МЕХАНИКА МАССОПЕРЕНОСА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ФОРМИРОВАНИЕ УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОЙ СТРУКТУРЫ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрены деформационные процессы формирования ультрамелкозернистой (УМЗ)1 структуры в поликристаллических материалах, проявляющих сверхпластические свойства, и теоретические методы молекулярной динамики (МД) и Монте-Карло (МК), позволяющие моделировать формирование нанокристаллической структуры. Кратко изложена история возникновения интереса к измельчению зерен, обусловленного влиянием размера зерна на прочностные и сверхпластические свойства металлов и сплавов. Показано, что в основе образования УМЗ-структур, включая нанокристаллическую, лежит массоперенос. В случае деформационного измельчения предложена новая методика расчета степени деформации, необходимой для измельчения микроструктуры. В случае теоретического описания формирования нанозерен методами МД и МК используют представления об инженерии границ зерен поликристаллических материалов, приводящие к избирательному массопереносу зернограничных атомов, образующих плотную сетку нанограниц с высокими прочностными и деформационными свойствами. Обсуждаются методы интенсивной пластической деформации и механизмы сверхпластической деформации.

Об авторах

Фарид Зайнуллаевич Утяшев

Академия Наук Республики Башкортостан

Автор, ответственный за переписку.
Email: ufz1947@mail.ru
Россия, ул. Кирова, 15, Уфа, 450077

