• Показано, что особенностью энергосиловых параметров процесса асимметричной прокатки в режиме интенсивной пластической деформации является значительное снижение (до 2 раз) силы деформирования в сравнении с обычной симметричной прокаткой при прочих равных условиях. При этом существенно возрастают моменты прокатки: до 3 раз – на валке, вращающемся с большей скоростью, и до 2 раз – на валке, вращающемся с меньшей скоростью.
• Установлено, что при асимметричной прокатке разнородных слоистых композитов (на примере ГЦК алюминиевых сплавов) деформация в более мягком из материалов на границе раздела становится экстремально высокой (е ≥ 10), в то время как деформация в более твердом материале остается почти неизменной (е ≈ 0,8...1,0). Сверхвысокая деформация на границе раздела может обеспечить сверхмалый размер зерна и повышенную прочность соединения разнородных металлов.
• Установлены закономерности формирования тепловых полей при асимметричной криопрокатке ГЦК алюминиевых сплавов. Определены параметры технологического процесса, обеспечивающие сохранение криогенных условий деформирования, разработаны технологические стратегии целенаправленного создания градиентной деформации и, соответственно, формирования градиентных микроструктур методом асимметричной тонколистовой прокатки с рассогласованием окружных скоростей рабочих валков и высоким противонаправленным фрикционным воздействием в материалах с ГЦК-, ГПУ- и ОЦК-решеткой.
• Разработаны компьютерные модели описания напряженно-деформированного состояния обрабатываемых материалов (Fe, Al, Cu, Ti) при симметричной и асимметричной прокатке, при равноканальном угловом прессовании (РКУП) и кручении под высоким квазигидростатическим давлении (КГД). На основе FEM-моделирования установлено, что схема совмещенного простого и чистого сдвига, включающая поворотную моду деформации, и реализуемая при асимметричной прокатке, является более эффективной в сравнении со схемой простого сдвига, реализуемой при РКУП, или схемой чистого сдвига, реализуемой при обычной (симметричной) прокатке. При оптимальных параметрах процесса асимметричной прокатки истинная деформация в обрабатываемом материале за один проход может достигать e ≥ 3…4, что соответствует 3-4 проходам РКУП.
• Разработаны 2 лабораторные методики физического моделирования процесса асимметричной прокатки: методика многоциклового деформирования по схеме «сжатие-сдвиг» специальных образцов в виде параллелепипедов с квадратным поперечным сечением и с двумя параллельными надрезами, выполненными на боковой поверхности под углом 45 градусов к вертикальной оси, с использованием универсальной испытательной машины Shimadzu AG-IC 300 kN; методика физического моделирования процессов асимметричной прокатки с использованием специально спроектированной конструкции лабораторной установки, в которой вместо прокатных цилиндрических валков использованы сегменты цилиндрического тела с индивидуальным гидроприводом и регулятором скорости (преобразователь частоты delta VFD015M21A, 1.5kW 220V).
• Получены протоколы испытаний, подтверждающие получение методами РКУП и КГД ультрамелкозернистых и наноструктурных состояний в материалах с ГЦК- (алюминий 1050, медь М1), ГПУ- (титан ВТ1-0) и ОЦК- (сталь 20) кристаллической решеткой. Получены акты изготовления образцов (алюминий 1050, медь М1, титан ВТ1-0, сталь 20) методом РКУП, акты изготовления образцов методом КГД (с числом полных оборотов N=1, 2, 4, 8 при комнатной температуре).
• Показано, что кручение под высоким давлением является более эффективным методом для измельчения структуры по сравнению с равноканальным угловым прессованием. Использование РКУ-прессования приводит к формированию УМЗ-структуры с размером зерна в пределах 100–1000 нм, а метод КГД позволяет получать средний размер зерна в пределах 50–200 нм.
• Показано, что эволюция структуры металла при обычной симметричной прокатке происходит вследствие полосообразования, что связано с монотонным течением металла, характерным для схемы деформирования чистым сдвигом.
• С использованием методов атомистического моделирования и первопринципных расчетов на основе теории функционала электронной плотности получены энергии образования и взаимодействия точечных дефектов в матрице Fe, а также энергии упорядоченных соединений, которые представляют собой соединения в четырех-подрешетной энергетической модели многокомпонентного твердого раствора. Рассчитаны возможные конфигурации точечных дефектов и получен массив данных, включающий термодинамические свойства (кристаллическая структура, молярный объем, энтальпия образования и константы упругости) наиболее стабильных выпадающих фаз, индуцированных деформацией, в сплавах ОЦК Fe при неравновесных условиях.
