Деформационное поведение перспективных магниевых сплавов c LPSO структурой: экспериментальное исследование in-situ и моделирование

В последнее время в мире наблюдается стремительный рост интереса к магниевым сплавам, вызванный, с одной стороны, потребностью авиа- и автомобилестроения в новых сверхлегких материалах и, с другой стороны, развитием технологий обработки магния.

В 2001 г. в Кумамото университете (Япония) профессором Kawamura с сотрудниками были открыты фундаментальные принципы и технологические приемы получения сплавов с, так называемой, LPSO (Long-Period Stacking Ordered) структурой, которые значительно превосходят по своим свойствам обычные литейные и деформируемые магниевые сплавы, а также многие алюминиевые и титановые сплавы и имеют высокий потенциал для значительного расширения области применения магниевых сплавов.

Наноструктурная LPSO фаза является химически и топологически упорядоченной, выступает в роли упрочняющего фактора и служит “визитной карточкой” данной группы сплавов. Проводимые до настоящего времени фундаментальные исследования в основном были сосредоточены на анализе ее тонкой структуры. Однако до сих пор не существует удовлетворительной модели, объясняющей описанный эффект LPSO структуры. В связи с этим, настоящий проект направлен на достижение фундаментального понимания деформационных механизмов магниевых сплавов c LPSO структурой, без которого невозможно ожидать существенного улучшения их характеристик.

Выполнение проекта планируется в тесной кооперации с Центром исследования магния Университета Кумамото, Япония (первооткрывателя магниевых сплавов с LPSO структурой), с которым Тольяттинский государственный университет (ТГУ) в июне 2015 г. заключил Договор о сотрудничестве в области магниевых технологий, и с Департаментом физического материаловедения факультета математики и физики Карлов Университета (Прага, Чешская Республика), с которым ТГУ в настоящее время выполняет совместный проект по магниевой тематике в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы».

Основная идея проекта состоит в том, что для прорыва в понимании физической природы упрочняющего эффекта магниевых сплавов наноструктурной LPSO фазой, предлагается применить уникальное сочетание целой группы экспериментальных методов insitu: (1) метод дифракции нейтронов в режиме реального времени (совместно с Карловым Университетом,); (2) скоростная видеосъемка высокого разрешения (ТГУ); (3) акустоэмиссионные исследования (ТГУ). Методы in situ будут дополнены просвечивающей электронной микроскопией высокого разрешения (совместно с Университетом Кумамото), сканирующей электронной микроскопией (ТГУ), лазерной конфокальной сканирующей микроскопией (ТГУ) и теоретическим моделированием (ТГУ). При этом, ключевая роль будет отведена методу акустической эмиссии (АЭ), уникальность которого заключается в его способности отражать в режиме реального времени информацию о перемещении дефектов в твердых телах с высокой разрешающей способностью по времени и в его чувствительности к зарождению и росту двойников, полос сброса, а также к коллективному движению дислокаций. Распознавание конкретных механизмов деформации будет осуществляться с помощью разработанных коллективом исполнителей проекта уникальных методов регистрации, обработки и анализа АЭ информации.

Основным итогом выполнения проекта станет разработка теоретической модели сбросо-образования, адекватно описывающей макроскопическое поведение материала с LPSO структурой, его деформационное упрочнение, пластичность и прочность. Кроме того, планируемые исполнителями комплексного проекта публикации совместных статей в высокорейтинговых изданиях и получение в ходе выполнения проекта положительного опыта международного сотрудничества будут служить серьезным базисом для участия в новых крупных совместных проектах, финансируемых международными программами.

