Многомасштабное описание зернограничной пластической релаксации в алюминиевых сплавах

Проект предполагает атомистическое исследование микромеханизмов зернограничного упрочнения алюминиевых сплавов с субмикрокристаллической и нанозеренной структурой. На уровне атомистического моделирования будет проведено исследование влияния выделения атомов легирующих элементов и присутствующих в материале внутризеренных дислокаций на механизмы пластической релаксации, накопления повреждений и разрушения, протекающих на границах зерен в алюминиевых сплавах при деформации сдвига и растяжения. Планируется исследовать границы зерен различных типов и различные состояния выделений легирующих атомов. Предполагаемые результаты атомистического исследования являются актуальными для современного материаловедения, поскольку позволят более детально понимать механизмы зернограничного упрочнения и роли различных факторов в формировании дефектной системы субмикрокристаллического состояния в алюминиевом сплаве, позволяющем добиваться требуемого баланса свойств: повышения напряжения активации пластической релаксации, запаса пластической деформации и высокой стойкости к разрушению при растяжении. Помимо этого отдельно будет исследован вопрос влияния накопления атомов водорода на границах зерен в сплаве на указанные характеристики, что представляет чрезвычайно актуальную задачу материаловедения в связи с активным развитием водородной энергетики. Результаты атомистического моделирования далее планируется обобщать с помощью искусственных нейронных сетей, позволяющих аппроксимировать механический отклик и состояние дефектной подсистемы алюминиевого сплава, наблюдаемых в атомистических расчетах. Использование методик машинного обучения в настоящее время чрезвычайно активно развивается для задач, требующих обработки большого объема первичных данных. На следующем уровне описания полученные в виде искусственных нейронных сетей аппроксимации будут использоваться в континуальных моделях механики сплошной среды со структурой, позволяющих моделировать механический отклик представительного объема вещества. В результате будет построена многомасштабная модель, комбинирующая разные уровни и различные методики описания реакции сплава на механическое нагружение. Применение многомасштабного подхода, объединяющего атомистические данные о механизмах и особенностях протекания широкого круга возможных зернограничных процессов, и, комбинирующего различные методики описания в единую модель, определяет научную новизну проекта. Предложенная методика обеспечит работоспособность модели в широком диапазоне скоростей деформаций, температур и давлений для различных состояний подсистемы границ зерен и фазовых состояний сплавов. Актуальность исследований связана со стабильным интересом исследователей и промышленности к получению новых алюминиевых сплавов с ультрамелкозернистой структурой, отличающихся повышенными прочностными свойствами. В то же время такие сплавы зачастую характеризуются недостаточной величиной пластической деформации до разрушения. Таким образом исследование атомистических механизмов зернограничного упрочнения позволит получать сплавы с заданным балансом характеристик. В проекте предполагается выполнение исследования влияния атомов водорода на зернограничное упрочнение алюминиевых сплавов, что является новой и актуальной задачей, интерес к которой стимулируется потребностью в разработке материалов для транспортировки и хранения водорода, стойких к водородному охрупчиванию. Проект предполагает также численные исследования динамического деформирования таких сплавов алюминия в широком диапазоне температур от криогенных до температур плавления при различных условиях нагружения (давлении) и различном состоянии подсистемы границ зерен и фазовом составе, которые будут проводиться с помощью разработанной многоуровневой модели. На основе проведенных континуальных расчетов будут определены динамические сдвиговые прочности этих сплавов для широкого круга скоростей деформации, температуры и давления.