Японские исследователи смогли быстро и точно предсказать микроструктуру никель-алюминиевых (Ni-Al) сплавов, которые обычно используются в конструкции деталей турбин реактивных двигателей. Прогнозы микроструктуры этих сплавов до сих пор были трудоемкими и дорогостоящими. Полученные результаты могут значительно улучшить дизайн материалов, состоящих из ряда различных сплавов, которые используются для изготовления продуктов в нескольких различных отраслях промышленности.
Сплавы - это прочные материалы, состоящие из двух или более металлов. Нынешняя высокая стоимость и конструктивные ограничения традиционных процессов производства сплавов привели к необходимости создания более эффективных методов проектирования. Одной из ключевых проблем было то, как точно предсказать микроструктуру сплава (очень мелкомасштабную структуру, видимую только под микроскопом), которая может сильно повлиять на физические свойства, такие как прочность, ударная вязкость, устойчивость к коррозии, твердость и/или сопротивление износу и разрыву..
Авторы смогли предсказать микроструктуру сплава, используя «метод фазового поля из первых принципов». Эта процедура предсказывает микроструктуру сплавов, основываясь только на фундаментальных законах физики (основные принципы), а затем использует эти параметры для моделирования образования микроструктуры (фазовое поле). Это противоречит эмпирическому моделированию или предсказаниям, основанным только на экспериментах или предыдущих наблюдениях. Кроме того, исследователи проводили эксперименты по моделированию при высоких температурах, имитирующих температуру турбин реактивных двигателей (~1027°CoC).
Исследование было опубликовано в Nature Communications 1 августа 2019 года.
Поиск новых материалов с желаемыми свойствами требует инженерии микроструктуры материалов, основанной на изменении нескольких переменных, таких как состав, морфология, давление, температура, легирование, литье и ковка.
Надежный метод моделирования, который может помочь в разработке и производстве новых материалов, основанный только на теоретическом принципе, может сделать производство быстрее и дешевле. Однако большинство современных теорий дизайна материалов носят феноменологический характер и основаны на экспериментальных наблюдениях и эмпирическом опыте. Это требует много времени и денег.
Что делает метод фазового поля из первых принципов таким выгодным, по мнению авторов, так это то, что он соединяет точные мелкомасштабные (первые принципы) расчеты и крупномасштабную (фазовое поле) модель с помощью теории перенормировки, концепция в физике, которая по существу делает бесконечные степени свободы конечными или непрерывные переменные дискретными. Другими словами, используя свой метод, они смогли преодолеть трудоемкие и дорогостоящие экспериментальные процедуры и по-прежнему производить материалы, которые соответствовали экспериментальным методам.
Метод фазового поля из первых принципов был изобретен как первый в мире инновационный многомасштабный метод моделирования. Используя этот метод, мы смогли успешно прогнозировать сложные микроструктуры любых составов сплавов Ni-Al из первых принципов (основные законы физики) без использования каких-либо эмпирических параметров, и наши результаты довольно хорошо согласуются с экспериментами», - говорит Каору Оно, автор-корреспондент и профессор Йокогамского национального университета.
Оно и его соавторы из Национального института материаловедения в Японии говорят, что этот метод можно использовать для прогнозирования механической прочности сплавов, поскольку можно легко рассчитать локальное распределение сил, а также микроструктуры.
Метод, который представляют авторы, также можно использовать для прогнозирования микроструктуры многокомпонентных сплавов или сплавов, состоящих из более чем двух металлов.«Эти исследования подчеркивают фундаментальную природу сталей и других сплавов, которые до сих пор были продемонстрированы только на основе эмпирических наблюдений. Таким образом, предлагаемый метод является мощным теоретическим инструментом для быстрого прогнозирования наиболее подходящего сплава, который может реализовать желаемую прочность, ударную вязкость., пластичности, пластичности, легкости и т. д. как можно больше», - добавляет Оно.
В дальнейшем авторы планируют применить метод к различным стальным материалам и другим многокомпонентным сплавам, чтобы предсказать зависимость микроструктуры и распределения локальных напряжений от их исходных составов и лучше понять их характеристики.