Алтайский Краевой Инновационный Банк Данных
Министерство экономического развития Алтайского края
Управление инновационного развития и кластерной политики 
Алтайский Центр
Кластерного Развития
Инновации

Применение атомно-дискретного моделирования к прогнозированию механических свойств и оптимизации состава сталей и сплавов.

Отношение к критическим технологиям:
-


Контактная информация

ФИО пользователя
Баранов Михаил Александрович


Почтовый адрес
,


ФИО руководителя проекта:
Баранов Михаил Александрович


Аннотация проекта

Постановка и описание научной или научно-технической проблемы, решаемой в рамках Проекта
В настоящее время существует огромная номенклатура полимерных, синтетических, композиционных, керамических материалов, стекол, углеродных волокон и др. Каждый из этих материалов по одному-двум показателям – коррозионной и химической стойкости, низкой плотности, технологичности, дешевизне, жаростойкости, удельной прочности и др. может превосходить металлические материалы. Однако, при создании ответственных деталей машин, требующих сочетания многих из этих свойств для сталей и сплавов не находится какой-либо альтернативы. Действительно, только детали из сталей и сплавов в течение длительного времени способны выдерживать огромные силы инерции, циклические и ударные нагрузки при одновременном циклическом тепловом воздействии в широком температурном диапазоне, действии агрессивных сред. К числу таковых относятся детали поршневой и клапанной группы ДВС, лопатки турбин и компрессоров реактивных двигателей и др. Наиболее приемлемыми материалами таких деталей оказались упорядоченные сплавы на основе Ni3Al. Между тем, законы физики доказывают, что повышение КПД двигателей и их удельной мощности достигается при увеличении температур их рабочих тел (газов) и угловых скоростей вращения валов. Поэтому получение сплава, имеющего рабочую температуру хотя бы на долю градуса, а предел текучести хотя бы на один Паскаль выше по сравнению с ранее разработанными материалами является достижением. Детали, работающие при более щадящих режимах - до 300о С (шестерни, валы, шатуны и др.) неразумно изготавливать из дорогостоящих упорядоченных сплавов. Для этих целей вполне подходят стали и неупорядоченные сплавы. Оптимизация их свойств может быть достигнута как путем изменения состава, так и путем последующей термомеханической обработки деталей. В зависимости от состава сплава атомы различного сорта, а также их взаиморасположение могут оказывать различное влияние на состояние кристаллической решетки сплава и, следовательно, на его механические свойства. Поэтому предсказание свойств металлических материалов в зависимости от содержания того или иного элемента оказывается чрезвычайно сложным. Применение метода проб и ошибок наиболее надёжно, однако требует проведения огромного количества экспериментов. При формировании многокомпонентных сплавов, содержащих ~15 химических элементов, такая процедура оказывается чрезвычайно дорогостоящей. В этой связи применение методов компьютерного атомно-дискретного моделирования состояния кристаллических решеток сплавов в сочетании с последующей экспериментальной проверкой представляется наиболее эффективным. Из вышесказанного следует, что проблема оптимизации свойств многокомпонентных сплавов является актуальной.


Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым
В современной отечественной и зарубежной литературе огромное число работ посвящено вопросу создания новых сплавов. При этом объектом исследования чаще всего являются жаропрочные сплавы на основе Ni3Al с добавлением одного-двух иных металлов. Наибольший интерес, безусловно, представляют экспериментальные работы по созданию новых металлических материалов. Как правило, число компонент сплава в этих исследованиях ограничено шестью. А.А. Ганеевым (г. Уфа) для оптимизации состава жаропрочных сплавов предлагается применить достижения теории планирования эксперимента. При этом оказывается необходимым создать и провести испытания около тысячи образцов сплавов различного состава из набора 17 химических элементов. Затем следует статистически обработать результаты эксперимента, сузить круг поиска в зависимости от поставленной задачи и повторить исследования. Предложенная процедура представляется наиболее надёжной, но и весьма трудоёмкой. Учитывая длительность и высокую стоимость экспериментального поиска оптимального состава многокомпонентного сплава, имеет всё большее внимание уделять теоретическим и компьютерным методам. Экспериментальные же исследования, безусловно, необходимы, но лишь в некоторых «реперных» точках. Парадоксально, но возможности теоретических и компьютерных методов также ограничены числом компонент сплава. Дело в том, что для реализации компьютерных методов необходимо адекватное описание межатомных взаимодействий. Общепризнанный метод построения межатомных потенциалов – полуэмпирический, предусматривающий привязку их параметров к свойствам соединений. Максимальное число компонент, которое удается включить в модельный сплав при полуэмпирическом подходе – это три. Поэтому чаще всего в литературе представлены результаты моделирования бинарных систем. Руководителем проекта предложен метод, в котором к экспериментальным данным о характеристиках кристаллов привязаны не параметры межатомных потенциалов, а параметры распределений плотностей электронных оболочек атомов с учетом предположения об их сферической симметрии. Межатомные же потенциалы строятся как интегралы перекрытия этих оболочек. Именно такой подход позволил решить проблему многокомпонентности. Это очевидно хотя бы с точки зрения комбинаторики. Подобная методика уникальна, а результаты, полученные с её помощью, окажутся новыми. В исследованиях используется и т.н. приближение «среднего атома», основанное на предположении, что в одном и том же узле решетки находятся различные атомы с вероятностями равными их концентрациям. Такое приближение позволяет существенно упростить задачу, но не решает проблему. В частности, полностью исключается возможность воссоздания поля естественных искажений решетки. По этой же причине неприемлемо моделирование влияния углерода на кристаллическую решетку сплава избыточным давлением. Атомистическое же представление углерода и азота в кристалле сплава и их взаимодействие с атомами металла также будет новым и более адекватным. Известно, что внешним оболочкам атома углерода присуща симметрия тетраэдра. Поэтому упомянутое приближение сферической симметрии представляется грубым. Однако представление атома углерода даже сферически симметричным и его взаимодействие с атомами металлов нигде в мире не рассматривалось. Приближение сферической симметрии оболочек – это вынужденный этап, который не миновать. Центральным звеном настоящего проекта является возможность построения полей естественных смещений, обусловленных сложным составом и атомной дискретностью сплава. Другими авторами данный подход не реализован хотя бы потому, что не была решена проблема многокомпонентности. Таким образом, атомно-дискретная модель сплава и предложенные методы оптимизации его состава обеспечивают новизну проекта и ожидаемых результатов.


