Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка новых подходов к повышению однородности пластической деформации

Номер контракта: 14.587.21.0018

Руководитель: Кайбышев Рустам Оскарович

Должность: руководитель лаборатории

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный национальный исследовательский университет"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
перспективные конструкционные материалы, наноструктурные материалы, алюминиевые сплавы, интенсивная пластическая деформация, равноканальное угловое прессование, измельчение зерен, прокатка, динамическое деформационное старение, портевен-ле шателье, прерывистая текучесть, шероховатость, прочность, пластичность, частицы.

Цель проекта:
Целью работы является исследование и разработка научных основ получения листовых деталей методом глубокой вытяжки из высокопрочных алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Mn-Zr(Sc) без образования полос Людерса на поверхности и с низкой шероховатостью. Для достижения поставленной цели будет изучено проявление эффекта ПЛШ в виде осцилляций, появление и распространение деформационных полос в процессе растяжения, образование рельефа на поверхности образцов в трех сплавах системы Al-Mg: твердом растворе AlMg сплаве; сплавах AlMg с когерентными и некогерентными частицами с тремя различными видами структуры для каждого материала: крупнозернистая структура с небольшой плотностью дислокаций, мелкозернистая структура с небольшой плотностью дислокаций и мелкозернистая структура с большой плотностью дислокаций. В рамках данного проекта будут решены следующие задачи: - разработка новых подходов к повышению однородности пластической деформации, к устранению или минимизации пластической нестабильность в сплавах Al-Mg, содержащих различные типы дисперсных частиц или без них, за счет управления структурой на основе изучения влияния структуры на эффект Портвена-Ле Шателье (ПЛШ); - установление закономерности проявления эффекта Портевена-Ле Шателье в алюминиевых сплавах 5ХХХ серии с когерентными и некогерентными наночастицами, а также без них, влияние на него размера зерен и плотности дислокаций, микроструктуры; - установление закономерностей влияния микроструктуры и наночастиц на на механическое поведение алюминиевых сплавов 5ХХХ серии, типы прерывистого течения, и на температурно-скоростную область существования эффекта Портевена-Ле Шателье; - установление микроскопических механизмов эффекта Портевена-Ле Шателье, определение критической степени деформации для начала прерывистого течения и энергии активации для возникновения динамического деформационного старения в крупнозернистом и мелкозернистом состояниях алюминиевых сплавов 5ХХХ серии, а также в зависимости от плотности дислокаций; - установление закономерностей влияния микроструктуры и фазового состава на квазистатические механические свойства алюминиевых сплавов 5ХХХ серии в широком интервале скоростей деформации, установление особенностей распространения макрополос локализации пластической деформации в зависимости от частиц вторых фаз и обработки материалов; - установление закономерностей влияния структуры и фазового состава алюминиевых сплавов 5ХХX серии на изменения сигналов акустической эмиссии. Проведение анализа акустической эмиссии, сопровождающей пластическую деформацию; - определение закономерностей изменения шероховатости в зависимости от скорости и температуры деформации, а также ее степени и состояния сплава. Исследование рельефа поверхности образцов алюминиевых сплавов 5ХХХ серии с различным фазовым составом и после разного вида обработок; - разработка научных основ повышения однородности пластической деформации перспективных алюминиевых сплавов 5ХХХ серии. На основании выполненных работ будет предложена усовершенствованная физическая модель эффекта ПЛШ в сплавах Al-Mg, а также выбран сплав с оптимальной структурой, который обеспечивает получение листовых деталей методом глубокой вытяжки с приемлемой шероховатостью поверхности и без топографических дефектов типа полос Людерса на поверхности.

