|
|
 |
|
|
 |
Ученые Пермского Политеха построили математическую модель образования повреждений в титановом сплаве
Титан и титановые сплавы – важнейший компонент для многих сфер промышленности. Из них изготавливают сотни различных вещей: от протезов и зубных имплантатов до солнечных батарей и радиоантенн. Титан считается одним из самых прочных металлов в мире, однако даже он подвержен процессам разрушения. Прогнозируя возникновение микроповреждений в титановой детали, обычно используют «классические» критерии разрушения – максимальные значения напряжений, энергии или деформаций, которые деталь может выдержать. Однако этот метод не учитывает внутреннюю структуру материала, например, особенности и дефекты его кристаллической атомной решетки. Ученые ПНИПУ создали математическую модель разрушения титанового сплава, учитывающую его внутреннее строение, и выяснили, при каких условиях в нем возникают повреждения.
Исследование опубликовано в сборнике материалов конференции «30th Russian conference on mathematical modelling in natural sciences», 2023. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда.
Ученые Пермского Политеха исследовали сплав Ti-6Al, обладающий гексагональной плотноупакованной (ГПУ) кристаллической решеткой. Элементарная ячейка или «кирпичик» этой структуры представляет собой шестигранную призму. Атомы и ионы металла в каждой ячейке решетки сосредоточены в основаниях призмы, а также в её центральной части. Материалы, обладающие ГПУ решеткой, демонстрируют ярко выраженное различие свойств (прочность, пластичность, электропроводность и т.д.) в разных направлениях. Сплав Ti-6Al отличается высокой прочностью, но имеет низкий порог для протекания пластической (необратимой) деформации, главным механизмом которой является скольжение дислокаций. Дислокации – это дефекты кристаллической решетки, представляющие собой линии в объёме материала, вблизи которых нарушено правильное расположение атомов. Скольжение – один из способов движения дислокаций, её эстафетное перемещение от одних атомов кристалла к другим.
Представьте, что перед вами лежит ковер – это кристалл атомной решетки титанового сплава, в какой-то части ковра образовалась складка – дефект или по-другому дислокация. Люди ходят по ковру, и эта складка перемещается от одной части ковра к другой, заставляя ближайшую к ней часть полотна искривляться. Когда дислокаций становится слишком много, растет риск, что они трансформируются в трещины и начнется процесс разрушения кристалла сплава.
Для титановых сплавов с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой характерны специфичные разрушения – фасетки квазискола. Это образование относительно ровного (плоского) участка разрушения, наряду с признаками хрупкого разрушения имеет признаки пластической деформации (гребни).
Политехники изучили условия, при которых в сплаве Ti-6Al возникают такого рода повреждения. Микротрещины зарождаются при неудачном соседстве «жесткого» и «мягкого» зерен. Если зерно (область, где ориентация кристаллической решетки изменяется) плохо ориентировано для начала скольжения (перемещения дислокаций от одних атомов к другим), то такое зерно называют «жёстким», иначе – «мягким». При их неудачном расположении относительно друг друга в «мягком» зерне происходит пластическая деформация и скольжение дислокаций (вспоминаем ковер со складкой), из-за этого дефекты скапливаются у границы зерен. В результате высоких напряжений на границе в «жестком» зерне образуются участки разрушения материала.
– Уже при 80-100 дислокациях в «мягком» зерне напряжение в «жестком» зерне становится критическим, это говорит о том, что скопления дислокаций вблизи границ зерен оказывают прямое влияние на разрушение материала, – рассказывает младший научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ Никита Князев.
Затем политехники построили математическую модель формирования повреждений в сплаве Ti-6Al, которая позволит вычислять повреждения в «жестком» зерне с учетом внутренней структуры соседнего «мягкого зерна».
– Математическая модель может применяться для прогнозирования зарождения трещины в титановых сплавах по механизму разрушения, связанному с образованием скоплений дислокаций на границе двух зёрен «неудачной» ориентации. Построение подобных моделей особенно актуально для описания поведения деталей авиационных двигателей при эксплуатации, поскольку разрушение лопаток и дисков вентилятора зачастую протекает по рассмотренному механизму, – подводит итог доцент кафедры математического моделирования систем и процессов ПНИПУ Павел Волегов.
Проблема снижения прочности материала из-за возникновения повреждений – один из наиболее актуальных вопросов при производстве, обработке и эксплуатации металлов и сплавов. Результаты исследования могут быть использованы во всех отраслях, где применяются титан и титановые сплавы: химической промышленности (реакторы, трубопроводы), военной промышленности (бронежилеты, корпуса подводных лодок), ракетостроении, автомобильной, сельскохозяйственной и пищевой промышленности, в медицине, ювелирных изделиях и т.д.
Контактное лицо: Марина Козаченко (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 20:48, 22.10.2023
Количество просмотров: 57
Страна: Россия
| Исследование ученых Пермского Политеха улучшит долговечность 3D-изделий, ПНИПУ, 04:25, 18.12.2024, Россия |
15 |
| Аддитивные технологии широко используются в тяжелом машиностроении и позволяют создавать очень точные и сложные конструкции, что невозможно при традиционных методах. Однако неравномерные свойства этих материалов снижают срок их службы, поэтому изменения нужно отслеживать. Ученые ПНИПУ расширили экспериментальную базу программ жизненного цикла 3D-изделий, чтобы обеспечить их качество и долговечность. |
|
| Ученые Пермского Политеха улучшили модель беспламенного горения в двигателях, ПНИПУ, 03:43, 18.12.2024, Россия |
26 |
| Турбулентные завихрения, возникающие внутри авиадвигателя, перемешивают кислород с топливом, что увеличивает скорость реакции горения. Моделирование этих процессов может предсказать поведение материалов и улучшить работу двигателя. Ученые Пермского Политеха выяснили, какой показатель турбулентности корректно использовать для построения модели. |
 |
| Дан старт проекту «Наука от Первых»: площадка для прямого диалога науки, бизнеса и власти, Пресс-служба, 03:35, 18.12.2024, |
17 |
| 10 декабря 2024 года в Москве состоялся торжественный запуск проекта «Наука от Первых», ставший важным шагом на пути к объединению усилий науки, бизнеса и государства. Цель данного амбициозного проекта заключается в интеграции передовых научно-технологических решений в реальный сектор экономики России, что должно способствовать устойчивому развитию и технологическому прогрессу в стране. |
|
| Ученые Пермского Политеха предложили модель для оптимизации гибки стальных листов, ПНИПУ, 04:36, 12.12.2024, Россия |
552 |
| В строительстве часто используют холодную гибку: металлу под давлением придают определенную форму без применения высоких температур. Однако если неправильно задать условия процесса, то можно получить некачественную деталь. Ученые Пермского Политеха предложили модель для оптимизации этого метода, что поможет подобрать лучшие режимы изготовления. |
 |
|
|
|
|
|
|
Разделы //
Новости по странам //
Сегодня у нас публикуются //
|
|