Проблема энергосбережения и ужесточение требований к атмосферным выбросам CO2 заставляют искать все более легкие и эффективные материалы для транспортного машиностроения. Магний - самый легкий конструкционный металлический метал: более чем в четыре раза легче стали, почти в три раза титана и на 30% легче алюминия. В последнее время в мире наблюдается стремительный рост интереса к магниевым сплавам, вызванный, с одной стороны, потребностью авиа- и автомобилестроения в новых сверхлегких материалах и, с другой стороны, развитием технологий обработки магния [1]. Благодаря постоянному повышению технологичности и механических свойств, спектр применения магниевых сплавов непрерывно расширяется. Один из наиболее ярких результатов в развитии перспективных магниевых сплавов с улучшенным комплексом свойств был получен в 2001 г. в Кумамото университете (Япония) профессором Kawamura и др. [1], когда были открыты фундаментальные принципы и технологические приемы получения сплавов с, так называемой, LPSO (Long-Period Stacking Ordered) структурой, которые значительно превосходят по своим свойствам обычные литейные и деформируемые магниевые сплавы, а также многие алюминиевые и титановые сплавы и имеют высокий потенциал для значительного расширения области применения магниевых сплавов. Их прочность достигает рекордных 600 МПа при достаточной пластичности, теплостойкости и коррозионной стойкости. Эти сплавы являются наиболее новыми и перспективными в классе магниевых сплавов, но при этом мало исследованными. Поэтому до сих пор остается много открытых вопросов, прежде всего, связанных с пониманием связи структура-свойства таких материалов.

Наноструктурная LPSO фаза является химически и топологически упорядоченной, выступает в роли упрочняющего фактора и служит “визитной карточкой” данной группы сплавов. Проводимые до настоящего времени фундаментальные исследования в основном были сосредоточены на анализе ее тонкой структуры. Например, в партнёрском университете Кумамото (Япония) такие исследования массово проводились с целью прояснения механизма упрочнения и механических свойств. Однако до сих пор не существует удовлетворительной модели, объясняющей описанный эффект LPSO структуры. В связи с этим, настоящий проект направлен на достижение фундаментального понимания деформационных механизмов магниевых сплавов c LPSO структурой, без которого невозможно ожидать существенного улучшения их характеристик.

[1] Kawamura et al., Materials Transactions, 42 (2001) 1172-1176.

1. Экспериментально исследовать кинетику поведения полос сброса в LPSO структуре методами in-situ с применением методов быстрой микроскопической видеосъемки, акустической эмиссии и нейтронной дифракции в зависимости от скорости деформации и температуры испытания.
2. Количественно описать морфологию полос сброса методами лазерной конфокальной сканирующей микроскопии и электронной сканирующей микроскопии.
3. Исследовать механизм образования полос сброса методами просвечивающей микроскопии высокого разрешения.
4. Выяснить природу и движущую силу образования полос сброса.
5. Построить теоретическую модель сбросо-образования, адекватно описывающую макроскопическое поведение материала с LPSO- структурой, его деформационное упрочнение, пластичность и прочность.).

1. Приготовлены магниевые сплавы с различной объемной долей LPSO структуры (до 100% LPSO).
2. Описаны микроструктуры при помощи просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения.
3. Результаты деформационного поведения магниевых сплавов в зависимости от объемной доли LPSO фазы, документированные in-situ методами: нейтронной дифракции, скоростной видеосъемки высокого разрешения и акустической эмиссии.
4. Получены зависимости механических диаграмм и коэффициенты деформационного упрочнения как функция деформации, скорости деформации и температуры.
5. Исследованы деформационный рельеф и свойства полос сброса методами лазерной конфокальной и электронной сканирующих микроскопии.
6. Описана кинетика образования полос сброса в увязке с развитием дислокационной структуры и двойникования в -Mg фазе по результатам анализа акустико-эмиссионной информации с помощью инновационных методик и данным высокоскоростной видеосъемки.
7. Построена теоретическая модель сбросо-образования, описывающая макроскопическое поведение материала с LPSO структурой, его деформационное упрочнение, пластичность и прочность.
8. Опубликованы совместные статьи в высокорейтинговых изданиях, получен положительный опыт международного сотрудничества и создан существенный задел для участия в совместных крупных проектах, финансируемых международными программами.