Большинство современных деталей и изделий производят не из чистых металлов, а из сплавов. В них добавляют другие металлы, которые называют легирующими элементами. Меняя состав и количество таких добавок, можно получать материалы с самыми разными свойствами. Например, прочность, стойкость к коррозии, пластичность и обрабатываемость могут вырасти в несколько раз. Именно поэтому изделия из сплавов получаются более надежными, служат дольше и обходятся дешевле в производстве и эксплуатации.
Чтобы придать металлическому изделию нужную форму и свойства, сплав подвергают сложной обработке: нагревают, деформируют и так далее. От этого меняется его внутреннее строение, то есть зерна материала и частицы меняют размер, форму, взаимное расположение, появляются и исчезают дефекты. Все это напрямую влияет на то, каким получится готовое изделие.
Раньше инженеры могли изучать такие изменения только с помощью экспериментов, поэтому это занимало много времени и стоило дорого. Сегодня же на помощь приходит компьютерное моделирование, которое позволяет предсказывать поведение материала еще на этапе проектирования.
Ученые Пермского Политеха создали трехуровневую математическую модель, которая детально показывает, как микроскопические добавленные частицы влияют на поведение сплава при его деформировании. Модель описывает сразу два основных механизма: внутризеренное скольжение (то, что происходит внутри зерен), и зернограничное проскальзывание (то, что происходит на границах между зернами). Статья опубликована в «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика».
— Сложность моделирования поведения сплавов в том, что их свойства на макроуровне, например, пластичность и прочность, формируются в результате действия множества процессов, которые происходят внутри материала на разных масштабах. А если добавить сюда еще и разные условия обработки (температуру, скорость), а также химический состав сплава, то моделирование становится еще сложнее. Многоуровневый подход, который мы применили, позволяет использовать разработку как удобный цифровой инструмент. Она помогает менять температуру и скорость деформирования материала, долю, размеры и распределение частиц — это дает возможность «проигрывать» разные сценарии деформирования, анализировать структуру и особенности действия механизмов, — поясняет Алексей Швейкин, ведущий научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
В качестве материала ученые выбрали алюминиево-литиевый сплав, который широко применяют в авиакосмической промышленности. В нем ключевую роль играют два типа наноразмерных частиц, которые отличаются составом, плотностью и распределением в материале: одни располагаются достаточно равномерно, другие менее равномерно, в основном на дефектах и границах между зернами. Оба типа частиц мешают движению внутри материала и делают его прочнее, но если их слишком много, сплав теряет пластичность и может сломаться раньше времени.
— Чтобы проверить, насколько эффективно работает модель, мы решили действовать последовательно и отследить известные закономерности. Поэтому сначала испытали модель на более простом случае — бикристалле, состоящем из двух зерен и границы между ними. Рассматривали повышенные температуры и такой вид нагружения, при котором механизмы деформирования действуют и внутри зерен, и на границе одновременно. Параметры модели определили по данным экспериментов при 350°C, а затем проверили при 375°C. Результаты численных расчетов и натурных испытаний хорошо совпали в обоих случаях, — рассказывает Эльвира Шарифуллина, научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.
Исследователи выяснили, что чем больше таких включений в сплаве, тем выше напряжения. Скольжение внутри зерен затрудняется из-за множества препятствий, поэтому зерна начинают смещаться друг относительно друга по границе раньше, но двигаются медленнее, так как включения мешают и там. Если уменьшить их размер, но оставить долю прежней, напряжения тоже вырастут, потому что самих препятствий становится больше.
Разработанная модель важна для развития технологий производства и обработки металлических заготовок. С ее помощью можно в вычислительном эксперименте менять режимы деформирования и внутреннее строение материала, получая разные свойства. В будущем она может стать основой для цифровых двойников при создании более легких и прочных деталей для авиации, автомобилестроения и других отраслей, где используют алюминиевые сплавы.