Математическую модель разрушения титанового сплава, которая учла его внутреннее строение и помогла установить факторы, приводящие к возникновению в нем повреждений, построили ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 23 октября сообщает пресс-служба вуза.

Титан и его сплавы используются во многих сферах промышленности для производства различных изделий, требующих высокой прочности, начиная от протезов и имплантатов до авиационных двигателей, а также солнечных батарей и радиоантенн. Однако, входя в число самых прочных металлов в мире, титан тем не менее при определенных условиях подвержен процессам разрушения.

При прогнозировании возникновения микроповреждений детали из титана или его сплавов принято использовать такие «классические» критерии разрушения, как максимальные значения напряжений, энергии или деформаций, которые деталь выдерживает без разрушения.

Пермские ученые, проведя ряд исследований, усовершенствовали этот метод, учтя внутреннюю структуру материала, в том числе особенности и дефекты его кристаллической атомной решетки для построения модели процессов разрушения сплавов титана.

Результаты проведенных исследований и созданной на полученных данных модели были представлены в статье «Моделирование образования повреждений вблизи границ зерен в сплавах, близких к альфа-титану», опубликованной в сборнике 30th Russian conference on mathematical modelling in natural sciences, 2023.

Ученые ПНИПУ исследовали процессы, происходящие при разрушении под нагрузкой высокопрочного сплава Ti-6Al с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) кристаллической решеткой, узлы которой представляют собой шестигранную призму.

В ячейках решетки атомы и ионы металла располагаются в основаниях призмы и в ее центральной части. Материалы с ГПУ решеткой в разных направлениях показывают ярко выраженное различие свойств (прочность, пластичность, электропроводность и т. д.).

Для сплава Ti-6Al характерен низкий порог необратимой пластической деформации при скольжении дислокаций — дефектов кристаллической решетки, выражающихся в нарушении правильного расположения в ней атомов. Скольжением называется один из способов перемещения дислокаций от одних атомов кристалла к другим.

Ученые сравнивают скольжение дислокаций с перемещением образовавшегося «пузыря» у плохо уложенного ковра. Когда люди ходят по ковру, этот «пузырь» перемещается от одной части ковра к другой, искривляя ближайшую к нему часть полотна.

В случае кристаллов титана, когда дислокаций становится слишком много, возрастает опасность их трансформации в трещины, что приведет к разрушению кристалла сплава.

Для сплавов с ГПУ решеткой характерны такие разрушения, как фасетки квазискола — образование относительно ровного (плоского) участка разрушения с возникновением признаков пластической деформации (гребней).

Как установили ученые Пермского Политеха, условием, при которых в сплаве Ti-6Al возникают такого рода повреждения, является «неудачное» соседство «жесткого» и «мягкого» зерен — областей, где ориентация кристаллической решетки изменяется. Если зерно ориентировано так, что мешает скольжению дислокаций, то его называют «жестким», в противном случае — «мягким».

При неудачном расположении «мягких» и «жестких» зерен друг относительно друга в «мягком» зерне происходит пластическая деформация и скольжение дислокаций. Дефекты скапливаются у границы зерен, вызывая высокие внутренние напряжения, которые в соседнем «жестком» зерне приводят к образованию участка разрушения материала.

Младший научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ Никита Князев пояснил:

«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».

По результатам исследования была построена математическая модель формирования повреждений в сплаве Ti-6Al. Она позволяет вычислять условия 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 зерен „неудачной“ ориентации», — рассказал доцент кафедры математического моделирования систем и процессов ПНИПУ Павел Волегов.

Такая модель особенно полезна для прогнозирования поведения деталей авиационных двигателей в процессе эксплуатации, так как разрушение лопаток и дисков вентилятора часто идет по учтенному в модели механизму, отметил Волегов.

Результаты исследования также могут быть применены в остальных отраслях, использующих титан и его сплавы. В том числе в химической промышленности, где из таких материалов изготавливают реакторы, трубопроводы; военной — бронежилеты, корпуса подводных лодок, а также в ракетостроении, автомобильной, сельскохозяйственной, медицинской и пищевой промышленности, в ювелирных изделиях и т. д.