Прочность и пластичность сплавов проверили еще до производства
Современные авиационные материалы должны быть легкими и сверхпрочными, чтобы выдерживать высокие нагрузки. Для этого в основной металл добавляют другие металлы — их называют легирующими элементами. Они помогают создать сложную внутреннюю структуру: микроскопические кристаллы (зерна), границы между ними и мелкие включения. Именно эти включения могут значительно повысить прочность сплава. Ученые Пермского Политеха создали математическую модель, которая показывает, как такие частицы влияют на поведение материала и внутри зерен, и на их границах. Реакция сплава на экстремальные нагрузки зависит от того, как расположены элементы структуры, а также от размера и состава включений. Модель поможет ускорить разработку новых сплавов: инженеры смогут заранее, на этапе проектирования, оценивать поведение материала и подбирать структуру, которая обеспечит нужные прочность, пластичность и долговечность.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
По самой распространенной версии, в прошлом климат Венеры был похож на земной, а к нынешнему состоянию пришел из-за парникового эффекта. Недавно ученые попытались смоделировать этот процесс и обнаружили, что перегретая венерианская кора даже вместе с вулканами просто не могла испустить в атмосферу такое количество углекислого газа, какое мы наблюдаем в ней сейчас.
Каждый год на месторождениях происходят десятки плановых остановок скважин для ремонта или профилактики. Чтобы во время простоев предотвратить выброс нефти и газа на поверхность, скважины глушат и закачивают в них специальные жидкости, в качестве которых нередко используют обратные эмульсии. Раньше считалось, что они безвредны и легко удаляются, поэтому, когда после глушения проницаемость уменьшалась, это списывали на другие факторы — например, отложение парафинов. Комплексно не изучалось, как именно эти составы влияют на снижение добычи. Ученые Пермского Политеха изучили обратные эмульсии и впервые объяснили, как они влияют на проницаемость горных пород. Проведенное исследование позволяет заранее определить, насколько опасен тот или иной состав и какой способ очистки сработает лучше. Это поможет нефтяным компаниям минимизировать потери добычи и избежать дорогостоящих восстановительных работ.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
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.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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