 |
Разработка ученых ПНИПУ позволит получать промышленные детали с лучшими эксплуатационными свойствами
Ученые Пермского Политеха разработали усовершенствованную модель, описывающую деформацию металлов при меняющихся температуре и скорости обработки. Она анализирует изменения структуры материала, прогнозирует его механические свойства и помогает предотвращать появление брака в готовых изделиях.
Статья опубликована в журнале «Physical Mesomechanics», том 27, № 4, 2024 год. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках национального проекта «Наука и университеты» (проект № FSNM-2024-0002).
Металлы и сплавы — это основа современной промышленности, и их ключевые свойства — прочность, пластичность и долговечность — определяются скрытой от глаз внутренней структурой. Она состоит из множества микроскопических кристаллов, называемых зернами. Их строение, размер, форма и взаимное расположение влияют на физико-механические свойства материала, а от этого зависит способность металлических деталей выдерживать экстремальные и длительные эксплуатационные воздействия.
Алюминий и алюминиевые сплавы остаются одними из широко применяемых материалов в современных высокотехнологичных отраслях. Благодаря малому весу, хорошей формуемости и прочности их используют в аэрокосмической, транспортной и судостроительной промышленности при создании корпусных конструкций (например, элементов фюзеляжа самолета, кузовов автомобиля и вагонов) и деталей различного назначения, а также в строительстве при изготовлении плит, профилей, труб, поковок.
Во всех этих процессах производства металл подвергается интенсивной термомеханической обработке — прокатке, ковке, прессованию, штамповке. Из-за этого его внутреннее строение претерпевает серьезные изменения за счет действия различных механизмов. При этом реализация каждого из них чувствительна к температуре и скорости деформации. Механические и температурные воздействия деформируют кристаллическую структуру металла, создавая внутренние напряжения. Они могут приводить к ряду проблем, таких как снижение пластичности, прочности, трещиностойкости, что уменьшает долговечность изделия. Так, при длительном нагреве детали выше критической температуры происходит изменение свойств со временем из-за перераспределения элементов структуры внутри материала, что может привести к уменьшению прочности. К примеру, цилиндры и поршни автомобильного двигателя работают в условиях экстремальных температур и эффективное охлаждение является критически важным для предотвращения их перегрева и разрушения.
Поэтому одной из ключевых задач является прогнозирование структурных изменений материала и создание металлических деталей с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Для этого инженеры, как правило, применяют различные методы разрушающего и неразрушающего контроля. В первом случае для определения свойств материала заготовка частично или полностью разрушается, второй способ имеет высокую стоимость и большую трудоемкость, что сказывается на процессах производства.
Альтернативой экспериментальным методам выступают компьютерные модели, при создании которых разработчики сталкиваются с дилеммой точности описания и ее производительности. Упрощенные модели, обладая высокой скоростью расчетов, дают приблизительные результаты, игнорируя, к примеру, такие важные факторы, как отличия температурно-скоростных воздействий в различных зонах изделия и предысторию их изменения. В то же время, сложные и точные комплексы, способные корректно описывать физические процессы, требуют больших вычислительных мощностей и временных затрат, что делает их неприменимыми в условиях реального промышленного производства.
Ученые Пермского Политеха разработали модифицированную двухуровневую статистическую модель, которая позволяет качественно и количественно корректно описывать не только процессы изотермического деформирования с постоянной скоростью деформации, но и процессы с изменением температурно-скоростных условий, что характерно для многих технологических процессов. Данный метод позволяет отслеживать, как меняется кристаллическая и дефектная структура материала при деформировании в зависимости от изменения температуры и скорости воздействия, оценить изменение предела текучести и анизотропии свойств.
Например, в транспортной промышленности высокие показатели пределов текучести и прочности элементов каркаса, обшивки кузовов важны для увеличения грузоподъемности и уменьшении эксплуатационных расходов. А анизотропия свойств приводит к тому, что заготовка может быть прочнее в одном направлении по сравнению с другим. Это может происходить, к примеру, после обработки прокаткой или прессованием. Поэтому при проектировании и эксплуатации деталей необходимо это эффективно применять.