Сергей Владимирович Дмитриев

Институт физики молекул и кристаллов УФИЦ РАН

Email: dmitriev.sergey.v@gmail.com
Россия, пр-т Октября, 71, Уфа, 450054

Руслан Зуфарович Валиев

Уфимский университет науки и технологий

Email: rzvaliev@mail.rb.ru
Россия, ул. Заки Валиди, 32, Уфа, 450076

Список литературы

  1. Кайбышев О.А. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975. 280 с.
  2. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981. 168 с.
  3. Gunderov D.V., Gunderova S.D., Magomedova D.K. True fracture stress of UFG samples of Al 6101 alloy // Lett. Mater. 2022. V. 12. No. 4. P. 424–427.
  4. Langdon T.G. Recent advances in using severe plastic deformation for the processing of nanomaterials // Nanoscale. 2025. V. 17. No. 30. P. 17417–17427.
  5. Kawasaki M., Lee H.-J., Jang J.-I., Langdon T. Strengthening of metals trough severe plastic deformation // Rev. Adv. Mater. Sci. 2017. V. 48. P. 13–24.
  6. Harisankar K.R., Sripathi S., Padmanabhan K.A. On a unique constitutive equation for steady state iso-tropic optimal structural superplastic deformation in all classes of materials // Letters Mater. 2022. V. 12. No. 1. P. 5–14.
  7. Padmanabhan K.A., Gleiter H. Optimal structural superplasticity in metals and ceramics of microcrystalline- and nanocrystalline-grain sizes // Mater. Sci. Eng.: A. 2004. V. 381. No. 1–2. P. 28–38.
  8. Padmanabhan A., Gleiter H. Common Mechanism for Superplastic Deformation in Different Classes of Materials // Mater. Sci. Forum. 2012. V. 735. P. 26–30.
  9. Gutkin M.Yu., Ovid’ko I.A., Skiba N.V. Strengthening and softening mechanisms in nanocrystalline materials under superplastic deformation // Acta Mater. 2004. V. 52. No. 6. P. 1711–1720.
  10. Ovid’ko I.A. Superplasticity and ductility of super-strong nanomaterials // Rev. Adv. Mater. Sci. 2017. V. 48. P. 13–24.
  11. Бочвар А.А., Свидерская З.А. Сверхпластичность сплава Zn–22%Al // Изв. АН СССР. 1946. Т. 9. С. 821–824.
  12. Зелин М.Г., Валиев Р.З., Шварцман М.В. Исследование сверхпластичности поведения магниевого сплава МА8 с разнозернистой структурой // Металлофизика. 1987. Т. 9. С. 84.
  13. Salishchev G.A., Zherebtsov S.V., Mironov S.Yu. Formaton of a Microscopic Scale Structure and Mechanical Behaviour of Titanium at the Large Plastic Deformation // Voprosy Materialovedeniya. 2003. No. 1 (33). P. 175–184.
  14. Смирнов О.М. Влияние комбинированного нагружения на параметры штамповки плоских дисков в состоянии сверхпластичности // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 1997. Т. 1. С. 7.
  15. Кайбышев О.А., Утяшев Ф.З. Сверхпластичность, измельчение структуры и обработка труднодеформируемых сплавов. М.: Наука, 2002. 438 с.
  16. Kaibyshev O.A., Utyashev F.Z. Superplasticity: Microstructural Refinement and Superplastic Roll Forming. Futurepast, 2005. 385 с.
  17. Утяшев Ф.З., Рааб Г.И. Деформационные методы получения и обработки ультрамелкозернистых и наноструктурных материалов. Уфа: “Гилем” НИК “Башкирская энциклопедия”, 2023. 376 с.
  18. Утяшев Ф.З. Современные методы интенсивной пластической деформации. Уфа: РИК УГАТУ, 2008. 313 с.
  19. Валиев Р.З., Жиляев А.П., Лэнгдон Дж. Объемные наноструктурные материалы фундаментальные основы и применения. Санкт-Петербург: Эко-Вектор, 2017. 479 с.
  20. Аксенов Д.А., Асфандияров Р.Н., Шишкунова М.А., Сементеева Ю.Р. Влияние исходного структур-ного состояния сплава Cu–0.6Cr на рекристаллизацию в процессе ИПД // Mater. Techn. Design. 2022. Т. 4. № 4(10). С. 5–11.
  21. Валиахметов О.Р., Галеев Р.М., Салищев Г.А. Механические свойства титанового сплава ВТ8 с субмикрокристаллической структурой // ФММ. 1990. Т. 72. № 10. С. 204–206.
  22. Gleiter H. Nanostructured materials: state of the art and perspectives // Nanostruct. Mater. 1995. V. 6. No. 1–4. P. 3–14.
  23. Утяшев Ф.З., Рааб Г.И., Валитов В.А. Деформационное наноструктурирование металлов и сплавов. Санкт-Петербург: Наукоемкие технологии, 2020. 183 с.
  24. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. Зернограничная диффузия и свойства наноструктурных материалов. Новосибирск: Наука, 2001. 232 с.
  25. Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications // Progress in Mater. Sci. 2008. V. 53. No. 6. P. 893–979.
  26. Kolobov Yu.R., Grabovetskaya G.P., Ivanov K.V., Iva-nov M.B. Grain boundary diffusion and mechanisms of creep of nanostructured metals // Interface Sci. 2002. V. 10. No. 1. P. 31–36.
  27. Dmitriev S.V., Medvedev N.N., Chetverikov A.P., Zhou K., Velarde M.G. Highly enhanced transport by supersonic N crowdions // Phys. Stat. Sol. (RRL) – Rapid Research Letters. 2017. V. 11. No. 12. P. 1700298.
  28. Morkina A.Y., Babicheva R.I., Korznikova E.A., Enikeev N.A., Edalati K., Dmitriev S.V. A Molecular dynamics simulation to shed light on the mechanical alloying of an Al-Zr alloy induced by severe plastic deformation // Metals. 2023. V. 13. No. 9. P. 1595.
  29. Babicheva R., Jarlöv A., Zheng H., Dmitriev S., Korznikova E., Ling Sharon Nai M., Ramamurty U., Zhou K. Effect of short-range ordering and grain boundary segregation on shear deformation of Co-CrFeNi high-entropy alloys with Al addition // Comp. Mater. Sci. 2022. V. 215. P. 111762.
