Алюминий и его сплавы широко используются в качестве конструкционных и проводниковых материалов благодаря низкой плотности, коррозионной стойкости, высокой электропроводности, сравнительно невысокой стоимости и легкости обработки. Недостатками этих материалов являются сравнительно низкие прочность и термостойкость. Для повышения прочностных и функциональных свойств алюминиевых сплавов используются различные легирующие добавки, а также разные способы деформационно-термической обработки (ДТО). Для повышения термостойкости в настоящее время перспективны легирующие добавки переходных элементов, например, Zr в небольших концентрациях (0.2-0.4 вес. %). Для увеличения прочности алюминия и его сплавов весьма эффективным оказалось применение методов интенсивной пластической деформации (ИПД). С помощью этих методов в результате формирования ультрамелкозернистых (УМЗ) и наноструктурных (НС) состояний были достигнуты высокие значения прочности в ряде сплавов систем Al-Mg/Cu-Zr электротехнического назначения, а также в промышленных конструкционных сплавах, в том числе системы Al-Mg. Однако значительное повышение прочности сплавов, структурированных методами ИПД, как правило, сопровождается заметным, а зачастую катастрофическим снижением пластичности, что сильно ограничивает их практическое применение. Поэтому поиск научно обоснованных подходов к достижению одновременно высоких значений прочности и пластичности таких материалов является очень важной и актуальной проблемой современного физического материаловедения. Работы по решению этой проблемы для УМЗ и НC алюминиевых сплавов активно ведутся научными группами во всех промышленно развитых странах мира. Один из подходов, показавших хорошую эффективность, состоит в формировании в сплавах на основе алюминия бимодальной микроструктуры, в которой достаточно крупные зерна обеспечивают улучшение пластических характеристик, а нанорамерные зерна – высокую прочность. Однако формирование подобных микроструктур требует весьма сложной и дорогостоящей крио- обработки, включающей либо криоразмол, последующее компактирование полученного порошка, его длительное спекание, экструзию и т. д, либо прокатку при криогенной температуре и последующий длительный отжиг. Именно из-за сложности реализации этот подход до сих пор не реализован на практике.

Недавно авторами данного проекта был предложен новый подход по значительному увеличению пластичности УМЗ алюминия за счет использования дополнительной ДТО по схеме «низкотемпературный отжиг + дополнительная деформация». Было также установлено, что после первого этапа такой обработки (после отжига) происходит значительное (до 50%) увеличение прочности материала. Эти новые эффекты упрочнения отжигом (УО) и увеличения пластичности за счет последующей деформации (УПД) абсолютно не типичны для алюминиевых сплавов в крупнозернистом (КЗ) состоянии и имеют особую физическую природу. Как показали авторы проекта на примере УМЗ технически чистого Al (CP Al), эти эффекты связаны с изменением дислокационной структуры границ зерен (ГЗ) и переходом их состояния из неравновесного в равновесное. Помимо CP Al, проявление эффекта УПД в результате подобной ДТО было также получено авторами проекта на сплавах системы Al-Cu и Al-Cu-Zr, что может свидетельствовать о некоторой универсальности этого нового подхода.

Настоящий проект направлен на выявление физических основ предложенного подхода и на разработку новых подходов для значительного повышения пластичности высокопрочных и «сверхпрочных» УМЗ алюминиевых сплавов. С этой целью планируется экспериментальное выявление и теоретическое описание новых механизмов, ответственных за реализацию эффектов упрочнения и повышения пластичности, связанных со структурными и композиционными особенностями этих сплавав и, в первую очередь, ГЗ в УМЗ состояниях. В рамках проекта будут исследованы две серии структурированных материалов: 1) низколегированные, разрабатываемые главным образом для электротехнических применений, в том числе и в качестве потенциальных материалов для линий электропередач, сплавы систем Al-Mg-Zr и Al-Cu-Zr, для которых комбинация высокой прочности и пластичности должна сочетаться с хорошими электропроводностью и термостойкостью; 2) «сверхпрочные» сплавы Al-Mg конструкционного назначения с повышенным (до 5 масс.%) содержанием Mg, демонстрирующие в УМЗ состоянии наряду со «сверхпрочностью» почти хрупкое деформационное поведение, для которых повышение пластичности является безусловно важнейшей задачей. В настоящей работе впервые планируется провести комплексное экспериментальное и теоретическое исследование возможности достижения в этих материалах эффектов УО и УПД за счет дополнительной ДТО, выполненной по схеме «низкотемпературный отжиг + дополнительная деформация» с различными параметрами такой обработки, а также влияния на эти эффекты температурно-скоростных условий испытания образцов.

Научная новизна предлагаемой для решения в проекте задачи определяется тем, что впервые будет выявлено влияние легирующих добавок Cu, Mg, Zr в структурированных ИПД трехкомпонентных сплавах с разной концентрацией легирующих элементов на эффект УПД и влияние дополнительной ДТО по схеме «низкотемпературный отжиг + дополнительная деформация» с разными параметрами обработки на прочностные характеристики и пластичность УМЗ Al-Mg cплавов с содержанием Mg до 5 масс.%, демонстрирующих «сверхпрочность» и почти хрупкое деформационное поведение. Будут экспериментально определены значения ключевых параметров структуры, ответственные за проявление эффекта увеличения пластичности. Эта задача будет решаться путем сопоставления особенностей микроструктуры (в том числе особенностей структуры ГЗ – сегрегаций, наноразмерных кластеров и частиц второй фазы) на каждом этапе дополнительной ДТО УМЗ сплавов и результирующих механических свойств (прочности и пластичности), а также электропроводности (в случае электротехнических сплавов). Впервые будут установлены закономерности влияния температуры и скорости деформации при механических испытаниях образцов на эффект УПД, в результате чего будут определены температурный и скоростной интервалы его существования для разных сплавов. Будет понята физическая природа эффекта УПД в УМЗ сплавах и построены теоретические модели, описывающие влияние на эти эффекты состояния ГЗ и распределения в них легирующих элементов в виде сегрегаций, наноразмерных кластеров и частиц вторых фаз. На основе полученных экспериментальных данных и разработанных теоретических моделей будут предложены новые подходы для создания в исследуемых материалах заданного зернограничного ансамбля, обеспечивающего значительное увеличение пластичности (>10%) при сохранении исходной высокой прочности на уровне не менее 80% (а в случае сплавов электротехнического назначения и высокой электропроводности). Подходы к увеличению пластичности высокопрочных и даже «сверхпрочных» УМЗ материалов на основе алюминия за счет реализации эффекта УПД путем использования специальной дополнительной ДТО, которые планируется разрабатывать в рамках предложенного проекта, технологичны и совместимы с деформационными методами формирования УМЗ структуры. Они являются значительно менее затратными как по времени, так и по стоимости по сравнению с предложенными на сегодняшний день подходами, основанными на структурировании материалов при криогенных температурах.

Планируемые исследования имеют большое значение для разработки наноструктурных алюминиевых сплавов с комбинацией одновременно высокой прочности и пластичности для электротехнических и конструкционных применений в важных высокотехнологичных отраслях наноиндустрии и энергетики.