Компьютерная модель предскажет поведение металла под нагрузкой
Ученые Пермского Политеха разработали математическую модель, которая учитывает, как ведут себя зерна металла под нагрузкой и как температура и скорость деформации влияют на состояние изделия. Результаты этого фундаментального исследования позволят дать рекомендации по созданию более прочных и долговечных деталей для самолетов, атомных и нефтегазовых станций, сооружений и других ответственных конструкций.
При изготовлении металлических деталей в зависимости от цели эксплуатации материал нагревают и деформируют, чтобы придать ему нужную форму и свойства. В это время внутри него происходят сложные процессы: зерна материала (его «кирпичики») эволюционируют, появляются и исчезают дефекты, иногда структура полностью перестраивается. Все эти изменения важны для изготовления конечного изделия, поэтому детально исследуются. Раньше технологи полагались преимущественно на эксперименты, исследование проводилось методом проб и ошибок. Это отнимало много времени и средств, поэтому останавливало или тормозило производственные процессы.
Статья опубликована в Russian Physics Journal. Исследование проведено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации нацпроекта «Наука и университеты».
Сейчас существует много компьютерных моделей (программ), которые предсказывают, как металлы изменяют свою структуру и свойства под нагрузкой. Условно 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 (зерен металла) но без лишних вычислений. Они реализуются на обычных компьютерах, поэтому пригодны для использования инженерами на производстве. Именно такую модель разработали Ученые Пермского Политеха. Программа на ее основе позволяет достаточно точно и быстро проводить расчеты. В качестве аналогии – как если бы 2ГИС вдруг начал показывать не только улицы, но и каждую трещину на асфальте, и все равно работал на телефоне.
– Главное отличие новой модели от существующих — она точнее предсказывает, как именно меняется структура металла при деформации, за счет того, что описывает индивидуальное поведение каждого зерна. Также учитывается их «наследственность», то есть, когда в материале образуются новые зерна (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, – комментирует Дмитрий Безверхий, младший научный сотрудник Лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ.
В качестве примера можно привести лопатку газотурбинного двигателя, которая вращается с частотой 10 000 оборотов в минуту при температуре порядка 1000°C. Если металл «поведет себя» неправильно, она деформируется или разрушится, что может привести к аварийным последствиям. Учет «наследственности» позволяет более точно подобрать режимы изготовления и эксплуатации, чтобы избежать появления «слабых мест» в конструкции и снизить риск ее отказа в ответственный момент.
– Для проверки эффективности нашей модели мы 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, – комментирует Никита Кондратьев, заведующий Лабораторией многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Разработка ученых ПНИПУ даст возможность совершенствовать производство в авиационной, нефтегазовой, строительной и других отраслях промышленности. Новая модель, например, позволит проектировать более легкие и прочные детали двигателей и будет способствовать ускорению разработки новых сплавов без проведения множества пробных натурных испытаний. Все это – за счет точного определения поведения металлов в разных условиях. В будущем такие технологии могут помочь более эффективному проведению цифровизации производства.
Telegram 
Дзен 
VK Сотрудники Центра языка и мозга НИУ ВШЭ приняли участие в редкой для детской нейрохирургии операции с пробуждением у 11-летнего пациента с фармакорезистентной эпилепсией. Совместно с врачами НПЦ специализированной медицинской помощи детям имени В.Ф. Войно-Ясенецкого в Солнцево они сопровождали удаление участка левой височной доли, где был выявлен эпилептический очаг.
Провинция Цзянсу была процветающим центром медицинской практики в Китае во времена династии Мин (1368-1644 годы нашей эры). Микроскопический анализ крошечных частиц на поверхности хирургических ножниц и пинцета из гробницы китайского врача помог выявить следы вещества, получаемого из ядовитого растения, которое, по мнению исследователей, применялось как местная анестезия во время операций.
Анализ ДНК и изотопный анализ зубов показали, что мужчина генетически был связан с саамскими популяциями, но часть жизни провел за пределами Финляндии — возможно, в Исландии. Авторы нового исследования пришли к выводу, что на рубеже XVI-XVII веков саамские сообщества не были изолированы, как предполагали многие исследователи. Люди путешествовали на далекие расстояния и поддерживали контакты с дальними регионами Северной Атлантики.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Ученые РГУ нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина предложили подход к отбору малодебетных нефтегазовых месторождений, которые составляют около 88% нераспределенного фонда нефтяных участков. Модель расчета поможет вовлечь в экономический оборот от 400 до 600 миллионов тонн ранее нерентабельных запасов.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно