 |
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: 143
Страна: Россия
| Грибная перезагрузка: ученый Пермского Политеха рассказал, что меняется в лесу в конце лета, ПНИПУ, 11:07, 18.08.2026, Россия |
496 |
| Многие люди привыкли считать, что в августе лес продолжает давать те же грибы, что и в июле, только в больших количествах, но реальность гораздо сложнее. Ученый ПНИПУ рассказал, как меняется тихая охота в августе, почему сейчас так легко ошибиться и сорвать ядовитый двойник, и как правильно готовить августовские грибы. |
|
| Учёные ПНИПУ создали умные капсулы, которые удешевляют добычу нефти втрое, ПНИПУ, 17:05, 17.08.2026, Россия |
590 |
| Для добычи трудноизвлекаемой нефти используют специальный гель, чтобы создать трещины. После операции его нужно удалить, однако существующие средства срабатывают слишком рано или не выдерживают высоких температур. Учёные ПНИПУ создали новые капсулы для добычи, которые стоят в 3 раза дешевле аналогов. |
|
|
|
