Физики ЧелГУ исследуют факторы прочности сплавов для авиации и космических кораблей

​Физики​ Челябинского государственного университета совместно с коллегами из НИУ БелГУ изучили особенности алюминиевых сплавов, которые используются в авиастроении, космической отрасли и автомобилестроении.

​В научную группу от ЧелГУ вошли: доцент кафедры общей и теоретической физики Василий Красников, заведующий кафедрой общей и теоретической физики Александр Майер и ассистент этой же кафедры Полина Безбородова.

В целом работа поддержана двумя грантами РНФ: теоретическое исследование, проводимое в ЧелГУ, – грантом «Развитие дислокационной модели высокоскоростной пластической деформации алюминия и его сплавов с медью и магнием», работа белгородских исследователей – грантом «Исследование влияния цинка и серебра на образование пластинчатых частиц с плоскостями габитуса {111}Al в Al-Cu-Mg(-Li) сплавах».

Такие сплавы относятся к жаропрочным, и к ним предъявляют серьёзные требования – они должны выдерживать большие нагрузки и высокую температуру в течение длительного времени.

«Устойчивый взаимный интерес обеспечила общность научных интересов и различная методология, используемая в исследованиях наших групп – челябинцев и белгородцев, – рассказывает Василий Красников о том, как завязалось сотрудничество. – Познакомившись изначально с публикациями коллег, я связался с ними, и вскоре, после непродолжительного общения, было принято решение провести совместное исследование, в котором учёные из Белгорода обеспечивали экспериментальную часть работы, мы же со своей стороны интерпретировали их результаты, исходя из компьютерного моделирования процессов деформирования алюминиевых сплавов».

Совместная работа велась каждой группой в своём вузе. После получения промежуточных результатов учёные обсуждали их, уточняли цели и реализовывали новую итерацию (повторение процесса с целью получения результата) исследования.

Физики ЧелГУ отвечали за моделирование пластической деформации в сплавах.

«Мы используем многоуровневый подход, – отмечает Василий Красников. Это значит, что исследование состоит в последовательной реализации атомистических расчетов, позволяющих наблюдать элементарные акты пластической деформации, состоящие во взаимодействии дислокации и упрочняющих включений, а также последующее моделирование этих процессов на континуальном уровне и перенос таких моделей на уровень описания, затрагивающий реакцию макрообъемов сплава на деформацию. Такое трехстадийное описание позволяет предсказывать поведение вещества с высокой точностью в зависимости от типа упрочняющих включений и их размеров. Разупрочнение сплава при укрупнении упрочняющих включений, которое экспериментально наблюдали коллеги из Белгорода, было ранее предсказано в наших теоретических работах».

В результате физики-теоретики вместе с физиками-экспериментаторами построили трехуровневую методику предсказания прочности сплавов алюминия с медью и магнием.

Учёные показали – как влияет фазовый состав упрочняющих включений на прочность сплава, а именно, что выгоднее всего упрочнять сплав гибридными включениями тета'фазы. Много мелких включений, однородно распределенных по объему, оказывает больший упрочняющий эффект, чем крупные включения, сформированные за счет снижения количества мелких. Кроме того, физикам удалось выяснить, что во время продолжительной деформации происходит разрушение упрочняющих включений тета'фазы, вследствие чего упрочнение сплава ими снижается.

Новые данные актуальны для понимания проблемы прочности алюминиевых сплавов в целом и для того, как они поведут себя во время эксплуатации деталей будущих космических аппаратов, самолётов, автомобилей.