Компьютерная модель предскажет поведение металла под нагрузкой

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.

ПНИПУ

1049 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше