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 Близкая галактика неожиданно оказалась «мини-версией» ранней Вселенной: ее центральная черная дыра внезапно перешла в длительный режим мощного радиоизлучения и запустила устойчивый джет. Он не ослабевает уже восемь лет. Обычно такие процессы связывают с молодыми, быстрорастущими черными дырами в ранней космологической эпохе.
Инфекции, такие как коронавирус, наносят серьезный удар организму, из-за чего даже после выздоровления он продолжительное время остается уязвимым. Сегодня для оценки иммунитета врачи смотрят в первую очередь на уровень антител в крови, однако такой подход не отражает реального состояния здоровья человека. Это не позволяет врачам точно прогнозировать, как будет протекать болезнь и насколько быстро пациент выздоровеет. Ученые Пермского Политеха и ПГАТУ впервые выяснили, как именно восстановление иммунитета зависит от пола человека и кто наиболее подвержен осложнениям после коронавирусной инфекции. Результаты исследования помогут правильно учитывать гендерные особенности пациента при лечении и реабилитации, что повысит точность прогнозов и эффективность терапии.
Американские палеонтологи доказали, что предки современных наземных позвоночных развивались без переходной стадии водной личинки. Изучив окаменелости новорожденных животных из каменноугольного периода, ученые не зафиксировали у них наружных жабр и признаков метаморфоза. Выяснилось, что двухфазный жизненный цикл современных земноводных — это позднее эволюционное приобретение, а первые четвероногие вылуплялись из икры миниатюрными копиями взрослых особей.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Сканирующая туннельная микроскопия достигла квантово-механического предела пространства-времени. Физики провели эксперимент и смоделировали перемещение одиночного электрона с атомарной точностью и скоростью в доли фемтосекунды. Результат показал границы применимости квантовых законов и объяснил механику сверхбыстрых процессов.
В 2025 году детекторы гравитационных волн уловили потенциальное слияние черных дыр крайне малой массы. Ученые из Университета Майами считают, что участники того события могут открыть новое направление в исследовании темной материи.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
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