• Проведен первопринципный расчет энергий эффективных кластерных взаимодействий в тройной системе ГЦК Al-Mg-Mn. Установлено, что самые сильные взаимодействия между растворенными элементами наблюдаются, когда два примесных атома близки друг к другу и находятся на первой или второй координационных сферах. Взаимодействия быстро уменьшаются с увеличением размера кластеров. Расчеты взаимодействий показали, что пары атомов Mg предпочтительно будут находиться на второй координационной сфере. Это способствует формированию кластеров атомов Mg в направления <001>.
• Обнаружено, что атомы Mn в алюминиевой матрице склонны к упорядочению. Выделения в алюминиевых сплавах на ранних стадиях образуются посредством кластеризации точечных дефектов. Выделения остаются когерентными с алюминиевой матрицей, даже будучи механически неустойчивыми, пока не достигнут предельного критического размера.
• Рассчитаны энергии взаимодействия между атомами легирующих элементов Mg и Mn и вакансиями в алюминиевой матрице. Установлено, что атомы Mg и Mn связаны с вакансиями на первой координационной сфере. Показано, что энергия связи комплекса вакансия-Mn значительно больше, чем у комплекса вакансия-Mg. Рассчитанные энергии эффективных кластерных взаимодействий позволили провести параметризацию свободной энергии сплавов, используя сплавной гамильтониан и дали основу для предсказания распада в Al-Mg-Mn. Полученные энергии будут использованы для проведения атомистического моделирования образования наноразмерных выделений, что позволит понять закономерности процессов распада на ранних стадиях в данной системе.
• Установлены научно обоснованные требования к химическому составу и микроструктуре ГЦК алюминиевых деформируемых сплавов, обеспечивающие возможность достижения временного сопротивления на разрыв более 500 МПа (при комнатной температуре) и рабочих температур до 350°С без использования операций гомогенизации (слитки) и закалки. Установлено, что микроструктура должна удовлетворять следующим критериям: 1) высокая объемная доля фаз-упрочнителей, стойких к высокотемпературному нагреву; 2) низкая диффузионная подвижность атомов легирующих элементов при эксплуатационных температурах; 3) высокая температура солидуса. Цели реализации такой структуры наилучшим образом удовлетворяет система Al-Cu-Mn-Zr(Sс). С использованием программы Thermo-Calc определены оптимальные концентрации легирующих компонентов: 1,0-2,5 % Cu, 1,0-2,0 % Mn, 0,2-0,6 % Zr (до 0,15 % Sc).
• Показана возможность полного связывания железа и кремния в фазу Al15(Fe, Mn)3Si2, эвтектические включения которой имеют благоприятную морфологию. Установлены оптимальные концентрации этих элементов: 0,2-0,5%Fe и 0,2-0,5%Si.
• Выполнено развитие подходов «зернограничной инженерии» для управления структурой границ. В ходе исследования структуры образцов выявлено, что по мере увеличения степени деформации дислокации локализуются по границам ячеек. По мере увеличения деформации средняя разориентация ячеек растет, формируя ультрамелкозернистую фрагментированную структуру – предвестницу зеренной структуры. Дальнейшая деформация приводит к активации ротационных мод деформации, обеспечивая установившуюся стадию деформации. Понижение энергии дефекта упаковки вызывает изменение механизмов деформации, когда измельчение микроструктуры осуществляется путем образования полос сдвига. Измельчение структуры и распределение зерен по размерам определяется энергией дефекта упаковки, в частности, в ГЦК Al рекристаллизация начинается при относительно низких температурах и поэтому в таких материалах трудно получить ультрамелкозернистую структуру. Деформационное двойникование и дислокационное скольжение являются двумя основными конкурирующими механизмами пластической деформации в ГЦК металлах и сплавах. Двойники образуются либо в процессе кристаллизации, либо в результате механической или термической обработки. Двойники в алюминиевых сплавах наблюдаются достаточно редко из-за высокой энергии дефекта упаковки и поэтому двойники в Al образуются только при определенных условиях. Молекулярно-динамическое моделирование предсказало деформацию двойникования и миграцию двойниковых границ в нанокристаллическом Al. Расчет энергии дефекта упаковки осуществлялся в рамках теории функционала электронной плотности с использованием псевдопотенциального метода на базисе присоединенных волн.
• Показано, что температурная зависимость энергии дефекта упаковки явля­ется существенной и ее необходимо учитывать при моделировании пластической деформации. Расчет энергии дефектов упаковки для алюминиевых сплавов проводился методом точных МТ-орбиталей в рамках теории функционала электронной плотности.

