| Название: | Изучение кинетики образования и развития повреждаемости при длительном нагружении наноструктурных и субмикрокристаллических металлов и сплавов с целью разработки научных основ и практических путей оценки и повышения их долговечности (эксплуатационного ресурса) |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры |
| Ключевые слова: | Прочность, разрушение, долговечность, ползучесть, усталость, развитие и залечивание повреждений, нанопоры, трещины, наноструктурные и субмикрокристаллические металлы и сплавы, титан, механотермостабильность, модуль Юнга, фемтосекундное лазерное облучение |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Кадомцев,АГ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 19-12-00221 |
Проблема оценки долговечности (эксплуатационного ресурса) конструкционных металлов и сплавов и разработка методов её повышения является одной из фундаментальных задач физики прочности. Данный проект направлен на решение этой задачи для высокопрочных наноструктурных и субмикрокристаллических (НС и СМК) металлов и сплавов, полученных воздействием пластической деформацией в сочетании с традиционными методами термомеханической и механо-термической обработки.
Актуальность данной проблемы заключается в том, что полученные воздействием пластической деформацией метастабильные НС и СМК материалы при длительных механических или тепловых воздействиях в определенной степени теряют свои высокие прочностные характеристики, что ограничивает их практическое использование. Научная значимость решения этой проблемы заключается в выявлении параметров дефектной структуры материала, способствующей переходу к разрушению, а также кинетических закономерностей перехода к этому состоянию при длительных нагружениях.
Проблема влияния модификации тонких приповерхностных слоев поликристаллических, а особенно НС и СМК материалов, на их механические свойства является одной из центральных в разработке научных основ повышения усталостной прочности указанных материалов при их мало- и многоцикловых испытаниях. Для этих испытаний надежно установлен факт преимущественного зарождения пор и трещин при мало- и многоцикловой усталости в приповерхностных слоях.
В настоящем проекте впервые планируется проведение комплексного исследования данного вопроса на примере крупнозернистого (КЗ), субмикрокристаллического и наноструктурированного технически чистого титана марки ВТ1-0, испытанного в области гигациклововой усталости (в сравнении с соответствующими исследованными ранее особенностями для многоцикловой усталости), в том числе после фемтосекундного лазерного облучения. Результаты такого исследования могут быть основой конкретных практических рекомендаций по повышению усталостной прочности исследуемых сплавов.
Как известно, проведение фемтосекундной лазерной обработки поверхности титана может оказывать влияние на усталостные свойства. В работе авторов проекта [Ю.Р. Колобов, Е.А. Корнеева, И.Н. Кузьменко, А.Н. Скоморохов, С.И. Кудряшов, А.А. Ионин, С.В. Макаров, А.Ю. Колобова, С.С. Манохин, В.И. Бетехтин, А.Г. Кадомцев. Влияние поверхностной обработки фемтосекундным импульсным лазерным излучением на механические свойства субмикрокристаллического титана // Журнал технической физики.– 2018.– Т. 88.– № 3.– С. 396–401] на примере субмикрокристаллического технически чистого титана показано, что фемтосекундная лазерная обработка приводит к небольшому повышению условного предела выносливости на базе 106 циклов.
Конкретная задача, на решение которой направлен проект, заключается в выявлении кинетических закономерностей накопления дефектов, в первую очередь пор и трещин, в СМК и НС титане марки ВТ1-0 при различных способах длительных испытаний (ползучесть, гигацикловая усталость) и выявление предельной степени дефектности и особенностей её локализации перед «исчерпанием» долговечности. Выбор в качестве основных объектов титановых сплавов обусловлен перспективностью использования этих материалов в медицине и авиакосмической технике. Для выявления общности или специфики результатов исследованного Ti, отдельные опыты по ползучести, частично усталости, будут проведены на Al. Алюминий и его сплавы, как и Ti и сплавы на его основе, широко используются в авиакосмической технике.
При изучении НС и СМК металлов и сплавов авторы будут исходить из классических работ физиков и механиков, занимавшихся проблемами прочности. Согласно [В.В. Новожилов, ПММ 29, 4, 681 (1965); В.В. Новожилов, Ю.И. Кадашевин, О.Г. Рыбакина. ДАН СССР 270, 4, 831 (1983); Ю.И. Работнов. Ползучесть элементов конструкций. Наука, М. (1996). 210 с; Л.М. Качанов. Основы механики разрушения. Наука, М. (1974). 142 с] в течение всего времени пребывания материалов под нагрузкой в них накапливается пластическое разрыхление (разуплотнение), обусловленное в основном образованием повреждений (например, пор, трещин). Согласно [С.Н. Журков. Изв. АН СССР. Неорган. материалы 3, 10, 1767 (1967); В.Р. Регель, А.И.Слуцкер, Э.И. Томашевский. Кинетическая природа прочности твердых тел. Наука, М. (1979). 560 с] образование пор и трещин начинается практически с момента нагружения материалов уже на ранних стадиях пластической деформации. При этом учитывался вклад в образование повреждений трансформации при деформации реальной структуры.
Важная роль пористости в формировании свойств твердых тел, в том числе в закономерностях их разрушения, отмечалось (в соавторстве) с одним из исполнителей проекта [П.Г. Черемский, В.В. Слезов, В.И. Бетехтин. Поры в твердом теле. Энергоатомиздат, М. (1990). 374 с]. В проекте впервые будет учитываться вклад в долговечность нанопор в «исходных» НС и СМК материалах. Такие нанопоры, как было обнаружено в предыдущих работах авторов проекта, образуются при обработках, связанных с воздействием интенсивной пластической деформацией.
Ожидаемые результаты
Анализ полученных данных о кинетике эволюции структуры и поврежденности при длительных испытаниях нано- и субмикрокристаллических металлов и сплавов (ползучесть, усталостные испытания, включая гигацикловую усталость) позволит, исходя из кинетического подхода к разрушению, предложить концепцию оценки долговечности таких материалов. Значимость полученных результатов определяется тем, что они имеют как значительную научную ценность, так и перспективы практического применения. Научная значимость определяется тем, что будут получены соответствующие мировому уровню данные об изменении дефектной структуры КЗ, СМК и НС металлов и сплавов при длительных испытаниях, в том числе после фемтосекундной лазерной обработки, а практическая – появится возможность на основе кинетического подхода оценивать и прогнозировать долговечность изделий, эксплуатируемых в таких условиях, и предложить научно обоснованные методы повышения ресурса их эксплуатации.
