Создана математическая модель образования повреждений в титановом сплаве

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали математическую модель, которая позволяет предсказать разрушение титанового сплава, учитывая его внутреннюю структуру. В ходе исследования было выяснено, при каких условиях в сплаве возникают повреждения.

Политехники изучили сплав Ti-6Al, который имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку. Эта структура представляет собой шестигранную призму, в основаниях и центральной части которой сосредоточены атомы и ионы металла. Материалы с ГПУ решеткой обладают различными свойствами в разных направлениях.

Сплав Ti-6Al обладает высокой прочностью, но имеет низкий порог для пластической деформации, которая происходит в результате скольжения дислокаций. Дислокации представляют собой дефекты кристаллической решетки, которые представляют собой линии в материале, где нарушено правильное расположение атомов. Скольжение – это один из способов движения дислокаций, при котором они перемещаются от одних атомов к другим.

Можно представить, что перед вами лежит ковер, который представляет собой кристалл атомной решетки титанового сплава. В какой-то части ковра образовалась складка, которая является дефектом, или дислокацией. Когда люди ходят по ковру, эта складка перемещается от одной части ковра к другой, заставляя ближайшую к ней часть полотна искривляться. Когда количество дислокаций становится слишком велико, растет риск того, что они превратятся в трещины, и начнется процесс разрушения кристалла сплава.

Для титановых сплавов с гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой характерны специфические разрушения, такие как фасетки квазискола. Это образование, которое имеет относительно ровный участок разрушения с признаками как хрупкого, так и пластического разрушения. Политехники изучили условия, при которых в сплаве Ti-6Al возникают такие повреждения.

Микротрещины возникают при неудачном соседстве «жесткого» и «мягкого» зерен. Если зерно плохо ориентировано для начала скольжения, то оно считается «жестким», в противном случае – «мягким». При неудачном расположении этих зерен друг относительно друга в «мягком» зерне происходит пластическая деформация и скольжение дислокаций, из-за чего дефекты скапливаются у границы зерен. В результате высоких напряжений на границе «жесткого» зерна образуются участки разрушения материала.

Согласно словам младшего научного сотрудника лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ Никиты Князева, уже при 80-100 дислокациях в «мягком» зерне напряжение в «жестком» зерне становится критическим, что говорит о том, что скопления дислокаций у границ зерен оказывают прямое влияние на разрушение материала.

После этого политехники построили математическую модель формирования повреждений в сплаве Ti-6Al, которая позволяет вычислить повреждения в «жестком» зерне с учетом внутренней структуры соседнего «мягкого зерна».

По мнению доцента кафедры математического моделирования систем и процессов ПНИПУ Павла Волегова, математическая модель может быть использована для прогнозирования зарождения трещины в титановых сплавах, связанного с образованием скоплений дислокаций на границе двух зерен «неудачной» ориентации.

Он также добавил, что построение подобных моделей особенно важно для описания поведения деталей авиационных двигателей при эксплуатации, поскольку разрушение лопаток и дисков вентилятора часто происходит по рассмотренному механизму.