Математическая модель Пермского Политеха: прочность сплавов рассчитают до производства

Современная авиация требует материалов, которые сочетают легкость и сверхпрочность. Для этого в основной металл добавляют легирующие элементы, формирующие сложную внутреннюю структуру: микроскопические кристаллы (зерна), границы между ними и мелкие включения. Именно эти включения способны значительно повысить прочность сплава, но до сих пор инженерам приходилось изучать их влияние экспериментальным путем — долго и дорого.

Цифровой инструмент для подбора структуры сплава

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) создали математическую модель, которая детально показывает, как добавленные частицы влияют на поведение материала при деформировании. Модель описывает два основных механизма: внутризеренное скольжение (внутри зерен) и зернограничное проскальзывание (на границах между зернами). Результаты опубликованы в «Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика».

По словам Алексея Швейкина, ведущего научного сотрудника лаборатории многоуровневого моделирования ПНИПУ, доктора физико-математических наук, многоуровневый подход позволяет использовать разработку как удобный цифровой инструмент. С его помощью можно менять температуру, скорость деформирования, долю, размеры и распределение частиц, «проигрывая» разные сценарии для анализа структуры и механизмов.

Проверка на алюминиево-литиевом сплаве

В качестве материала исследователи выбрали алюминиево-литиевый сплав, широко применяемый в авиакосмической промышленности. В нем ключевую роль играют два типа наноразмерных частиц, различающихся составом, плотностью и распределением: одни расположены равномерно, другие — менее равномерно, в основном на дефектах и границах зерен. Оба типа частиц мешают движению внутри материала и делают его прочнее, но при избытке сплав теряет пластичность и может разрушиться преждевременно.

Чтобы проверить модель, ученые испытали ее на бикристалле — простейшей структуре из двух зерен и границы между ними. Рассматривали повышенные температуры и нагружение, при котором механизмы деформирования действуют одновременно внутри и на границе. Параметры определили по данным экспериментов при 350°C, затем проверили при 375°C. Как сообщила Эльвира Шарифуллина, научный сотрудник лаборатории, кандидат физико-математических наук, результаты численных расчетов и натурных испытаний хорошо совпали в обоих случаях.

Исследователи выяснили, что чем больше включений, тем выше напряжения. Скольжение внутри зерен затрудняется из-за препятствий, поэтому зерна начинают смещаться относительно друг друга по границе раньше, но медленнее. Если уменьшить размер частиц при сохранении их доли, напряжения также растут, так как количество препятствий увеличивается.

Разработанная модель важна для технологий производства и обработки металлических заготовок. С ее помощью можно в вычислительном эксперименте менять режимы деформирования и внутреннее строение, получая требуемые свойства. В перспективе модель ляжет в основу цифровых двойников для создания более легких и прочных деталей в авиации, автомобилестроении и других отраслях, где используются алюминиевые сплавы.