Российские ученые создали теорию, предсказывающую новые свойства материалов
Ученые Национального исследовательского технологического университета "МИСиС" и Тольяттинского государственного университета разработали теорию, которая ускорит создание конструкционных материалов с максимально точно заданными свойствами, а также медицинских имплантатов с индивидуальными характеристиками. Результаты исследования опубликованы в журнале Progress in Materials Science.
Методы интенсивной пластической деформации (ИПД) стали важным инструментом в руках материаловедов при создании новых, более совершенных металлических материалов, все более востребованныx в ряде отраслей промышленности. Такие разновидности методов ИПД, как кручение под высоким давлением, равноканальное угловое прессование, винтовая экструзия и многоосевая ковка, стали частью инструментария для получения целого ряда современных наноматериалов.
Дело в том, что методы интенсивной пластической деформации позволяют измельчать его внутреннюю структуру до субмикронных размеров, что в некоторых случаях приводит к его наноструктурированию. Это ведет к улучшению характеристик материала, в частности, значительному повышению его прочности. В ряде случаев удается улучшить весь комплекс свойств материала, включая и прочность, и пластичность. Этим методы ИПД выгодно отличаются от более традиционных способов обработки металлов, при которых повышение прочности, как правило, сопряжено с потерей пластичности. Более того, столь радикальное измельчение микроструктуры материала приводит к улучшению его коррозионной стойкости, а также ряда физических свойств.
Профессор Юрий Эстрин (НИТУ "МИСиС", Университет Монаша и Университет Западной Австралии) и профессор Алексей Виноградов (Норвежский университет науки и технологий, Тольяттинский государственный университет) опубликовали статью, содержащую набор теоретических приемов и концепций моделирования, позволяющий предсказать поведение создаваемых ими материалов.
"То, что происходит с материалом при интенсивной пластической деформации - довольно сложный процесс, - рассказывает Юрий Эстрин. - Это радикальная микроструктурная ломка, и предсказать характеристики получаемого материала - особенно, когда у нас одновременно деформируется несколько материалов - почти невозможно. Без моделирования процесса с использованием надежной, физически обоснованной теории эксперимент превращается в слепое угадывание. Несмотря на довольно большое количество имеющихся в литературе теоретических работ, моделей, которые обладали бы хорошей предсказательной способностью, довольно мало. Нами были проанализированы сотни публикаций и десятки моделей, представленных в них. В результате мы отобрали самые эффективные, дополнив и усовершенствовав их".
По оценке профессоров Эстрина и Виноградова, серьезных прорывов в исследованиях, основанных на методах ИПД, можно ожидать, в первую очередь, в области медицинских имплантатов. В частности, возглавляемые ими научные группы работают над созданием костных имплантатов на основе сплавов магния.
"Магниевые сплавы сейчас весьма популярны, потому что на биоразлагаемые материалы нацелились имплантологи во всем мире. Ведь это очень заманчиво - иметь в своем распоряжении имплантат, который берет на себя нагрузку в течение времени, необходимого для восстановления костной ткани, а потом просто растворяется в организме без вреда для него. При этом отпадает необходимость повторной операции по удалению сослужившего свою службу имплантата. В теории все это выглядит довольно просто, но для реализации этой идеи требуются огромные усилия ученых, и без моделирования деформационных процессов здесь не обойтись", - комментирует Юрий Эстрин.
Другим направлением работы исследователей, нашедшим отражение в их обзорной статье, стало создание гибридных материалов с заданной внутренней архитектурой путем их совместной деформации методами ИПД.
Гибридные материалы представляют собой комбинации различных, часто весьма разнородных, материалов. При этом, в отличие от обычных композиционных материалов, во главу угла ставится геометрия и взаимное расположение составляющих их компонентов. Методами ИПД удается получить желаемую внутреннюю геометрию таких гибридных материалов и, в то же время, достичь их наноструктурирования. В результате от таких материалов можно ожидать уникальных механических свойств. Примером здесь могут служить медные сплавы, армированные стальной проволокой, которая в результате ИПД свивается в своего рода пружину, что приводит к редкой комбинации улучшенной прочности и высокой пластичности.