  30. Noori Z., Panjepour M., Ahmadian M. Study of the effect of grain size on melting temperature of Al nanocrystals by molecular dynamics simulation // J. Mater. Research. 2015. V. 30. No. 10. P. 1648–1660.
  31. Edalati K., Bachmaier A., Beloshenko V.A., Beygelzimer Y., Blank V.D., Botta W.J., Bryła K., Čížek J., Divinski S., Enikeev N.A., Estrin Y., Faraji G., Figueiredo R.B., Fuji M., Furuta T., Grosdidier T., Gubicza J., Hohenwarter A., Horita Z., Huot J., Ikoma Y., Janeček M., Kawasaki M., Král P., Kuramoto S., Langdon T.G., Leiva D.R., Levitas V.I., Mazilkin A., Mito M., Miyamoto H., Nishizaki T., Pippan R., Popov V.V., Popova E.N., Purcek G., Renk O., Révész Á., Sauvage X., Sklenicka V., Skrotzki W., Straumal B.B., Suwas S., Toth L.S., Tsuji N., Valiev R.Z., Wilde G., Zehetbauer M.J., Zhu X. Nanomaterials by severe plastic deformation: review of historical developments and recent advances // Mater. Research Letters. 2022. V. 10. No. 4. P. 163–256.
  32. Tian Y., Gong X., Xu M., Qiu C., Han Y., Bi Y., Estrada L.V., Boltynjuk E., Hahn H., Han J., Srolovitz D.J., Pan X. Grain rotation mechanisms in nanocrystalline materials: Multiscale observations in Pt thin films // Science. 2024. V. 386. No. 6717. P. 49–54.
  33. Фридель Ж. Дислокации. М.: Мир, 1967. 643 с.
  34. Конева Н.А., Тришкина Л.И., Черкасова Т.В. Эволюция с деформацией кривизны-кручения кристаллической решетки в различных субструктурах сплавов на основе меди // Изв. РАН. Серия физическая. 2019. Т. 83. № 6. С. 830–833.
  35. Vinogradov A., Estrin Y. Analytical and numerical approaches to modelling severe plastic deformation // Progress in Mater. Sci. 2018. V. 95. P. 172–242.
  36. Horita Z., Furukawa M., Nemoto M., Langdon T.G. Grain refinement of aluminum using equal-channel angular pressing // Mater. Research Soc. Symposium – Proceedings. 2000. V. 601. P. 311–322.
  37. Тюменцев А. Н., Дитенберг И. А., Пинжин Ю. П., Коротаев А. Д., Валиев Р. З. Особенности микро-структуры и механизмы формирования субмикрокристаллической меди, полученной методами интенсивной пластической деформации // ФММ. 2003. Т. 96. № 4. С. 33–43.
  38. Тюменцев А.Н., Дитенберг И.А. Структурные состояния с высокой кривизной кристаллической решетки в субмикрокристаллических и нанокристаллических металлических материалах // Изв. вузов. Физика. 2011. Т. 54. № 9. С. 26–36.
  39. Рыбин В.В. Закономерности формирования мезоструктур в ходе развитой пластической деформации // Вопр. материаловедения. 2002. Т. 1. № 29. С. 11–33.
  40. Конькова Т.Н., Миронов С.Ю., Корзников А.В. Об эффективности криогенной деформации для измельчения микроструктуры меди // Физическая мезомеханика. 2011. Т. 14. № 1. С. 83–92.
  41. Патент № 2172350. Устройство для деформационной обработки заготовок: заявл. 1999: опубл. 2001 / Ф.З. Утяшев, О.А. Кайбышев, В.А. Валитов.
  42. Raabe D., Herbig M., Sandlöbes S., Li Y., Tytko D., Kuzmina M., Ponge D., Choi P.-P. Grain boundary segregation engineering in metallic alloys: A pathway to the design of interfaces // Current Opinion in Solid State Mater. Sci. 2014. V. 18. No. 4. P. 253–261.
  43. Kumar M., Schwartz A.J., King W.E. Microstructural evolution during grain boundary engineering of low to medium stacking fault energy fcc materials // Acta Mater. 2002. V. 50. No. 10. P. 2599–2612.
  44. Luo J. Grain boundary segregation models for high-entropy alloys: Theoretical formulation and application to elucidate high-entropy grain boundaries // J. Appl. Phys. 2024. V. 135. No. 16. P. 165303.
  45. Luo J., Zhou N. High-entropy grain boundaries //Comm. Mater. 2023. V. 4. No. 1. P. 7.
  46. Herbig M., Raabe D., Li Y.J., Choi P., Zaefferer S., Goto S. Atomic-Scale Quantification of Grain Boundary Segregation in Nanocrystalline Material // Physical Review Letters. 2014. V. 112. No. 12. P. 126103.
  47. Zhao H., Huber L., Lu W., Peter N.J., An D., De Geuser F., Dehm G., Ponge D., Neugebauer J., Gault B., Raabe D. Interplay of Chemistry and Faceting at Grain Boundaries in a Model Al Alloy // Phys. Rev. Letters. 2020. V. 124. No. 10. P. 106102.
  48. Utyashev F.Z., Beygelzimer Y.E., Valiev R.Z. Large and Severe Plastic Deformation of Metals: Similarities and Differences in Flow Mechanics and Structure Formation // Adv. Eng. Mater. 2021. V. 23. No. 5. P. 2000757.
  49. Zhilyaev A.P., Pshenichnyuk A.I., Utyashev F.Z., Raab G.I. Superplasticity and grain boundaries in ultrafine-grained materials: Woodhead Publishing series in Materials. Second edition. Duxford, United Kingdom Cambridge, MA: Woodhead Publishing, 2021. 440 p.
  50. Utyashev F.Z., Botkin A.V., Vkova E.P., Valiev R.Z. Rational Methods of Plastic Deformation Providing Formation of Ultrafine-Grained Structure in Large-Sized Products // Rev. Adv. Mater. Techn. 2024. V. 6. No. 1. P. 12–23.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать


Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).