ТАСС, 25 августа. Ученые Самарского университета им. Королева создали оригинальную цифровую модель процесса формирования микроструктуры в сплавах алюминия. Она позволит вычислять оптимальные параметры термомеханической обработки сплавов непосредственно на производстве, сообщили в четверг в пресс-службе вуза.
Точные цифровые модели процессов формирования микроструктуры в алюминиевых сплавах, а в особенности их кристаллографической текстуры, очень нужны заводским технологам. Моделирование помогает оптимизировать режимы обработки под химический состав конкретного сплава, а также под конкретные изделия и условия их эксплуатации. Иными словами, "выжать" из материалов максимум их полезных свойств, а в перспективе - даже разрабатывать новые рецептуры сплавов с нужными свойствами. Однако расчеты по существующим цифровым моделям настолько громоздки, что во всем мире ученые, как правило, используют для этого суперкомпьютеры. Для предприятий такие модели неприемлемы. Ученые Самарского университета им. Королева нашли способ, как в несколько раз сократить объем вычислений, одновременно повысив точность расчетов. Они предложили собственные оригинальные подходы к моделированию, и это кардинально расширило возможности цифровой модели.
"Мы успешно решили главные задачи проектов 2018-2020 годов. Во-первых, исследовали механизмы зародышеобразования и кинетики рекристаллизации в высокомагниевых сплавах при проработке из литой структуры. А, во-вторых, разработали новый метод решения задачи о выборе активных плоскостей скольжения при деформации алюминиевых сплавов. Эти результаты позволили нам пойти дальше, и сейчас завершен принципиально важный этап в разработке оригинальной математической модели рекристаллизации алюминиевых сплавов при горячей прокатке. Программные средства на ее основе уже можно применять на промышленных предприятиях", - приводит пресс-служба слова научного руководителя отраслевой научно-исследовательской лаборатории авиаматериаловедения (ОНИЛ-4) Самарского университета Евгения Арышенского.
Группа ученых Самарского университета в 2018 году получила трехлетний грант Российского научного фонда (РНФ) на создание математических моделей процессов формирования текстуры на ранних этапах термомеханической обработки металлов. Объектом исследования стали две группы алюминиевых сплавов. Первая - с высоким содержанием магния (Mg). Особое внимание уделили новым дорогостоящим сплавам с микролегированием такими химическими элементами как скандий (Sc) и цирконий (Zr). Освоением этих сплавов сейчас активно занимаются в аэрокосмической промышленности, судостроении, транспортном машиностроении и в ряде других отраслей. Однако многие аспекты формирования микроструктуры в этих перспективных сплавах пока недостаточно изучены, и это не дает полностью раскрыть их потенциал.
Результаты исследований позволили в 2021 году продлить грантовое финансирование до 2023 года и продолжить отработку конечно-элементной модели, но теперь изучалась вторая группа алюминиевых сплавов - с высоким содержанием железа (Fe). И хотя срок действия гранта не закончился, а исследования продолжаются, ученые Самарского университета готовы уже сейчас начать внедрение полученных результатов в промышленность.
Особенности моделирования
В традиционных конечно-элементных моделях кристаллографических структур расчеты выстроены по принципу "от макроуровня к микроуровню". То есть ученые сначала задают общий закон, связывающий температуры, напряжения и деформации, а уже исходя из него рассчитывают развитие и движение зерен в сплаве.
В модели Самарского университета им. Королева ученые пошли иным путем. Вычисления начинаются с микроуровня, а уже из них автоматически выводится общий феменологический закон, который действует на макроуровне. Адекватность модели подтверждена в лаборатории методами рентгеноструктурного анализа текстурной композиции испытываемых образцов.
"Разработанный нами метод позволяет учитывать в математической модели сложные законы нелинейного упрочнения. Это повышает точность расчетов текстурной композиции", - пояснил основной исполнитель проекта Сергей Коновалов - российский металлофизик, профессор Самарского университета.
Кардинальное сокращение объема вычислений дает возможность ученым построить более сложную и адекватную конечно-элементную модель. Она основана на разбиении области решения на "ансамбли" из 1 тыс. кристаллитов. С такими большими конгломератами зерен раньше никто не работал. При этом после отладки на суперкомпьютере программы можно запускать на обычной рабочей станции, что очень устраивает производственников.
"Расчеты на модели с таким большим конгломератом зерен - это принципиально новый путь к решению задач по управлению текстурой и получению бестекстурной составляющей в алюминиевых сплавах. Это, во-первых, позволит нам получать в некоторых алюминиевых сплавах с высоким содержанием магния такую зеренную структуру, которая обеспечивает сверхпластическое течение без использования методов интенсивной пластической деформации. Во-вторых, даст возможность существенно повысить качество изделий и снизить долю брака на производстве", - отметил Арышенский.
На 2022-2023 годы запланировано развить модель так, чтобы она учитывала появление микрообъемов с разной кристаллографической ориентировкой и формирование из них ячеистой структуры и субзерен.
Разработка цифровых двойников
"Математическое моделирование процессов термомеханической обработки, процессов формирования микроструктуры в алюминиевых сплавах - это одно из направлений, в котором научная школа металлофизики, материаловедения и конструкционных материалов Самарского университета, созданная академиком РАН Федором Васильевичем Гречниковым, сегодня демонстрирует себя как одна из ведущих в России", - сказал первый проректор - проректор по научно-исследовательской работе Самарского университета им. Королёва Андрей Прокофьев.
Сейчас уже зарегистрированы четыре программных средства, разработанные на базе новой цифровой модели, подана заявка на регистрацию пятого, а в перспективе - регистрация еще двух. Их можно будет использовать на предприятиях.
"Создание цифровых моделей, цифровых двойников - это один из ключевых трендов современного инжиниринга. В Самарском университете разрабатываются цифровые двойники газотурбинных двигателей, цифровые модели молекул полимеров, а также процессов горения и технологических процессов сборки агрегатов. Мы на высоких позициях в геоинформатике, в цифровом моделировании земной поверхности. С 1970-х годов Самарский университет был одним из пионеров в разработке конечно-элементных моделей и программных средств для расчета авиационных конструкций", - отметил Прокофьев.