Основные планируемые результаты проекта:
При реализации проекта, будут получены следующие научно-технические результаты исследований:
- анализ современных тенденций в исследованиях и разработках перспективных алюминиевых сплавах, подвергнутых интенсивной пластической деформации, аналитический обзор научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалах, относящихся к алюминиевым сплавам, должны быть приведены количественные данные по следующим свойствам материалов: предел текучести, предел прочности, относительное удлинение, температурно-скоростные условия проявления эффекта Портевена-Ле Шателье, его типы.
- Отчет о патентных исследованиях должен содержать информацию о способности разрабатываемого способа к повышению однородности пластической деформации алюминиевых сплавов 5ХХХ серии, содержащих когерентные и некогерентные наночастицы, и к правовой охране. В отчете о патентных исследованиях должен быть приведен анализ химического состава и механических свойств алюминиевых сплавов и способов их интенсивной пластической обработки, обеспечивающей получение листовых деталей методом глубокой вытяжки из высокопрочных алюминиевых сплавов 5ХХХ серии.
- количественные характеристики размера зерен и субзерен, плотность дислокаций, распределение границ зерен по разориентировкам, природы межфазных границ, размера и морфологии наночастиц в трех сплавах 5ХХХ серии в трех различных структурных состояниях каждого сплава: 1) AlMg сплава; 2) AlMgMnSc сплава с когерентными наночастицами; 3) AlMgMnZr сплава с некогерентными наночастицами в состояниях: 1) исходное состояние после литья и горячей прокатки или экструзии с крупнозернистой структурой с размером зерен около от 50 до 150 мкм и небольшой (1012 m-2) плотностью дислокаций, 2) состояние после равноканального углового прессования с мелкозернистой однородной структурой с размером зерен около 1 мкм с небольшой (1013 m-2) плотностью дислокаций и 3) состояние после равноканального углового прессования и последующей холодной прокатки представляет собой мелкозернистую структуру с размером зерен около 1 мкм с большой (>5×1014 m-2) плотностью дислокаций.
- значения твердости, пределов текучести, прочности и относительного удлинения для трех сплавов в трех различных структурных состояниях, должна быть определена температурно-скоростная область существования эффекта Портевена-Ле Шателье; типы прерывистого течения.
- зависимость критической деформации от температуры и скорости деформации для трех сплавов в трех различных структурных состояниях, , энергии активации для появления динамического деформационного старения; установление микроскопических механизмов эффекта Портевена-Ле Шателье.
- оценка влияние структуры сплавов AlMg; на образование поверхностного рельефа, шероховатость, характер разрушения для трех сплавов в трех различных структурных состояниях.
- Разрабатываемые способы повышения однородности пластической деформации должны быть адаптированы к серийному производству на отечественных металлургических предприятиях; должны быть сформулированы предложения по разработке технологии производства листовых деталей методом глубокой вытяжки из высокопрочных алюминиевых сплавов 5ХХХ серии без образования полос Людерса на поверхности и с низкой шероховатостью.
Алюминиевые сплавы, принадлежащих к 5ХХХ серии должны содержать когерентные (Al3(Sc,Zr)) и некогерентные (Al6Mn) наночастицы, либо не содержать их; после обработки разработанным способом поверхности образцов высокопрочных алюминиевых сплавов должны быть без образования полос Людерса и с низкой шероховатостью, а холодная вытяжка должна проходить без чрезмерного утонения.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом, создаваемого с использованием научных результатов, полученных при выполнении проекта будет: способ производства листовых деталей методом глубокой вытяжки из высокопрочных алюминиевых сплавов 5ХХХ серии должен обеспечивать однородность пластической деформации, поверхность листовых деталей должна быть без образования полос Людерса и с низкой шероховатостью (среднее арифметическое отклонение профиля (Ra) при базовой длине 2,5 мм не будет превышать 2 (Согласно ГОСТ 2789-73)).
В рамках проекта будет проведено комплексное исследование влияния измельчения зерна и плотности дислокаций на прерывистое течение в широком температурном и скоростном диапазонах в сплаве системы Al-Mg, содержащем дисперсные наноразмерные когерентные и некогерентные частицы и без них. Определен эффект влияния микроструктуры на температурную и скоростную область проявления эффекта ПЛШ, типы прерывистого течения. Установлены микроскопические механизмы эффекта Портевена-Ле Шателье, что позволит предсказывать условия возникновения эффекта PLC в мелкозернистых материалов

