Тысячи лет люди комбинировали металлы, чтобы объединить свойства отдельных компонентов и создать такие материалы, как бронза, латунь и сталь. Однако точное прогнозирование микроструктур, лежащих в основе этих сплавов, и понимание того, как специфические свойства составляющих материалов могут проявляться на разных уровнях, остаётся сложной задачей, над решением которой работают исследователи.
Благодаря команде из Японии эта работа может занять минуты вместо лет. Исследователи разработали новый вычислительный подход, детали которого были опубликованы 15 июля в журнале Nature Communications. Новый метод позволяет предсказывать особенности микроструктур, образующихся при сочетании материалов.
Новая модель настолько эффективно упрощает старые подходы, что команда смогла предсказать микроструктуры сплава, содержащего более 10 компонентов, за пять минут. Ранее такие расчёты занимали два года.
«При разработке новых материалов недостаточно просто оптимизировать состав, поскольку свойства материала существенно зависят как от среднего состава, так и от микроструктуры», — сказал соавтор исследования Шоичи Хиросава, профессор инженерного факультета Национального университета Йокогамы. «Микроструктура характеризуется расположением и размером зёрен и фаз, различиями в концентрации, кристаллической структуре и других особенностях».
Как работает новый подход
Прогнозы микроструктуры сплавов традиционно требуют решения неявных функций, что делает время вычислений неприемлемо долгим, — говорит ответственный автор Такуми Морино, докторант Высшей школы инженерных наук, Национальный университет Йокогамы. — Чтобы преодолеть эту проблему, мы переформулировали неявные функции в явные формы, создав новый подход для прогнозирования микроструктуры многокомпонентных сплавов».
Представьте простое математическое уравнение, где переменная «y» равна другой неизвестной переменной «x» плюс известное число, например, два. Переменная «y» зависит от «x», но изолирована в уравнении, поэтому проблему можно решить, чтобы выделить «x». В этом случае, если y=x+2, то x=y-2.
В предыдущих подходах исследователям приходилось рассчитывать, как фазы могут достичь равновесия неявных функций в каждой точке пространства и времени во время моделирования. Это приводит к миллиардам оценок фазовой диаграммы — графика, на котором подробно показано физическое состояние системы газа, жидкости или твёрдого тела при определённых температурах и давлении.
«Наша новая модель значительно снижает эту нагрузку, переформулируя задачу, избегая повторных расчётов фазовой диаграммы и преодолевая проклятие размерности», — сказала соавтор Мачико Оде, старший научный сотрудник Национального института материаловедения.
Подход переопределяет две широкие настройки — как составляющие могут диффундировать и условия достижения внутреннего равновесия — и формулирует их в виде так называемого «уравнения эволюции». Исследователи могут оценить, как система меняется со временем, учитывая диффузию и равновесие, не рассчитывая каждую потенциальную возможность в каждый момент времени.
«Это обобщённая модель, которая выполняет быстрые и точные расчёты затвердевания систем алюминия, никеля и железа и многого другого», — сказал Хиросава. «Более того, мы успешно провели моделирование микроструктур сплавов, содержащих рекордные 20 элементов».
Далее исследователи планируют включить в модель атомные вакансии — отверстия в кристаллической решётке атомов, составляющих материал, — что расширит её применение на стали.
«В конечном счёте наша цель — создать универсальную систему для прогнозирования микроструктуры, которая будет применима к любой системе сплавов, тем самым превратив разработку материалов из подхода методом проб и ошибок в упорядоченный, управляемый цифровыми технологиями процесс», — сказал Морино.
Предоставлено Национальным университетом Йокогамы.