Новизна подхода в решении обозначенной проблемы
В современной отечественной и зарубежной литературе огромное число работ посвящено вопросу создания новых сплавов. При этом объектом исследования чаще всего являются жаропрочные сплавы на основе Ni3Al с добавлением одного-двух иных металлов. Наибольший интерес, безусловно, представляют экспериментальные работы по созданию новых металлических материалов. Как правило, число компонент сплава в этих исследованиях ограничено шестью. А.А. Ганеевым (г. Уфа) для оптимизации состава жаропрочных сплавов предлагается применить достижения теории планирования эксперимента. При этом оказывается необходимым создать и провести испытания около тысячи образцов сплавов различного состава из набора 17 химических элементов. Затем следует статистически обработать результаты эксперимента, сузить круг поиска в зависимости от поставленной задачи и повторить исследования. Предложенная процедура представляется наиболее надёжной, но и весьма трудоёмкой. Учитывая длительность и высокую стоимость экспериментального поиска оптимального состава многокомпонентного сплава, имеет всё большее внимание уделять теоретическим и компьютерным методам. Экспериментальные же исследования, безусловно, необходимы, но лишь в некоторых «реперных» точках. Парадоксально, но возможности теоретических и компьютерных методов также ограничены числом компонент сплава. Дело в том, что для реализации компьютерных методов необходимо адекватное описание межатомных взаимодействий. Общепризнанный метод построения межатомных потенциалов – полуэмпирический, предусматривающий привязку их параметров к свойствам соединений. Максимальное число компонент, которое удается включить в модельный сплав при полуэмпирическом подходе – это три. Поэтому чаще всего в литературе представлены результаты моделирования бинарных систем. Руководителем проекта предложен метод, в котором к экспериментальным данным о характеристиках кристаллов привязаны не параметры межатомных потенциалов, а параметры распределений плотностей электронных оболочек атомов с учетом предположения об их сферической симметрии. Межатомные же потенциалы строятся как интегралы перекрытия этих оболочек. Именно такой подход позволил решить проблему многокомпонентности. Это очевидно хотя бы с точки зрения комбинаторики. Подобная методика уникальна, а результаты, полученные с её помощью, окажутся новыми. В исследованиях используется и т.н. приближение «среднего атома», основанное на предположении, что в одном и том же узле решетки находятся различные атомы с вероятностями равными их концентрациям. Такое приближение позволяет существенно упростить задачу, но не решает проблему. В частности, полностью исключается возможность воссоздания поля естественных искажений решетки. По этой же причине неприемлемо моделирование влияния углерода на кристаллическую решетку сплава избыточным давлением. Атомистическое же представление углерода и азота в кристалле сплава и их взаимодействие с атомами металла также будет новым и более адекватным. Известно, что внешним оболочкам атома углерода присуща симметрия тетраэдра. Поэтому упомянутое приближение сферической симметрии представляется грубым. Однако представление атома углерода даже сферически симметричным и его взаимодействие с атомами металлов нигде в мире не рассматривалось. Приближение сферической симметрии оболочек – это вынужденный этап, который не миновать. Центральным звеном настоящего проекта является возможность построения полей естественных смещений, обусловленных сложным составом и атомной дискретностью сплава. Другими авторами данный подход не реализован хотя бы потому, что не была решена проблема многокомпонентности. Таким образом, атомно-дискретная модель сплава и предложенные методы оптимизации его состава обеспечивают новизну проекта и ожидаемых результатов.


