Челябинские физики придумали, как создать сверхпрочные материалы
10 Февраля 2023
Фото: Людмила Ковалева
Разработанные учеными программы могут найти применение в атомной и аэрокосмической отрасли.
Челябинские ученые завершают исследование по гранту Российского научного фонда, которое поможет создать особо прочные металлы и сплавы.
«Наш проект нацелен на развитие механической модели динамического разрушения металлов в твердом и расплавленном состоянии, — сообщила доцент кафедры общей и теоретической физики ЧелГУ Полина Майер. — Мы определяем взаимосвязь между неоднородной структурой материала и динамической прочностью твердых металлов и расплавов».
По словам физиков, главным итогом работы станет создание пакета программ для моделирования динамической деформации материалов, угрозы их разрушения. Основные его элементы уже готовы. Результаты исследований позволят управлять динамической прочностью материалов, регулируя дефектную микроструктуру. Это открывает большие возможности для производителей конструкционных материалов уже на этапе инженерных расчетов. Они будут заранее знать, какую нагрузку выдержит металл, и не допустят аварий. Разработанные физиками программы могут найти применение в атомной и аэрокосмической отрасли.
Ученые, моделируя разные нагрузки, проводят молекулярно-динамические исследования материалов, математически обосновывают их ресурс прочности. Они также проводят эксперименты, подбирая особо прочные металлы. Созданная ими виртуальная модель позволяет прогнозировать усталость материалов, чтобы провести превентивный ремонт.
«Мы комбинируем, моделируем процессы на молекулярном уровне, проводим эксперименты, ударяя по металлу на высокой скорости, — поясняет Полина Майер. — Сложность динамического разрушения металлов — в многомасштабности задачи. На начальных стадиях оно сильно зависит от исходной микроструктуры материала, от разного рода дефектов. В природе не существует идеальных материалов, в них всегда есть неоднородности. От концентрации, размера и распределения дефектов зависит, как материал «держит удар», что приведет к его разрушению».
Как выяснилось, вокруг дефектов формируются очаги напряжения материала. Затем вся дефектная микроструктура начинает эволюционировать, образуются новые трещины. С помощью механических моделей и «умных» нейросетей ученые строят уравнения, которые позволят рассчитать угрозу разрушения материала. Физики уже провели теоретические исследования с алюминием, медью, железом, титаном, вольфрамом, а также экспериментальные — с медью, латунью и дюралюминием. При этом они использовали так называемый тест Тейлора, при котором цилиндрические образцы разгоняются сжатым воздухом и ударяются о твердую преграду.
«Наш проект нацелен на развитие механической модели динамического разрушения металлов в твердом и расплавленном состоянии, — сообщила доцент кафедры общей и теоретической физики ЧелГУ Полина Майер. — Мы определяем взаимосвязь между неоднородной структурой материала и динамической прочностью твердых металлов и расплавов».
По словам физиков, главным итогом работы станет создание пакета программ для моделирования динамической деформации материалов, угрозы их разрушения. Основные его элементы уже готовы. Результаты исследований позволят управлять динамической прочностью материалов, регулируя дефектную микроструктуру. Это открывает большие возможности для производителей конструкционных материалов уже на этапе инженерных расчетов. Они будут заранее знать, какую нагрузку выдержит металл, и не допустят аварий. Разработанные физиками программы могут найти применение в атомной и аэрокосмической отрасли.
Ученые, моделируя разные нагрузки, проводят молекулярно-динамические исследования материалов, математически обосновывают их ресурс прочности. Они также проводят эксперименты, подбирая особо прочные металлы. Созданная ими виртуальная модель позволяет прогнозировать усталость материалов, чтобы провести превентивный ремонт.
«Мы комбинируем, моделируем процессы на молекулярном уровне, проводим эксперименты, ударяя по металлу на высокой скорости, — поясняет Полина Майер. — Сложность динамического разрушения металлов — в многомасштабности задачи. На начальных стадиях оно сильно зависит от исходной микроструктуры материала, от разного рода дефектов. В природе не существует идеальных материалов, в них всегда есть неоднородности. От концентрации, размера и распределения дефектов зависит, как материал «держит удар», что приведет к его разрушению».
Как выяснилось, вокруг дефектов формируются очаги напряжения материала. Затем вся дефектная микроструктура начинает эволюционировать, образуются новые трещины. С помощью механических моделей и «умных» нейросетей ученые строят уравнения, которые позволят рассчитать угрозу разрушения материала. Физики уже провели теоретические исследования с алюминием, медью, железом, титаном, вольфрамом, а также экспериментальные — с медью, латунью и дюралюминием. При этом они использовали так называемый тест Тейлора, при котором цилиндрические образцы разгоняются сжатым воздухом и ударяются о твердую преграду.
Поделиться
