Российские и китайские ученые создали первую в мире достоверную модель прогнозирования пластической деформации металлических сплавов, упрочненных графеном. Она показала важность характера распределения графена, а также выявила, что добавление графена может увеличить прочность некоторых сплавов до 50%. Исследование опубликовано в International Journal of Solids and Structures, сообщает пресс-служба Института проблем машиноведения РАН.
Большинство используемых сегодня металлов — это сплавы. Они применяются в числе прочего для изготовления несущих элементов конструкций и машин. Изучение деформации сплавов для таких объектов позволяет понять, как поведет себя металл под нагрузкой, при каких напряжениях, насколько сильно и с какими особенностями он будет деформироваться.
Российские и китайские ученые исследовали композиты на базе металлических сплавов с графеном в качестве наполнителя, то есть упрочняющего элемента. Графен — один из перспективных материалов, представляющий собой двумерную аллотропную модификацию углерода, образованную слоем атомов углерода толщиной в один атом и обладающую очень большой механической прочностью. Усилить графеном было решено так называемые «стареющие» сплавы, в которых при термообработке возникают выделения. Эти выделения по сути являются упрочняющими частицами, которые значительно повышают прочность сплава и влияют на другие механические свойства. Такие сплавы известны очень давно и широко применяются в промышленности.
«Мы теоретически получали так называемую диаграмму растяжения (зависимость растягивающего напряжения от деформации растяжения) в широком диапазоне деформаций; практически до начала процесса разрушения. Анализ этой диаграммы позволяет понять, какие механические свойства имеет анализируемый материал: его прочность, насколько он пластичный или, наоборот, хрупкий и так далее. В работе мы исследовали разные конфигурации композита, где варьировались параметры графена, а именно: его общее количество (концентрация), характер распределения в объеме материала (графен может располагаться по границам зерен, может быть внутри зерен, а может быть и там, и там в разных пропорциях) и геометрические характеристики графеновых включений (размеры). Разумеется, параметры сплава (его химический состав, размер выделений и так далее) также можно варьировать, но основная цель работы была исследовать влияние именно графена», — рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории механики наноматериалов и теории дефектов ИПМаш РАН, главный научный сотрудник лаборатории «Механика новых наноматериалов» СПбПУ Сергей Бобылев.
Ученые создали теоретическую модель, которая с высокой достоверностью рассчитывает механические свойства композитов металлический сплав / графен. Эта модель позволяет предсказывать свойства композитов, что помогает экономить на дорогостоящих экспериментах. Кроме того, теоретическая модель позволяет выявить неочевидные изначально зависимости.
Например, модель показала, что ключевое влияние на прочность композита металлический сплав / графен оказывает графен, залегающий по границам зерен, а графен внутри зерен менее важен. При этом в экспериментах эксперты зачастую не обращают на этот фактор никакого внимания, а многие методы изготовления композитов не имеют даже контроля над тем, где окажется графен в готовом образце.
С помощью разработанной модели исследователи оценили эффективность добавления графена в сплав Al-4Cu (алюминий-медь). Оказалось, что введение 1% графена (по массе) увеличивает прочность сплава на 50%.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
