Ученые Южно-Уральского государственного университета совместно с Челябинским государственным университетом занимаются созданием новой технологии конструкционного материала с уникальными свойствами на основе алюминиевых сплавов. Целью исследования стало получение сплава, обладающего легкостью и высокой прочностью, что позволит применять его в авиации и ракетно-космической промышленности.
Для космоса и авиации нужен новый материал
Результаты исследования опубликованы в научном издании International Journal of Plasticity, индексируемом базами данных Scopus и Web of Science. В научной статье представлены особенности развития пластической деформации в алюминиевых сплавах.
Прочность алюминия относительно невелика, и в XIX веке считалось, что он может быть использован только для декоративных изделий. История алюминия как конструкционного материала началась в начале ХХ века, когда был создан первый из относительно прочных алюминиевых сплавов, впоследствии названный дюралюминием. Добавка меди и магния с последующими закалкой и выдержкой при определенной температуре способствуют увеличению прочности сплава по сравнению с исходной прочностью чистого металла более чем в 3 раза.
Сразу же после появления дюралюминия его начали активно применять в зарождающемся тогда самолетостроении, где был необходим достаточно прочный и легкий материал. Кроме того, роль алюминия и его сплавов в промышленности неуклонно возрастала и в настоящее время они используется повсеместно от упаковки для пищевых продуктов до защитных экранов космических аппаратов.
«Корпус самолета и, главное, крылья изготавливаются из алюминиевых сплавов, которые при эксплуатации постепенно деформируются и повреждаются на уровне микроструктуры, т.е. становятся более хрупкими и в конечном итоге менее прочными. Разработка способов оценки долговременного поведения сплавов была успешно решена в ХХ веке, и на сегодня авиационная техника считается самой безопасной по числу происшествий на число перевезенных пассажиров. Однако широкое применение алюминиевых сплавов во все более ответственных узлах разнообразной техники, в том числе космических и военных изделиях, требует детального понимания механизмов развития в них пластического течения, накопления повреждений при эксплуатации и, в конечном счете, усталостного разрушения. Так же повышенные требования к описанию свойств алюминия предъявляет использование его в качестве защитных экранов, подразумевающее возможность высокоскоростного пробития его, например, микрометеоритами. Именно поэтому мы занимаемся изучением особенностей развития пластической деформации в алюминиевых сплавах», — рассказывает научный сотрудник лаборатории функциональных материалов ЮУрГУ Василий Красников.
Ученые смогут прогнозировать поведение новых сплавов
Традиционное материаловедение с помощью рентгеновских методов или электроннолучевой микроскопии изучает микроструктуру вещества перед деформацией или после нее, что затрудняет интерпретацию микромеханизмов пластической деформации. На сегодня достаточно развитыми оказались методы моделирования атомарных систем, когда, проводя компьютерный расчет, ученые могут получить представление о механизмах того или иного явления на уровне взаимодействия отдельных атомов. В настоящее время такие работы активно ведутся научными группами не только России, но и Германии, Испании, США и Китая.
Разрушение упрочняющего медного включения в окружающей алюминиевой матрице в ходе пластической деформации
«В нашей работе мы наблюдаем особенности пластической деформации алюминиевого образца, содержащего атомы меди в качестве упрочняющего компонента. При этом взаимное расположение атомов алюминия и меди повторяет таковое в реальных сплавах. Создав такую систему, мы в дальнейшем подвергаем ее деформации и фиксируем как основные механизмы пластической деформации на атомарном уровне, так и численные характеристики этого процесса. Отдельной задачей является перенос данных атомистического моделирования на уровень описания поведения больших объемов вещества. На сегодняшний день наша группа активно работает в этом направлении, построены методики моделирования распространения волн напряжений сквозь вещество, возникающих при интенсивных ударах», — отмечает Василий Красников.
Дальнейшим развитием работы ученых станет построение полного цикла моделирования поведения алюминиевых сплавов, учитывающего особенности их микроструктуры в зависимости от химического состава и условия набора прочности, включения полученных данных в континуальные модели и построения методики моделирования конечных изделий промышленности. Такая комбинированная методика позволит существенно сократить цикл разработки конструкции изделий и подбора конкретных материалов для них, предсказать их поведение при экстремальных условиях нагружения, при соударении с проникающими предметами или смятии конструкции.
Таким образом, данная методика изготовления алюминиевых сплавов позволит ученым получить новый конструкционный материал для авиационной промышленности, а его свойства будут заданы и спрогнозированы заранее.