Российские ученые описали два типа взаимодействия дислокаций — структурных дефектов в сплавах — с наночастицами в этих материалах при повышенных температурах. Так, при высоких нагрузках эти дефекты перерезают или захватывают в петлю частицы, которые могут иметь различную форму: сфер, пластин и стержней. Знания о том, как дислокации взаимодействуют с частицами разной формы, помогут разработать новые подходы к микроструктурному дизайну материалов, а также позволят улучшить способы обработки авиационных сплавов Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Acta Materialia.
Алюминиевые сплавы с добавками меди, магния и серебра широко используются в авиастроении благодаря своей легкости и жаропрочности. Интересно, что в этих материалах после закалки и старения — особой термической обработки — атомы образуют упорядоченные структуры в виде тонких пластин. Чем таких пластин больше и чем они мельче, тем сплав прочнее. Однако при деформации алюминиевого сплава в нем возникает большое количество особых структурных дефектов — дислокаций, которые можно сравнить с тонкими нитями. При растяжении или изгибе материала дислокации начинают двигаться в объеме и взаимодействовать с пластинами, упрочняющими алюминиевый сплав. Это приводит к нарушению атомной структуры данных пластин. Однако механизм такой деформации оставался плохо изучен.
Ученые из Белгородского государственного национального исследовательского университета (Белгород), Челябинского государственного университета (Челябинск) с зарубежными коллегами описали, как именно дислокации взаимодействуют с пластинами в сплавах на основе алюминия, меди, магния и серебра. Для этого авторы провели эксперимент, в котором образцы алюминиевого сплава, упрочненного пластинами после термической обработки, медленно деформировались (ползли) под действием нагрузки при повышенных температурах в течение более 100 дней. Данный вид нагружения сплава — испытание на ползучесть — повторяет в лаборатории реальные условиях длительной эксплуатации материалов при повышенных температурах.
Исследование микроструктуры алюминиевого сплава после испытания показало, что образующиеся в большом количестве дислокации, сближаясь с пластинами, вели себя двумя способами: либо перерезали их, либо охватывали с образованием петли. В первом случае пластины распадались на короткие фрагменты, а во втором большое количество петель приводило к поворотам пластин, что нарушало их атомную структуру. В результате из-за того, что пластины, упрочняющие материал, становились короче и приобретали неупорядоченную структуру, механические свойства сплавов ухудшились. Нагрузки, подобные тем, что смоделировали ученые, могут испытывать материалы, составляющие корпус и крылья самолета, например, при взлете и посадке. В этом случае воздушное судно сталкивается с быстро движущимися навстречу потоками воздушных масс, поэтому устойчивость сплавов в его обшивке к деформациям при повышенных температурах крайне важна.
«Наша работа будет полезна для технологов, поскольку может подсказать, как создавать устойчивые к нагрузкам материалы, то есть каким образом нужно обрабатывать сплав, чтобы пластины в нем затрудняли движение дислокаций и тем самым препятствовали деформации материала», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Марат Газизов, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Лаборатории механических свойств наноструктурных и жаропрочных материалов НИУ БелГУ.