Ученые Уральского федерального университета разработали математическую модель, которая поможет управлять внутренней структурой сплава и влиять на его физические свойства. С помощью этой модели можно ускорять синтез сплавов на основе алюминия. Расчеты проверили на экспериментальной установке электромагнитной левитации в Йенском университете имени Фридриха Шиллера (Германия). Результаты опубликованы в Journal of Physics: Condensed Matter. Исследование поддержал Российский научный фонд (проект № 21-79-10012).
«Нам удалось разработать математическую модель, с помощью которой можно описать различные формы дендритных кристаллов, образующихся в структуре сплава при разных температурах переохлаждения. Форма кристаллов в сплаве предопределяет физические свойства материалов — прочность и пластичность, теплопроводность и электропроводность. С помощью моделирования мы можем определить, какая форма кристаллов необходима для усовершенствования тех или иных свойств сплава, и производить детали с заданными характеристиками», — поясняет старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Любовь Торопова.
Расчеты ученые провели для силумина — сплава алюминия и кремния. Он активно применяется для литья деталей в авто-, мото- и авиастроении благодаря своей способности образовывать отливки без дефектов. Опыты на установке подтвердили данные по кинетике роста кристаллов в расплавах и дендритной структуре сплава.
«Дополнительно в расчетах мы использовали методы численного моделирования, с помощью которых мы можем сразу регулировать состав и характеристики сплава. Например, мы выяснили, что в некоторых случаях дендритные кристаллы, растущие из чистого кремния, эволюционируют быстрее, чем кристаллы, растущие из расплава силумина. Это улучшает микроструктуру и свойства конечного материала, то есть необходимо регулировать состав расплава, если требуется ускорить процесс литья деталей», — поясняет Любовь Торопова.
По словам ученых, разрабатываемые математические модели позволят быстро создавать сплавы различных металлов с необходимыми свойствами. На основе экспериментальных исследований физики создали программное обеспечение и получили свидетельство о государственной регистрации программы для компьютеров. Оно позволит симулировать комплексные процессы структурно-фазовых превращений, происходящих в сплавах различных металлов, и создавать материалы нового поколения с улучшенными характеристиками.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение