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 Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Биологи нашли особый тип стволовых клеток, которые просыпаются в среднем возрасте и активно производят новый жир на животе. Открытие сделали благодаря масштабным экспериментам на мышах и анализу человеческих тканей. Результат объяснил природу возрастного ожирения и дал новую цель для будущих лекарств.
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