Описание области применения результатов научно-исследовательской работы
Механические свойства (МС) сталей и сплавов представляют собой важнейший критерий применения этих материалов в различных областях человеческой деятельности. Формирование МС возможно путем задания химического состава сплава на этапе изготовления слитка и путем последующей термомеханической обработки вплоть до изготовления детали. Эмпирический поиск состава и режима обработки является самым надежным, но и самым длительным и дорогостоящим. В то же время, возможности создания новых металлических материалов далеко не исчерпаны. Поэтому развитие компьютерных методов прогнозирования МС является актуальным. Прямой расчет показателей МС методами атомно-дискретного моделирования невозможен, так как для этого потребовалось бы учесть взаимодействие гигантского числа зёрен в зоне пластической деформации, сопутствующей тому или иному механическому испытанию. В этой связи для прогнозирования МС необходимо как привлечение экспериментальных данных о МС уже созданных сплавов так и данные о результатах компьютерного моделирования состояния сплава. Реализация целей проекта позволит решать заветную мечту материаловедов - создание сталей и сплавов с заранее заданным набором механических свойств. Номограммы зависимости механических свойств найдут применение в области металлургии и машиностроения.


Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту, полученные ранее результаты, разработ
К настоящему времени в коллективе выполнено построение конфигураций электронных оболочек атомов металлов путем привязки их параметров к свойствам кристаллов. Разработана методика построения потенциалов взаимодействия атомов различного сорта на основе известных конфигураций электронных оболочек атомов. Разработаны и отлажены компьютерные программы поиска равновесных конфигураций кристаллов частично упорядоченных сплавов со сверхструктурами L12, и B2, а также неупорядоченных сплавов на основе ГЦК и ОЦК решеток узлов. Разработаны методики статистического анализа атомных смещений в исследуемом блоке кристалла и компьютерная программа визуализации блока кристалла вместе с полем микродеформаций. Выполнено моделирование плоских и точечных дефектов в упорядоченных сплавах со сверхструктурами B2, D03, L12, L21 и др. Построены поля естественных искажений решеток хромоникелевых аустенитных сталей 08Х18Н12Т, 10Х11Н20Т3Р и др. и жаропрочных сплавов ХН35ВТ и ХН35ВТЮ. Таким образом, разработанная авторами идеология построения межатомных взаимодействий и поиска равновесного состояния кристаллической решетки, реализованная в компьютерных программах и подкрепленная многолетним опытом работы коллектива создает уверенность в выполнении проекта.


Перечень основных публикаций и публичных выступлений, в которых отражены достигнутые результаты научно-исследовательских работ по проекту
1. Главный специалист Отдела анализа кредитных проектов региональной сети
2. Специалист по продажам розничных банковских продуктов


Перечень международных, федеральных, региональных и муниципальных конкурсов, в которых проект был признан победителем
-


Текущая стадия разработки проекта
Научно-исследовательская работа


Патентная чистота научно-технического задела, его защищенность
Имеются патенты


Тип научно-исследовательской работы
Поисковые проблемно-ориентированные исследования


Описание основных ожидаемых научных результатов
Основной целью работы над проектом является установление взаимосвязи между состоянием кристаллической решетки превалирующей (альфа или гамма) фазы сталей и сплавов и их экспериментально наблюдаемыми механическими свойствами – твердостью, пределом упругости, пределом прочности, ударной вязкостью и др. Такая взаимосвязь, безусловно, существует. Поставленная цель будет достигнута путем применения методов компьютерного моделирования. Их адекватность достигается атомно-дискретным представлением решетки, оригинальными потенциалами межатомного взаимодействия, представленных двухцентровыми интегралами и специальными программами поиска равновесного состояния решетки. Будут построены распределения плотностей электронных оболочек атомов углерода и азота в приближении их сферической симметрии и недеформируемости, а затем, с использованием разработанной методики будут построены потенциалы взаимодействия атомов углерода и азота с любым другим атомом из состава стали или сплава. Будут рассмотрены метастабильные конфигурации кристаллических решеток сталей и сплавов аустенитного и ферритного классов, близких по составу к промышленно выпускаемым. В ферритных сталях содержание углерода, растворенного в междоузлиях будет постепенно изменяться от 0 до 0,7 вес.%, что имитирует состояние решетки закаленных сталей, а азота – от 0 до 0,2 вес.%. В сталях аустенитного класса содержание растворенного углерода будет имитироваться в интервале от 0 до 2 вес.%, а азота – от 0 до 0,5 вес. %. Число металлов-компонент сплава предполагается ограничить десятью. Рассчитанные конфигурации решетки и картины её микродеформации, соответствующие метастабильному равновесию стали или сплава будут визуализированы, построены соответствующие гистограммы распределения атомов по величине их смещений из узлов идеальной решетки, радиальные атомные распределения и др. На основе проведенных расчетов будет выполнено сопоставление с экспериментальными данными о механических свойствах изучаемых материалов и установлена искомая взаимосвязь.


Ожидаемая научная, научно-техническая продукция
Корреляционные функции или номограммы, связывающие показатели механических свойств сталей или сплавов аустенитного и ферритного класса со среднеквадратичным смещением и энергией связи кристалла основной фазы, которые, свою очередь, определяются методами атомно-дискретного моделирования без изготовления опытного образца.


Срок реализации Проекта (месяцев)
36


Необходимый объем финансирования (тыс. руб.)
300


Ключевые слова

-


Графические, презентационные, текстовые и иные материалы к проекту

-