КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-79-00304

НазваниеПрирода дисперсионного упрочнения деформированного сплава Al–Cu с добавками Mg

РуководительЗуйко Иван Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет", Белгородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые словаалюминиевый сплав, старение, дисперсные частицы, прочность и пластичность, термическая обработка, термодинамика, кинетика и механизмы фазовых превращений, ПЭМ

Код ГРНТИ55.21.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемый проект посвящён установлению эффективности упрочнения дисперсными частицами различных метастабильных фаз с когерентными и полукогерентными межфазными границами в деформированном алюминиевом сплаве Al–Cu с небольшими добавками Mg, а так же закономерностей, термодинамики, кинетики и механизмов смены стадий при старении с целью повышения прочности и пластичности. Полученные данные будут проанализированы в сравнении с аналогичными результатами, полученными ранее для недеформированного состояния сплава. Актуальность проекта обусловлена получением новых данных из области физического материаловедения алюминиевых сплавов и разработкой на их основе термомеханической обработки, которая обеспечит уникальное сочетание прочности и пластичности. Современные сплавы семейства Al–Cu имеют высокие показатели прочности и пластичности, которые достигаются за счёт легирования небольшими добавками Mg и других элементов переходных металлов, а также использования термомеханической обработки. Этот подход позволяет одновременно поднять условный предел текучести на 25%, а пластичность в 1,5 раза, что открывает для этих сплавов широкий спектр применения. В то же время, природа такого положительного эффекта небольших добавок легирующих элементов и деформации (между операциями закалки и старения) остаётся не ясной. Этому способствует то обстоятельство, что достоверно неизвестно какие из частиц наиболее эффективно упрочняют алюминиевые сплавы, даже несмотря на тот факт, что в физическом материаловедении сплавы Al-Cu считаются наиболее изученными. Прежде всего, в рамках данного проекта планируется определить удельное упрочнение от вышеуказанных фаз. Кроме того, будет установлен удельный объем выделяющихся при старении метастабильных фаз. Так же планируется определить пределы растворимости легирующих элементов, которые находятся в равновесии с разными метастабильными фазами (линии сольвусов). Эти работы позволят оценить максимально возможное упрочнение от метастабильных частиц вторых фаз, выделяющихся при старении в деформированной матрице. Ещё одной крайне важной задачей проекта является определение закономерности в суперпозиции дислокационного упрочнения и дисперсионного упрочнения, поскольку основной обработкой этих сплавов является термомеханическая, а предварительные работы явно указывают на то, что правило линейной аддитивности для этих двух механизмов нарушаются при больших степенях промежуточной деформации. Оценивая величины дисперсионного упрочнения, а также удельный объем, численную плотность и размеры частиц упрочняющих фаз, плотность дислокаций, размер кристаллитов в ходе выполнения проекта планируется установить природу упрочнения этого типа сплавов после термомеханической обработки. Сравнение полученных в ходе выполнения проекта данных с предварительно полученными результатами в недеформированном сплаве позволит разработать такие режимы термомеханической обработки, которые обеспечат уникальное сочетание и прочности и пластичности, совершенно недостижимые при использовании стандартных режимов обработки. Научная новизна предполагаемого исследования сплава Al–Cu с небольшими добавками Mg, подвергнутого термической или термомеханической обработкам, будет заключаться в следующем: 1. Будет установлен характер взаимодействия различных частиц метастабильных фаз с дислокациями и на этой основе будет выявлена величина удельного упрочнения от различных метастабильных фаз. 2. Будет установлены закономерности суперпозиции дисперсионного и дислокационного упрочнения в зависимости от типа, морфологии, типа границ и объемной долей метастабильных фаз, а так же от плотности дислокаций. Это позволить выявить природу одновременного повышения прочности и пластичности. 3. Будет установлено положения линий сольвусов различных метастабильных фаз на диаграмме состояния. 4. Будут разработаны режимы термомеханической обработки, обеспечивающие уникальное сочетание прочности и пластичности.

Ожидаемые результаты
При выполнении предлагаемого проекта, т.е. при исследовании эволюции микроструктуры и свойств сплава Al–Cu с небольшими добавками Mg, подвергнутого термической или термомеханической обработке, планируется получить следующие основные результаты: 1. Будут получены данные о морфологии, удельном объеме, численной плотности частиц метастабильных фаз после различных режимов термической или термомеханической обработки, что позволит поострить их сольвусы на диаграмме состояния. 2. Будут определены удельные величины дисперсионного упрочнения от различных метастабильных фаз и оценено максимально возможное дисперсионное упрочнение от этих частиц. На основе этих данных будут проанализированы механизмы упрочнения, действующие в деформированном сплаве, и выявлены закономерности суперпозиции дисперсионного и дислокационного механизмов упрочнения в зависимости от типа и величины удельного объема частиц, а также от плотности дислокаций. Так же будет определена эффективность упрочнения частицами метастабильных вторых фаз в деформированной алюминиевой матрице в зависимости от плотности дислокаций. 3. На основе анализа величин дисперсионного упрочнения от метастабильных фаз и сравнение данных теоретических расчетов с результатами экспериментальных исследований будет разработана концепция микроструктурного дизайна сплавов системы Al–Cu с небольшими добавками Mg, обеспечивающего наилучшее сочетание механических свойств. 4. На основе вышеуказанного микроструктурного дизайна будут разработаны новые научно-обоснованные режимы термомеханической обработки, которые обеспечат дальнейшее повышение прочности и пластичности материала. Научная значимость полученных результатов определяется следующим вкладом в развитие физического материаловедения алюминиевых сплавов: 1. Предельная растворимость Cu в Al, находящаяся в равновесии с различными метастабильными фазами. 2. Удельная эффективность дисперсионного упрочнения от различных метастабильных фаз в сплавах Al–Cu c небольшими добавками Mg. 3. Закономерности и механизмы суперпозиции дисперсионного и дислокационного упрочнения и влияния на них природы метастабильных фаз, их плотности, а также плотности дислокаций. 4. В процессе выполнения проекта будет предложена модифицированная модель взаимодействия частицы, имеющую форму диска с дислокацией, что позволит повысить точность теоретических расчетов величины дисперсионного упрочнения. Сравнение теоретических расчетов механизмов упрочнения по существующим моделям с экспериментальными результатами позволит выяснить причины высокой прочности и пластичности в сплавах Al-Cu c небольшими добавками Mg. Данные по удельному объему и плотности частиц метастабильных фаз, термодинамики, кинетики и механизмах фазовых превращений при старении, а также выполненный на их основе теоретический анализ предельной растворимости легирующих элементов в матрице, позволят изменить существующие взгляды на процессы, происходящие при старении. Более того появится возможность построить актуализированные диаграммы метастабильного равновесия. Все это существенно расширит представления о процессах формирования оптимального микростурктурного дизайна огромного числа алюминиевых термоупрочняемых сплавов. Что, несомненно, найдёт своё практическое применение. Научные результаты будут соответствовать или превосходить мировой уровень, что позволит опубликовать результаты проекта в журналах, входящих в первый квартиль (Q1) по импакт-фактору JCR, а именно: - Materials Science and Engineering: A (Q1, IF=3,414), - Metallurgical and Materials Transaction A (Q1, IF=1,887) - Journal of Alloys and Compounds (Q1, IF=3.779) и др. Разработанная в рамках проекта научная основа термомеханической обработки будет использована для производства листов из сплава АА2519 с уникальным сочетанием прочности и пластичности. Эти листы найдут своё применение в авиакосмической промышленности, криогенной технике, транспортном машиностроении, а также в качестве материала корпусов легкобронированных военных машин.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках первого этапа были исследованы закономерности изменения микроструктуры и свойств алюминиевого термоупрочняемого сплава Al-Cu с малыми добавками Mg (AA2519). Было установлено что значительный прирост твёрдости/прочности наблюдается после старения при 160°С и 180°С, что связано с выделением полукогерентной θ′-фазы(Al2Cu). Методом анализа ПЭМ-снимков были установлена эволюция всех численных морфологических характеристик θ′-частиц в процессе старения. Установлены параметры кинетики роста упрочняющей θ′-фазы. Он подчиняется кубическому закону, т.е. процесс имеет диффузионно-контролируемую природу. Вычислено что энергия активации диффузии роста частиц θ′-фазы составляет 132 кДж мол-1, эта величина близка к энергии активации диффузии меди в алюминии. В рамках выполнения первого этапа проекта, полученные результаты были представлены на 2 международных конференциях. По результатам исследований были опубликованы одна статья в журнале из перечня Q1, индексируемом базами данных Web of Science и Scopus, а так же две статьи в изданиях, индексируемых базой данных РИНЦ.

 

Публикации

1. Зуйко И.С., Кайбышев Р.О. Ageing response of cold-rolled Al–Cu–Mg alloy Materials Science and Engineering: A, Volume 781, Article number 139148 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139148

2. Зуйко И.С. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО СТАРЕНИЯ НА СВОЙСТВА ХОЛОДНОКАТАННОГО СПЛАВА AL-CU-MG Общество с ограниченной ответственностью Эпицентр (Белгород), СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫХ СПЛАВОВ И ПОКРЫТИЙ Техническая программа и тезисы школы молодых ученых, стр. 37 (год публикации - 2019)

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках заключительного этапа были исследованы закономерности изменения микроструктуры и свойств алюминиевого термоупрочняемого сплава Al-Cu с малыми добавками Mg (AA2519) после применения к сплаву НТМО, параметры которого варьировались в широком диапазоне. Было установлено что во время искусственного старения плотность дислокаций в материале снижается незначительно, то есть явление возврата протекает относительно слабо. Методом EBSD-анализа было установлено формирование аксиальной текстуры деформации. Были получены морфологические характеристики основой упрочняющей θ′-фазы (Al2Cu). На основании экспериментальных данных были рассчитаны вклады от различных механизмов упрочнения в общую величину условного передела текучести. Теоретические расчёты хорошо совпали с экспериментальными величинами, что может свидетельствовать о применимости модели. В рамках выполнения второго этапа проекта, полученные результаты были представлены на одной международной конференции. По результатам исследований были опубликованы две статьи в журналах, индексируемых базами данных Web of Science и Scopus. Один из журналов входит в Q1.

 

Публикации

1. Зуйко И.С., Миронов С.Ю., Кайбышев Р.О. Unusual ageing behaviour of friction-stir welded Al–Cu–Mg alloy Materials Science & Engineering A: Structural Materials: Properties, Microstructure and Processing, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.139882

2. И. Зуйко, С. Малофеев, С. Миронов, Р. Кайбышев On the extraordinary precipitation in an Al–Cu–Mg alloy subjected to friction stir welding IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, - (год публикации - 2020)

Возможность практического использования результатов
В рамках проекта были исследованы структурные изменения и соответствующее им механические свойства современного высокопрочного Al-Cu-Mg сплава. Сплав демонстрирует великолепные для своего класса механические свойства. Исследование микроструктуры и свойств сформировало научный задел для дальнейших поисковых работ по установлению оптимального микроструктурного дизайна алюминиевых сплавов для авиакосмической и оборонных промышленностей, а так же сокращения веса конструкций и как следствие снижения количества вредных выбросов в окружающую среду.