Исследователи Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали математическую модель, которая рассчитывает, как ведёт себя металл под нагрузкой и как температура и скорость деформации влияет на состояние изделий. С новой технологией можно будет изготовлять более прочные и долговечные детали для самолётов, атомных и нефтегазовых станций, сооружений и других ответственных конструкций. Эта технология также поможет в проведении цифровизации производства.
Как известно, при выплавке металлических деталей материал нагревают и деформируют, из-за чего в его структуре происходят изменения. Термообработка позволяет производителям менять свойства металлов для решения определённых задач. Такие изделия можно будет использовать в автомобильной, аэрокосмической и строительной области.
Раньше учёные исследовали металлы при помощи множества экспериментов, которые требовали времени и финансовых затрат. Авторы работы придумали математическую модель (систему уравнений и программу для их решения), которая учитывает влияние нагрузки на поведение зёрен материала и может предсказать, как температура и скорость деформации повлияют на состояние детали.
Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ПНИПУ) – один из ведущих вузов России, основанный в 1953 году
«Разработка учёных позволит усовершенствовать производство в авиационной, нефтегазовой, строительной и других отраслях промышленности. Новая модель, например, поможет спроектировать более лёгкие и прочные детали двигателей и будет способствовать ускорению разработки новых сплавов без проведения множества пробных натурных испытаний», — уточнили в пресс-службе Пермского Политеха.
Сейчас существуют разные компьютерные программы, которые предсказывают, как металлы изменяют свою структуру и свойства под нагрузкой. Их можно разделить на несколько типов: простые, сверхточные и промежуточные. Простые показывают общую картину, но без деталей, например, могут определить, сколько процентов металла «перестроится», но не объяснят, как именно. Сверхточные (прямые модели), как микроскоп — учитывают каждый мелкомасштабный дефект, но требуют применения суперкомпьютеров.
Третий тип, так называемая «золотая середина», — это статистические модели, которые, как умный конструктор, учитывают поведение отдельных блоков поликристалла (зёрен металла) но без лишних вычислений, пишет издание Naked Science. Они реализуются на обычных компьютерах, поэтому пригодны для использования инженерами на производстве. Именно такую модель разработали пермские учёные. Программа, с помощью которой можно рассчитать свойства металлов, подходит для использования на обычном компьютере, поэтому решением могут пользоваться инженеры на производстве.
«Главное отличие новой модели от существующих заключается в том, что она точнее предсказывает, как именно меняется структура металла при деформации за счёт того, что описывает индивидуальное поведение каждого зерна. Также учитывается их "наследственность": когда в материале образуются новые зёрна (происходит рекристаллизация), они частично наследуют структурные свойства (например, ориентацию) от старых, а не возникают "случайно", как принимается во многих других моделях. Это важно для более детального предсказания архитектуры материала и, как следствие, прочности всего изделия», — пояснил Дмитрий Безверхий, младший научный сотрудник Лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, которого цитирует пресс-служба университета.
В качестве примера можно рассмотреть лопатку газотурбинного двигателя, которая вращается с частотой 10 000 оборотов в минуту при температуре порядка 1000 °C.
В газотурбинном двигателе одна турбинная ступень состоит из вращающегося диска, на котором расположено множество турбинных лопаток
Если металл «поведёт себя» неправильно, она деформируется или разрушится, что может привести к аварийным последствиям. Учёт «наследственности» позволяет более точно подобрать режимы изготовления и эксплуатации, чтобы избежать появления «слабых мест» в конструкции и снизить риск её отказа в ответственный момент.
Авторы протестировали модель на образцах меди. Для проверки эффективности метода учёные спрогнозировали поведение чистой меди при сжатии в разных температурных режимах (от 450 до 800 °C). Результаты моделирования соответствуют натурным экспериментам. Это говорит о том, что предложенный способ математического описания позволит создавать металлы с заданными свойствами.
«Например, если нужно сделать авиационный сплав, который выдержит экстремальные режимы работы, модель подскажет способ его обработки и параметры, чтобы получить необходимую структуру», — считает заведующий лабораторией многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ Никита Кондратьев.
Статья опубликована в Russian Physics Journal. Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации нацпроекта «Наука и университеты».
Егор Петров
