Актуальность работы:
С момента открытия почти двести лет назад магний привлекает к себе повышенный интерес конструкторов в связи с высочайшей удельной прочностью. При более высокой прочности магний обладает жесткостью и плотностью, сопоставимой с самыми прогрессивными полимерами и при этом, в отличие от полимеров и алюминия, легко утилизируется и относительно легко перерабатывается для вторичного использования. Все это делает сплавы магния очень привлекательными для транспортных отраслей промышленности, где снижение веса является одной из приоритетных задач.
Следует также отметить, что магний обладает биосовместимостью и способностью к постепенному рассасыванию в биологических средах, и может применяться для изготовления биоразлагаемых изделий медицинского назначения (например, конструкций остеосинтеза или сосудистых стентов). Кроме того, магний является перспективным материалом в альтернативной энергетике для создания аккумуляторов водорода.
Несмотря на привлекательные свойства, магниевые сплавы имеют и ряд недостатков: низкая прочность и пластичность в литом состоянии, плохая деформируемость, низкая коррозионная стойкость. В настоящее время наблюдается большое количество исследований, направленных на решение данных проблем, активно развиваются государственные, международные научные программы и отраслевые проекты по созданию новых сплавов. Все это приводит к тому, что уже сейчас созданы сплавы с весьма привлекательными характеристиками, например, сплавы с LPSO структурой. Активно развиваются промышленные технологии получения магниевых сплавов и готовых изделий из них. С каждым годом увеличивается количество публикаций на конференциях и симпозиумах. Изучением магниевых сплавов активно занимаются как зарубежные, так и отечественные ученые (Mordlike B.L., Song G.L., Kawamura Y., Witte F., Agnew S.R., Barnett M.R., Mathis K., Эстрин Ю.З., Виноградов А.Ю., Маркушев М.М., Добаткин С.В., Валиев Р.З. и многие другие).
В то же время, публикационная активность российских ученых по сравнению с зарубежными коллегами крайне мала, что подтверждается данными международных систем цитирования. При том, что Россия занимает второе место в мире по производству магния, она значительно отстаёт в развитии наукоемких технологий в данной области. В то время как за рубежом создаются крупные научно-исследовательские центры по изучению и разработке новых магниевых сплавов, в России основные исследования ведутся в отдельных организациях, среди которых Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (Уфа), Уфимский государственный авиационный технический университет (Уфа) Белгородский государственный университет (Белгород), Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (Москва), Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова Российской академии наук (Москва) и др.
Тем не менее, при всем обилии разработок, физико-механические характеристики магниевых сплавов по-прежнему оставляют желать лучшего - главным образом, из-за пробелов в понимании механизмов деформации, а потенциал повышения их характеристик далеко не исчерпан.
Таким образом, по-прежнему актуальным остается проведение работ, направленных на получение сплавов с повышенными эксплуатационными характеристиками, а также фундаментальное понимание природы изменения свойств. При этом ключевой задачей является понимание связи механизмов деформации с условиями нагружения и состоянием микроструктуры, которая в конечном итоге и обеспечивает получение заданных характеристик.
Объект исследования:
Чистый магний, магниевые сплавы ZK60 (Mg-5,8Zn-0,8Zr) и ZK30 (Mg-2,6Zn-0,01Zr).
Предмет исследования:
Влияние структурных факторов и условий нагружения на кинетику деформационных процессов в магниевых сплавах и их механическое поведение в целом.
Исследовательские задачи решенные при выполнении работы:
1. Подобран комплекс стандартных методик исследования и характеризации магниевых сплавов; разработана методика анализа видеоданных для автоматизации подсчета образующихся двойников.
2. Получены магниевые сплавы в различном структурном состоянии путем применения различных схем и режимов механической и термической обработок.
3. Определены основные зависимости между условиями обработки и получаемой микроструктурой.
4. Установлена связь между структурными параметрами сплавов и их механическими свойствами при статическом и циклическом нагружении в зависимости от режимов обработки.
5. Выявлены особенности морфологии поверхности и характер разрушения сплавов в различном структурном состоянии.
6. Проведены статические и циклические испытания одновременно со скоростной видеосъемкой поверхности и записью сигналов акустической эмиссии (АЭ) и установлены особенности протекания механизмов деформации, ответственных за механическое поведение магниевых сплавов.
7. Разработана феноменологическая модель кинетики накопления двойников, учитывающую экспериментально наблюдаемые микроструктурные параметры.
Научная новизна:
• На основе синхронизированной записи механических диаграмм, сигналов акустической эмиссии и видеосъемки поверхности установлены особенности деформационного поведения и работы механизмов деформации для чистого магния и сплавов системы Mg-Zn-Zr при различных условиях нагружения.
• Установлен нижний предел скорости образования двойника, который находится на уровне 100 м/c, и скорости роста двойника - 10-4-10-3 м/с.
• Разработана феноменологическая модель кинетики двойникования, которая учитывает структурные характеристики материала и позволяет определять объемную долю двойников как функцию от приложенного напряжения.
Практическая значимость:
• Разработанный алгоритм обработки видеоданных может быть с успехом применен для количественного анализа процесса двойникования и упрощения рутинной работы по обработке больших объемов данных.
• Применение методов интенсивной пластической деформации позволило для сплава Mg-5,8Zn-0,8Zr (ZK60) получить механические характеристики на уровне: временное сопротивление 325 МПа, относительное удлинение 40% и предел выносливости 120 МПа, сочетание которых является превосходным показателем для данного сплава и повышает его привлекательность для применения в автомобильной и авиакосмической отраслях.
• Установленные особенности деформационного поведения чистого магния и его сплавов и разработанная феноменологическая модель накопления двойников могут быть использованы для разработки и прогнозирования свойств новых сплавов с повышенными механическими характеристиками.
• Использованная в работе методика кластерного анализа сигналов акустической эмиссии для идентификации процессов дислокационного скольжения и двойникования в магниевых сплавах может быть применима для изучения кинетики механизмов деформирования и в других материалах.
Выходные данные работы:
Наименование работы: Кинетические особенности механизмов деформации магниевых сплавов при статическом и циклическом нагружении
Автор работы: Васильев Евгений Викторович
Научный руководитель: д.ф.-м.н., профессор Мерсон Дмитрий Львович (НИИПТ Тольяттинский государственный университет)
Работа выполнена в: НИО-2 «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы» Научно-исследовательского института прогрессивных технологий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» (ФГБОУ ВПО ТГУ)
Официальные оппоненты: д.т.н. Волков Алексей Юрьевич (Институт физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук);
к.т.н. Кулясова Ольга Борисовна (НФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет»).
Ведущее предприятие: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук (ИПСМ РАН), г. Уфа
Дата и место защиты: 14.12.2018г. ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет»
Во вложении pdf-файл Диссертационной работы и ее Автореферата
