Если заглянуть внутрь любой конструкции из сплава или металла, можно заметить, что материал состоит из кристаллитов — зерен, субзерен, фрагментов, обладающих той или иной мезо- и микроструктурой. Как правило, по параметрам структуры кристаллитов можно сделать выводы о свойствах материала, с которым мы имеем дело. Изменяя мезо- и микроструктуру кристаллитов, можно влиять на физико-механические свойства всех металлов и сплавов, а именно на пластичность, прочность, коррозийную стойкость, электромагнитные и другие характеристики. Ученые Пермского Политеха разработали трехуровневую математическую модель, которая способна детально описывать физические механизмы деформирования материалов на различных структурно-масштабных уровнях, изменение их структуры при произвольном деформировании. Данная модель может быть использована для совершенствования существующих и разработки новых технологических процессов металлообработки.
Исследование опубликовано в высокорейтинговом журнале «Materials 2022».
Значительная часть деталей и конструкций, используемых в аэрокосмической, машиностроительной и других отраслях изготавливается пластическим деформированием заготовок из металлов и сплавов. Обычно для описания деформирования материалов требуется проведение дорогостоящих экспериментов. При этом наиболее часто используемых механических испытаний недостаточно для описания эволюции структуры материала, а следовательно, прогнозировать физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики готовых изделий становится невозможно. По словам политехников, предложенная ими модель опирается на прямое описание физических механизмов неупругого деформирования, эволюции структуры, формулировку физически обоснованных законов упрочнения.
Кристаллические решетки обладают рядом специфических особенностей, которые проявляются в различном характере эволюции дефектов. При механической обработке решетка может накапливать большое число дефектов, что может приводить как к ухудшению рабочих характеристик деталей, так и к увеличению прочности материалов и изделий из них, все зависит от режимов термомеханической обработки.
— Нами, в частности, были исследованы образцы поликристаллов из меди и латуни, оба имеют гранецентрированную кубическую решетку. Модель применили для описания процессов монотонного (растяжения) и циклического (со сменой знака нагружения) в условиях простого и сложного деформирования. Показано, что материалы с низкой энергией дефекта упаковки при ряде нагружений демонстрируют более высокие показатели упрочнения по сравнению с материалами с относительно высокой энергией дефекта упаковки, — сообщил профессор кафедры математического моделирования систем и процессов Петр Трусов.
— Полученные с использованием модели результаты численных экспериментов обнаруживают удовлетворительное соответствие известным экспериментальным данным, что свидетельствует о ее применимости для рассмотрения реальных технологических процессов, — поделился младший научный сотрудник кафедры «Математическое моделирование систем и процессов» Дмитрий Грибов.
Разработка будет перспективна для внедрения в авиационной, нефтегазовой и других сферах машиностроения, считают ученые.