Впервые будут одновременно изучены процессы динамики дислокаций методом акустической эмиссии и топографических наблюдений, а также способы локализации деформации в макрополосах при растяжении. Это позволит продвинуться в понимании физической природы эффекта ПЛШ, предложить физический механизм, который описывает особенности его проявления в ультрамелкозернистых материалах. С практической точки зрения, это создаст основы для разработки высокопрочных сплавов системы AlMg c оптимальной структурой для получения из них листовых деталей методом холодной вытяжки.
На способ к повышению однородности пластической деформации алюминиевых сплавов 5ХХХ серии, содержащих когерентные и некогерентные наночастицы будет подана заявка на патент РФ.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Полученные научные результаты будут использованы в образовательном процессе. На основе выполняемых в рамках данного проекта научных разработок будет проводиться подготовка магистров по программе «Конструкционные наноматериалы».
Полученные научно-технические результаты могут быть использованы для изготовления ряда ответственных конструкций в судостроении, авиационной и ракетной промышленности, а так же вагоностроении для скоростных поездов.
С научной точки зрения важность проекта заключается в возможности анализа эффекта ПЛШ в условиях, когда размер рассматриваемых систем, например, поликристаллических зерен, становится сравнимым с характерными масштабами дислокационных структур. Этот анализ позволит развить представления о динамическом деформационном старении и предложить усовершенствованные физические модели, описывающие эффект ПЛШ. Это позволит разрабатывать новые промышленные сплавы системы AlMg и способы получения из них листов для холодной вытяжке без характерных для этих материалов поверхностных дефектов и локального утонения, в следствие пластической нестабильности
Возможными потребителями полученных результатов являются предприятия, занимающиеся
производством листовых деталей из сплавов AlMg, такие как ГКНПЦ им М.В.Хруничева НПО энергия, производители листов сплавов 5ХХХ серии такие как Алкоа РУС, Каменск-Уральский металлургический завод.
Полученные данные будут переданы ГКНПЦ им М.В.Хруничева для принятия решения о целесообразности изготовления деталей ракет по разработанной технологии и, соответственно, о необходимости разработки промышленного варианта данной технологии.
Проводимые исследования представляют интерес для ряда мировых научных центров, занимающихся подобными проблемами, например, для лабораторий Национального Научного Центра Франции в Париже, Гренобле и других городах, University at Urbana-Champaign at Illinois в США, Monash University в Австралии, Charles University в Чехии, и других. Они представляют интерес для научных центров, связанных с алюминиевой промышленностью, таких как Constellium, Grenoble (Франция). Более того, затрагиваемые фундаментальные вопросы имеют общий характер и будут представлять интерес для металлургической промышленности, связанной с разработкой других сплавов, например, сталей (международные центра ArceloMittal).

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения проекта по I этапу были получены следующие результаты:
Анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов, относящихся к разрабатываемой теме.
Отчет о патентных исследованиях.
Результаты экспериментальных исследований:
- Акт изготовления экспериментальных образцов трех перспективных алюминиевых сплавов, принадлежащих к 5ХХХ серии алюминиевых сплавов: 1) AlMg сплава; 2) AlMgMnSc сплава с когерентными наночастицами; 3) AlMgMnZr сплава с некогерентными наночастицами;
- Программа и методики испытания образцов перспективных алюминиевых сплавов 5ХХХ серии;
- Протокол анализа фазового состава алюминиевых сплавов 5ХХХ серии, полученного с использованием программы ThermoCalc;
- Протокол микроструктурных исследований алюминиевых сплавов 5ххх серии в исходном (крупнозернистом) состоянии;
- Акт изготовления экспериментальных образцов перспективных алюминиевых сплавов 5ХХХ серии для статических испытаний на растяжение;
- Протокол механических статических испытаний при комнатной температуре в крупнозернистом состоянии;
- Параметры микроструктуры, химический и фазовый состав алюминиевых сплавов 5ХХХ серии в исходном (крупнозернистом) состоянии;
- Данные по пределу текучести, пределу прочности, относительному удлинению, микротвердости алюминиевых сплавов 5ХХХ серии в крупнозернистом состоянии;
- Акт изготовления экспериментальных образцов трех перспективных алюминиевых сплавов, принадлежащих к 5ХХХ серии алюминиевых сплавов (1) AlMg сплав; 2) AlMgMnSc сплав с когерентными наночастицами; 3) AlMgMnZr сплав с некогерентными наночастицами), методом равноканального углового прессования.