Учёные создали модель для сверхбыстрого проектирования сплавов с учётом дефектов

Около пяти тысяч лет назад люди начали создавать сплавы, соединяя медь и олово для получения бронзы. С тех пор подход к их разработке значительно изменился. По словам профессора машиностроения и промышленной инженерии Северо-Восточного университета Мониша Упманью, современное проектирование сплавов стало научной задачей благодаря знаниям о свойствах химических элементов.

Журнал Journal of Applied Physics отметил новую работу Упманью как выбор редакции. В ней представлена вычислительная модель, которая позволяет разрабатывать сплавы на основе реальных материалов всего за несколько секунд. По сравнению с традиционными лабораторными методами и алгоритмами на базе искусственного интеллекта, эта модель отличается большей скоростью, точностью и экономичностью. Исследование проведено совместно с Чанцзянем Ваном, ранее обучавшимся в аспирантуре Северо-Восточного университета. Ранее созданные модели — в том числе с использованием ИИ — часто не учитывали наличие дефектов в кристаллической структуре материалов. Между тем металлы и керамика содержат структурные несовершенства, которые напрямую влияют на свойства сплавов.

По словам Упманью, при проектировании дефектов и понимании поведения растворенных веществ можно создавать более прочные и доступные по цене материалы. В материаловедении под дефектами понимаются отклонения от идеальной атомной структуры, которые могут улучшать прочность, электропроводность и устойчивость к коррозии. Разработанная модель учитывает важный тип дефектов — границы зерен, а также склонность растворенных веществ к сегрегации вблизи этих границ во время формирования сплава.

По словам Упманью, традиционные методы не включают такие особенности в расчёты, поскольку система с дефектами представляет собой чрезвычайно сложную структуру. Одним из наиболее изученных дефектов остаётся дислокация — отсутствие целой атомной плоскости в кристалле. Такие дефекты позволяют кристаллам деформироваться без разрушения, а растворенные вещества, присоединяясь к дислокациям, затрудняют их движение.

Основное внимание в исследовании уделяется другому типу дефекта — границам зерен, возникающим в поликристаллических материалах, таких как медь. Эти границы проходят по поверхности между зернами с различной кристаллографической ориентацией. Площадь таких границ у сплавов с микронными зернами сравнима с размером баскетбольной площадки.

По словам Упманью, растворенные вещества прикрепляются к этим границам, что влияет на свойства и стратегию создания сплавов, включая их механические, электрические и магнитные характеристики. Инженеры могут управлять направлением электрической проводимости, ориентируя кристаллы особым образом.

Тем не менее в современной теории сплавов влияние движения границ с растворёнными веществами не учитывается. Новая модель отслеживает, как именно такие вещества влияют на подвижность границ зерен при ненулевой температуре, когда границы не остаются неподвижными, а колеблются. Исследование анализирует, где и в каком объеме происходит сегрегация, и как она влияет на движение этих границ.

По словам Упманью, это первый шаг к пониманию того, как растворённые вещества изменяют свойства материала. В статье в качестве примера рассмотрена сталь — сплав железа с углеродом. Однако модель универсальна и может применяться не только к металлам, но и к керамике, включая оксиды металлов. Исследователи используют термин «интерфейс», а не «граница зерен», чтобы подчеркнуть применимость модели и к некристаллическим материалам. Модель имитирует взаимодействие растворённых веществ с дефектами и между собой с высокой степенью реалистичности.

По словам Упманью, снимки моделируемых структур могут использоваться для расчёта свойств сплава — и результаты будут соответствовать экспериментальным данным. Модель поддерживает работу с несколькими основными материалами и способна предсказывать тепловые, электрические и магнитные свойства.

Она обеспечивает точные результаты даже при очень коротком времени моделирования — в пределах наносекунд. За это время можно зафиксировать колебания структуры и использовать их для прогнозирования поведения материала.

Читайте также: