Современные цифровые модели процессов термомеханической обработки алюминиевых сплавов требуют больших вычислительных мощностей, и это не устраивает производственников. Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева разработали оригинальную модель процесса рекристаллизации алюминиевых сплавов при горячей прокатке, которую можно реализовать на обычной рабочей станции. Сейчас программное обеспечение на базе этой модели готовят к внедрению в промышленность.

Группа ученых Самарского университета им. Королева в 2018 году получила трехлетний грант Российского научного фонда (РНФ) на создание математических моделей процессов формирования текстуры на ранних этапах термомеханической обработки металлов. Именно от начальных стадий обработки во многом зависит микроструктурная композиция, а также прочность, пластичность и другие важные физико-механические свойства металла, которые могут быть получены в итоге.

Объектом исследования стали две группы алюминиевых сплавов. Первая - с высоким содержанием магния (Mg). Особое внимание уделили новым дорогостоящим сплавам с микролегированием такими химическими элементами, как скандий (Sc) и цирконий (Zr). Освоением этих сплавов сейчас активно занимаются в аэрокосмической промышленности, судостроении, транспортном машиностроении и в ряде других отраслей. Однако многие аспекты формирования микроструктуры в этих перспективных сплавах пока недостаточно изучены, и это не дает полностью раскрыть их потенциал.

Результаты исследований позволили в 2021 году продлить грантовое финансирование до 2023 года и продолжить отработку конечно-элементной модели, но теперь изучалась вторая группа алюминиевых сплавов - с высоким содержанием железа (Fe). И хотя срок действия гранта не закончился, а исследования продолжаются, ученые Самарского университета готовы уже сейчас начать внедрение полученных результатов в промышленность.

"Мы успешно решили главные задачи проектов 2018-2020 годов. Во-первых, исследовали механизмы зародышеобразования и кинетики рекристаллизации в высокомагниевых сплавах при проработке из литой структуры. А во-вторых, разработали новый метод решения задачи о выборе активных плоскостей скольжения при деформации алюминиевых сплавов, - рассказал Евгений Арышенский, научный руководитель отраслевой научно-исследовательской лаборатории авиаматериаловедения (ОНИЛ-4) Самарского университета. - Эти результаты позволили нам пойти дальше, и сейчас завершен принципиально важный этап в разработке оригинальной математической модели рекристаллизации алюминиевых сплавов при горячей прокатке. Программные средства на ее основе уже можно применять на промышленных предприятиях".

Точные цифровые модели процессов формирования микроструктуры в алюминиевых сплавах, а в особенности их кристаллографической текстуры, очень нужны заводским технологам. Моделирование помогает оптимизировать режимы обработки под химический состав конкретного сплава, а также под конкретные изделия и условия их эксплуатации. Иными словами, "выжать" из материалов максимум их полезных свойств, а в перспективе - даже разрабатывать новые рецептуры сплавов с нужными свойствами. Однако расчеты по существующим цифровым моделям настолько громоздки, что во всем мире ученые, как правило, используют для этого суперкомпьютеры. Для предприятий такие модели неприемлемы.

Ученые Самарского университета им. Королева нашли способ, как в несколько раз сократить объем вычислений, одновременно повысив точность расчетов. Они предложили собственные, оригинальные подходы к моделированию, и это кардинально расширило возможности цифровой модели.

"Нами разработана комплексная математическая модель, которая более точно отражает процессы ориентированного роста зерен при рекристаллизации. Причем наиболее интересным результатом мы считаем новый подход к вычислению активных плоскостей скольжения, которые задействуются в ходе деформации, - считает Евгений Арышенский. - До нас для их нахождения применяли численные методы, основанные на алгоритме Ньютона-Рафсона. Такой подход связан с громоздкими вычислениями производных, и это делает невозможным применение в модели сложных законов упрочнения, которые действуют в реальных процессах. Суть нашего подхода заключается в прямом линейном переборе".

В традиционных конечно-элементных моделях кристаллографических структур расчеты выстроены по принципу "от макроуровня к микроуровню". То есть ученые сначала задают общий феменологический закон, связывающий температуры, напряжения и деформации, а уже исходя из него, рассчитывают развитие и движение зерен в сплаве.

В модели Самарского университета им. Королева ученые пошли иным путем. Вычисления начинаются с микроуровня, а уже из них автоматически выводится общий феменологический закон, который действует на макроуровне. Адекватность модели подтверждена в лаборатории методами рентгеноструктурного анализа текстурной композиции испытываемых образцов.

"Разработанный нами метод позволяет учитывать в математической модели сложные законы нелинейного упрочнения. Это повышает точность расчетов текстурной композиции. В частности, для моделирования рекристаллизации с помощью уравнений Джонсона - Мэла - Аврами - Колмогорова мы ввели две фазы - притом, что в классическом подходе из-за громоздкости вычислений используется только одна. Введение второй фазы дало нам относительно легко решаемую систему дифференциальных уравнений, моделирующих процесс ориентированного роста кубической текстуры при рекристаллизации. А кроме того, удалось учесть эффект дробления интерметаллидных частиц при деформации, как это происходит при термомеханической обработке реальных сплавов", - пояснил основной исполнитель проекта Сергей Коновалов - российский металлофизик, профессор Самарского университета.

Кардинальное сокращение объема вычислений дает возможность ученым построить более сложную и адекватную конечно-элементную модель. Она основана на разбиении области решения на "ансамбли" из 1000 кристаллитов. С такими большими конгломератами зерен раньше никто не работал. При этом, после отладки на суперкомпьютере, программы можно запускать на обычной рабочей станции, что очень устраивает производственников.

"Расчеты на модели с таким большим конгломератом зерен - это принципиально новый путь к решению задач по управлению текстурой и получению бестекстурной составляющей в алюминиевых сплавах. Это, во-первых, позволит нам получать в некоторых алюминиевых сплавах с высоким содержанием магния такую зеренную структуру, которая обеспечивает сверхпластическое течение без использования методов интенсивной пластической деформации. Во-вторых, даст возможность существенно повысить качество изделий и снизить долю брака на производстве", - подчеркнул Евгений Арышенский.

На 2022-2023 годы запланировано развить модель так, чтобы она учитывала появление микрообъемов с разной кристаллографической ориентировкой и формирование из них ячеистой структуры и субзерен.

"Математическое моделирование процессов термомеханической обработки, процессов формирования микроструктуры в алюминиевых сплавах - это одно из направлений, в котором научная школа металлофизики, материаловедения и конструкционных материалов Самарского университета, созданная академиком РАН Федором Васильевичем Гречниковым, сегодня демонстрирует себя как одна из ведущих в России", - считает Андрей Прокофьев, первый проректор - проректор по научно-исследовательской работе Самарского университета им. Королева.

Сейчас уже зарегистрированы четыре программных средства, подана заявка на регистрацию пятого, их можно будет использовать на предприятиях, а в перспективе - регистрация еще двух.

"Создание цифровых моделей, цифровых двойников - это один из ключевых трендов современного инжиниринга. В Самарском университете разрабатываются цифровые двойники газотурбинных двигателей, цифровые модели молекул полимеров, а также процессов горения и технологических процессов сборки агрегатов. Мы на высоких позициях в геоинформатике, в цифровом моделировании земной поверхности. С 1970-х годов Самарский университет был одним из пионеров в разработке конечно-элементных моделей и программных средств для расчета авиационных конструкций", - подчеркнул Андрей Прокофьев.

Грант РНФ на создание цифровой модели

Исследование по теме "Создание модели расчета эволюции текстуры и структуры на ранних этапах термомеханической обработки алюминиевых сплавов, в том числе добавками переходных металлов" ведется в рамках гранта Российского научного фонда (№18-79-10099 П) по поддержке молодых ученых, продленного на период с 01.07.2021 по 01.07.2023.

Работа выполняется коллективом молодых исследователей под руководством научного руководителя ОНИЛ-4 Самарского университета, к.т.н., Dr-Ing Евгения Арышенского. В состав научного коллектива входит главный научный сотрудник ОНИЛ-4 Самарского университета, профессор кафедры "Технология металлов и авиационного материаловедения" Сергей Коновалов, а также собранная им совместно с Евгением Арышенским группа из молодых ученых - сотрудников ОНИЛ-4.

Рекристаллизация - процесс образования и роста (или только роста) одних кристаллических зерен (кристаллитов) поликристалла за счет других. Скорость рекристаллизации резко (экспоненциально) возрастает с повышением температуры. Рекристаллизация протекает особенно интенсивно в пластически деформированных материалах. При этом различают три стадии рекристаллизации: первичную, собирательную и вторичную.

Текстура - преимущественная ориентация зерен кристаллических решеток в поликристалле. В металлических материалах текстура может возникать при кристаллизации, рекристаллизации, пластической деформации и некоторых других видах обработки.

Отраслевая научно-исследовательская лаборатория авиационного материаловедения (ОНИЛ-4) - одно из старейших научно-исследовательских подразделений Самарского университета имени Королева, одна из первых отраслевых лабораторий не только в университете, но и в стране. Создана совместным решением Куйбышевского Совнархоза и Минвуза СССР от 27.01/04.02.1958 года.

Основные научные направления лаборатории:

• Исследования формирования микроструктуры в алюминиевых сплавах при литье и процессах термомеханической обработки;
  
• Разработка новых перспективных алюминиевых сплавов с добавками переходных элементов;
  
• Создание цифровых двойников процессов термической термомеханической обработки;
  
• Разработка научно обоснованных технологических процессов литья, термической и термомеханической обработки.

...