Разработанная модель базируется на многоуровневом подходе, позволяющем описывать поведение материала при деформировании на различных масштабных уровнях. При этом в ее структуру включены параметры, отражающие действие реальных механизмов деформирования на уровне отдельных кристаллических зерен и эволюцию структуры материала, а также их реакцию на изменение температурно-скоростных условий. Иначе говоря, в данном случае модель выполняет роль «цифрового микроскопа» и дает возможность проанализировать внутреннюю структуру и свойства материала в зависимости от приложенных воздействий.
Для идентификации модели, то есть определения ее параметров, ученые использовали результаты экспериментальных исследований, в которых алюминиевый сплав подвергался сжатию при различных постоянных температурах (от -40 °C до +232 °C) и скоростях деформации.
– Верификация модели осуществлялась с использованием экспериментальных данных по испытаниям с изменяющимися температурно-скоростными условиями. Ее проверяли на резких скачках скорости и температуры (что может наблюдаться в реальных процессах термообработки) и на способности описывать изменение текстуры (распределения ориентаций решеток кристаллических зерен) материала при деформации. Для всех этих сложных сценариев разработка показала хорошие результаты, – рассказал Алексей Швейкин, проректор по науке и инновациям, ведущий научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ, доктор физико-математических наук.
Внедрение созданного инструментария в цикл цифрового проектирования позволит машиностроительными предприятиям оптимизировать процессы изготовления и термообработки, создавая детали с лучшими эксплуатационными свойствами.
– Наша разработка может быть полезна, в первую очередь, предприятиям аэрокосмической и транспортной промышленности. Дальнейшее развитие модели будет в дополнении ее учетом механизмов реализации сверхпластического деформирования. Сегодня на некоторых предприятиях России реализуются такие процессы, позволяющие уменьшить число сварных швов, расход материала, повысить эксплуатационные характеристики изделия. Однако, эти процессы крайне чувствительны к условиям, создаваемым на производственной установке, и технологи буквально вручную «нащупывают» нужные режимы, что очень затратно по времени. Мы разрабатываем модель, которая позволит автоматизировать процесс поиска оптимальных режимов сверхпластической формовки, в том числе для изготовления новых изделий, – прокомментировал Алексей Швейкин.
Контактное лицо: Татьяна (написать письмо автору)
Компания: ПНИПУ (все новости этой организации)
Добавлен: 20:41, 21.11.2025
Количество просмотров: 60
Страна: Россия
| Ученый ПНИПУ рассказал, как распознать и что делать при обморожении кожи, ПНИПУ, 17:53, 17.12.2025, Россия |
57 |
| С наступлением холодов риск обморожения становится реальной угрозой для каждого. Что делать, если почувствовали онемение и побеление кожи на щеках, пальцах рук или ног? Эксперт ПНИПУ рассказывает о первой помощи, которая поможет минимизировать ущерб для здоровья до визита к врачу. |
|
| Ученые Пермского Политеха рассказали, как выбрать подходящий чай и не навредить здоровью, ПНИПУ, 21:02, 13.12.2025, Россия |
253 |
| 15 декабря ежегодно отмечается День чая. Ученые Пермского Политеха рассказали, как производят разные виды этого напитка, какие из них нельзя употреблять натощак, почему белый чай не бодрит, а расслабляет, как получают разные вариации улуна, можно ли добавлять молоко в черный чай и многое другое. |
|
| Пермские ученые испытали добавку для ума и силы в пожилом возрасте, ПНИПУ, 21:02, 13.12.2025, Россия |
252 |
| Ученые Пермской фармакадемии и Пермского Политеха исследовали новую биодобавку «Дахар» на основе концентрата листьев персика с ДМАЭ — веществом, укрепляющим нейронные связи. Результаты показали, что ее прием значительно улучшает память, концентрацию и повышает физическую выносливость. |
|
| Ученая ПНИПУ назвала причины текущей волны ОРВИ, ПНИПУ, 19:57, 13.12.2025, Россия |
41 |
| Слабость, резкий скачок температуры и ощущение, что болезнь сразила за считанные часы — сейчас с такими симптомами сталкивается рекордное число людей. Врачи отмечают необычно высокую заразность инфекции, которая буквально «косит» целые семьи и коллективы. Новый штамм или привычный грипп — разбираемся с экспертом ПНИПУ. |
|
|
|
