Научно-исследовательская лаборатория «Металлы и сплавы при экстремальных воздействиях» была создана в 2021 году. Руководитель лаборатории – Корзникова Елена Александровна, доктор физико-математических наук. На сегодняшний день научный коллектив лаборатории насчитывает 3 докторов наук, 9 кандидатов наук, 3 аспирантов и 6 студентов.

 

Работы в лаборатории ведутся по 3 взаимосвязанным направлениям, а именно атомистические моделирование, экспериментальное исследование металлов и сплавов после больших деформаций и функциональные покрытия  в экстремальных условиях. Ниже представлены результаты по каждому из направлений, а также результаты, полученные на стыке направлений в результате взаимодействия участников лаборатории с разным профилем.

 

1.   Атомистическое моделирование

Ведется  работа по апробированию межатомных потенциалов для моделирования экстремальных воздействий на решетки ОЦК и ГЦК металлов. Известно, что большинство существующих потенциалов реалистично отображают взаимодействия атомов лишь в очень небольшом интервале их отклонений от положения равновесия. При этом все больше развивается в настоящий момент тенденция использования экстремальных воздействий как инструмента создания требуемых структур и свойств материалов. При этом отклонения атомов от положения их минимальной энергии может достигать нескольких процентов. Очень небольшой ряд потенциалов может при этом описывать то, что происходит со структурой. В наших работах на примере реализации делокализованных нелинейных мод в кристаллических решетках проводится тест потенциалов на взаимное соответствие и реалистичность, которая будет проверена методами теории функционала плотности. В результате будет произведена верификация существующих потенциалов, что впоследствии позволит повысить эффективность атомистического моделирования как метода предиктивного анализа структур в далеких от равновесия условиях.

Также решается ряд отдельных задач, направленных на понимание отдельных аспектов трансформации дефектной структуры, которые впоследствии должны выстроиться в общую систему закономерностей эволюции структур в процессе экстремальных воздействий . К настоящему моменту создана компьютерная модель кристалла с дефектами, в котором имитируется электропластическая деформация. Исследования в данном направлении позволят пролить свет на ранее необъясненный эффект снижения напряжения течения материала при воздействии импульсного тока (данный эффект превышает расчетный эффект джоулева тепла).

Рассматривается динамика одномерного движения точечных дефектов – краудионов. Исследования в данном направлении актуальны  в ключе понимания пороговых значений внешних воздействий, при которых может включаться данный диффузионный механизм.

Также ведутся работы по анализу взаимодействия пор с дислокациями в вольфраме в процессе деформации. Данное исследование является важным в свете того, что вольфрам, как  и другие ОЦК металлы в процессе экстремальных радиационных воздействий накапливает значительное количество пор и понимание механизмов их взаимодействия с дефектами является необходимым для определения  параметров, при которых материал демонстрирует стабильный интервал свойств и прогнозируемое поведение.

 

2. Экспериментальное исследование металлов и сплавов после интенсивных деформаций

В настоящее время для повышения качества жизни широко используется дентальная имплантация, и обеспечение надёжного функционирования и долговечности имплантируемых устройств представляет собой одну из важнейших задач современной стоматологии. Разработка новых биоматериалов с улучшенными свойствами, таких как наноструктурные материалы, расширяет возможности миниатюризации таких изделий для создания имплантатов нового поколения. При проектировании таких устройств большую роль играет компьютерное моделирование, позволяющее эффективно определять дизайн имплантата в зависимости от используемых материалов и условий эксплуатации. В работе по этому направлению используется моделирование методом конечных элементов для сравнительного анализа деформированного поведения имплантата в условиях циклической нагрузки. В качестве материала имплантата рассматривали крупнозернистый технически чистый титан и наноструктурный титан с улучшенными свойствами, полученный методами интенсивных пластических деформаций. Рассматривали различные компоновки имплантируемого устройства в соответствии с условиями проведения усталостных испытаний. Показано, что наиболее реалистичные результаты достигаются при моделировании устройства в компоновке «абатмент–имплантат–база». Продемонстрировано, что характеристика, определяющая разрушение изделия, описывается максимальными главными напряжениями, а исследованная конфигурация имплантата обеспечивает его длительное надёжное функционирование в случае изготовления исключительно из наноструктурного титана с повышенными свойствами.

• Повышение прочности электротехнических лёгких сплавов на основе алюминия является одной из важнейших задач современного высокотехнологичного материаловедения. В рамках данного направления исследовали ряд сплавов, подвергнутых интенсивным деформациям для улучшения комплекса механических и функциональных свойств. В частности, был проведён статистический анализ микроструктуры сплавов с ограниченной растворимостью на примере сплава Al-La-Ce. морфология интерметаллидных частиц в алюминиевых сплавах значительным образом влияет на их свойства и их поведение при последующей холодной деформации. В частности, было продемонстрировано, что наличие интерметаллидных частиц пластинчатой формы более предпочтительно с точки зрения повышения прочности сплавов после деформации, и сферической формы – с точки зрения повышения электропроводности. Для количественной оценки изменения межфазной поверхности и морфологии предложена расчетная модель, основанная на сборе статистических данных В дальнейшем планируется также собрать данные по сплаву после обработки интенсивной пластической деформацией кручением для того, чтобы оценить влияние экстремальных деформаций на изменение морфологии частиц. В рамках исследования влияния интенсивной пластической деформации на микроструктуру и свойства сплавов с низкой растворимостью на примере Al-Fe, сплав Al-1.7Fe, полученный литьем в электромагнитный кристаллизатор, был обработан методом ИПДК при комнатной температуре. После ИПДК образцы сплава были подвергнуты отжигу при 230°С в течение 1 часа. Проведён сравнительный анализ физико-механических свойств исследуемых сплавов, результаты которого будут изложены в подготавливаемой статье.
• Создание новых биодеградируемых цинковых материалов для медицины приобретает все большую востребованность.  Выбор нужных режимов деформационно-термической обработки, направленной на повышение прочностных свойств и регулирование скорости коррозии биодеградируемых материалов на основе цинка, дает возможность спроектировать материал так, что он будет иметь нужные прочностные свойства, растворятся с желаемой скоростью и позволит  регенерировать окружающие мягкие или твердые ткани в организме человека.

​

В настоящей работе по данному направлению были проведены исследования чистого цинка и цинкового сплава системы Zn-Ag-Cu, полученного методом интенсивной пластической деформации при разных температурах и при разных степенях деформации (с разным количеством оборотов), изучено влияние деформации на структуру и механические свойства. Моделированием и экспериментальным путем определены оптимальные технологические режимы равноканального углового прессования (РКУП), ведущие к получению целостных УМЗ прутков цинкового сплава с высокими характеристиками прочности и пластичности. Проведены первые эксперименты по выбранному режиму.

 

3. Функциональные покрытия в экстремальных условиях.

 

Исследовано влияния концентрации азота в карбонитридных покрытиях системы Ti-Al-C-N на износостойкость режущего инструмента покрытие системы Ti-Al. Готовятся материалы для патента.

 

4. Результаты, полученные в результате междисциплинарных исследований на стыке направлений, развиваемых в рамках лаборатории

 

Атомистическое моделирование и экспериментальное исследование образования неравновесного твердого раствора циркония в алюминии в результате деформационно-индуцированного растворения под воздействием ультра-интенсивной пластической деформации.

В процессе деформации кручением под высоким давлением до сверхвысоких степеней деформации ранее опытным путём была продемонстрирована возможность растворения циркония в алюминии, в то время как система Al-Zr считается несмешиваемой при нормальных условиях. Методом рентгеноструктурного анализа при формировании твёрдого раствора Zr в Al было выявлено изменение параметра решетки, составляющего величину порядка 0.0049 Å на 1 ат. %. Для детального изучения эффекта была построена атомистическая модель сплава в среде LAMMPS и смоделирована ее сдвиговая деформация. Методом молекулярной динамики подтверждено формирование деформационно индуцированного твердого раствора, а также рассчитан измененный параметр решетки. По порядку величины изменение параметра решетки в результате растворения циркония в алюминии совпало с экспериментальными значениями.

В дальнейшем методом моделирования будет исследовано влияние скорости деформации и начальной концентрации циркония на динамику его растворения в решетке алюминия для нахождения оптимальных параметров деформации приводящих к наибольшей гомогенности получаемого сплава, а также исследованы возможные эффекты зернограничной сегрегации и выделения частиц, влияющие на функциональные свойства материала.

 

Исследования, проведенные в рамках лаборатории, опубликованы в статьях различного уровня, в том числе квантиля Q1 Scopus и WoS.