Внедрение результатов исследования:

• Подано 4 патентные заявки на изобретения РФ: «Способ асимметричной криогенной прокатки», «Способ производства тонкой полосы», «Способ производства холоднокатаной полосы», «Неподвижный деформирующий элемент».
• Заключен контракт № К-79-18 от 28.12.2018 г. на работы по изготовлению и поставку реверсивного стана ДУО листовой прокатки с индивидуальным приводом рабочих валков.
• Разработано техническое задание на проектирование опытно-экспериментального стана асимметричной прокатки с индивидуальным приводом рабочих валков, предназначенного для практической реализации новых разрабатываемых технологий получения градиентных, бимодальных и гетерогенных наноматериалов.
• Опубликовано 3 научные статьи в рецензируемых журналах, входящих в международную систему цитирования Web of Science Core Collection, 6 научных статей – в журналах Scopus.
• Получены гранты по направлению научного исследования, руководителями которых являются члены научного коллектива: «Разработка и теоретико-экспериментальное исследование новых методов интенсивной пластической деформации для получения металлических наноструктурированных листов повышенной прочности», «Численное моделирование и разработка новых гибридных методов обработки сложнопрофильных изделий из материалов сверхвысокой прочности», «Разработка научно-технологических основ получения высокопрочных ультрамелкозернистых алюминиевых сплавов со структурами композиционного типа».

Организационные и инфраструктурные преобразования:

В 2021 году лаборатория переименована в лабораторию «Механика градиентных наноматериалов имени А.П. Жиляева». Введены в эксплуатацию уникальный, не имеющий аналогов в Европе, стан 400 асимметричной прокатки и роботизированный комплекс KUKA.

Образование и переподготовка кадров:

• Защиты: 1 докторская диссертация, 2 кандидатские диссертации.
• Проведены 2 научных семинара: посвященный открытию лаборатории в рамках Международной молодежной научно-практической конференции «Magnitogorsk Rolling Practice 2018»; посвященный Магнитогорской неделе материаловедения «Интенсивная пластическая деформация металлических материалов» (2018 г.).

Сотрудничество:

• Prof. J/ Szpunar (McGill University, Montreal, Canada), mcgill.ca
• Prof. Amiya Mukherjee (University of California at Davis, CA, USA), ucdavis.edu
• Prof. Maria Dolors Baro (University Autonomy of Barcelona, Bellaterra, Barcelona, Spain), uab.cat
• Prof. Terry McNelley (Naval Postgraduate School, Monterey, CA, USA), nps.edu
• Prof. Oscar Ruano, Dr. Fernando Carreno (Center for Metallurgy (CENIM-CSIC), Madrid, Spain), cenim.csic.es
• Dr. Maria Teresa Perez Prado (IMDEA Materials, Getafe, Madrid, Spain), materials.imdea.org
• Prof. Terence G. Langdon (University of Southampton, Southampton, UK), southampton.ac.uk
• Prof. Jose Maria Cabrera (University Polytechnical of Catalunya, Barcelona, Spain), upc.edu
• Prof. Hailiang Yu (Central South University, Changsha, China), en.csu.edu.cn
• Prof. Puneet Tandon (PDPM Indian Institute of Information Technology, Design and Manufacturing, Jabalpur, India), iiitdmj.ac.in/design.iiitdmj.ac.in 
• Prof. Klaus-Dieter Liss (Technion – Israel Institute of Technology), technion.ac.il/en/home-2 
• Prof. Megumi Kawasaki (Mechanical, Industrial & Manufacturing Engineering, Oregon State University), oregonstate.edu