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.