Статья по теме:
Концептуальный подход, фундаментальные основы, иерархические уровни, модели и методы 3D структурно-геометрического моделирования в рамках 3D материаловедения (3DMS) проекта «Интегрированное Вычислительное Материаловедение и Инжиниринг (ICME)»
Носов В.К., Нестеров П.А., Ермаков Е.И., Ступинский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»
Аннотация
Рассматриваются подходы и результаты 3D структурно-геометрического моделирования полиэдрического структурного строения металлических материалов.
Ключевые слова: 3D структурно-геометрическое моделирование.
Abstract
The approaches and results of the 3D structural and geometric modeling of polyhedral structure of metallic materials were contemplated.
Keywords: 3D structural and geometric modeling.
Введение
Ключевой задачей материаловедения является установление связи между структурным строением металлов и сплавов и их эксплуатационными свойствами с целью получения заданных прогнозируемых эксплуатационных свойств. На решение этих задач, а также, на снижение затрат, времени и рисков направлен проект «Интегрированное Вычислительное Материаловедение и Инжиниринг (ICME)» [1-3]. В ICME принят масштабно-размерный подход к иерархическим уровням структурного строения металлических материалов: электронное строение > атомное строение > мезоструктура > континуум. При этом особое внимание уделяется реконструкции 3D микроструктур из 2D отображений с использованием методов рентгеновской томографии, дифракции обратно-рассеянных электронов и др. [4-8]. В работах [9,10] нами сформулированы основные положения структурно-геометрического подхода к моделированию структурного строения металлических материалов [9,10].
Цель работы
Цель настоящей работы состояла в обосновании, на основе положений термодинамики, физики твердого тела и принципа максимального заполнения пространства структурными единицами во всех иерархических уровнях, подхода структурно-геометрического моделирования равновесного структурного строения металлических материалов и оценке связи структурного строения с механическими свойствами.
Методика выполнения работы
Основные подходы к 3D структурно-геометрическому моделированию (3D СГМ) содержат известные геометрические модели электронного, атомного строения, геометрические модели строения отдельного полиэдрического кристаллита (зерна), границ зерен и поликристалла. Основанием такого подхода послужило упорядоченное, периодическое, закономерное и симметричное расположение материальных структурных единиц в равновесном кристаллическом пространстве. В дополнение к иерархическим уровням ICME иерархические уровни 3D СГМ содержат 3D модель кристаллита и 3D модель переходной межграничной области в силу их специфического влияния на эксплуатационные свойства сплавов.
Результаты работы
Принятый уровень 3D структурно-геометрического моделирования кристаллита основан на представлении о равновесной полиэдрической структуре как о регулярной упаковке кристаллитов в форме усеченного октаэдра (тетракаидекаэдра) Кельвина, обладающего минимумом свободной поверхностной энергии и полностью заполняющим пространство. Этот уровень, как самостоятельный объект исследования, содержит две составляющие. Первая составляющая описывает форму и взаимную пространственную ориентацию таких структурных элементов как кристаллит и граница зерна. Вторая составляющая позволяет провести количественную оценку абсолютных и удельных поверхностных и объемных параметров кристаллита и границ зерен. Кроме того такой подход объясняет насыщенность свободной энергией элементов структурного строения в последовательности: бездефектный объем зерна > одиночные дислокации > субграницы >грани кристаллита >ребра кристаллита > вершины кристаллита.
Для пространственного моделирования межграничных объемов металлов и гомогенных твердых растворов кристаллит представительного объема с требованиями периодической повторяемости конфигурации межграничных объемов заполняли элементарными кубическими ячейками с заданной кристаллографической разориентировкой смежных кристаллитов. Это позволяет отобразить конфигурацию вакантных незаполненных элементарными ячейками объемов в смежных гранях, ребрах и вершинах различно ориентированных кристаллитов.
Концептуальный подход к прогнозированию параметров микроструктуры деформируемых сплавов базируется на механике деформируемого твердого тела и включает получение реологических уравнений состояния (РУС) по результатам высокотемпературных испытаний и последующую разработку вычислительной модели для ее использования при моделировании конкретного технологического процесса с использованием соответствующих программных комплексов (рис.1).
Факторами, определяющими формирование горячедеформированной структуры: динамически рекристаллизованная, структура «горячего наклепа»; являются среднее напряжение (уср) и накопленная деформация (еi). Среднее напряжение характеризует уровень накопленной энергии в процессе деформации и после ее окончания, а накопленная деформация - число зародышей рекристаллизации и, как следствие, величину зерна. На следующем этапе после проверки и подтверждения результатов эксперимента и моделирования, осуществляется калибровка модели к реальному технологическому процессу и формируется директория базы данных.
металл сплав прогнозирование материаловедение
|
Рис. 1 - Упрощенная схема прогнозирования микроструктуры деформируемых сплавов |
Для решения ключевой прикладной задачи 3D СГМ - прогнозирование структурного строения и эксплуатационных свойств, необходимы знания о механизмах упрочнения в структурных областях внутреннего строения сплавов (рис.2). Концептуальная модель прогнозирования свойств металлических материалов, как система научных и экспериментальных исследований качественного и количественного характера, приведена на рис.3.
|
Рис. 2 - Механизмы упрочнения металлических сплавов |
|
Рис. 3 - Концептуальная модель прогнозирования свойств металлических материалов как система научных и экспериментальных исследований качественного и количественного характера |
Литература
1. Horstemeyer M.F. Integrated Computational Materials Engineering (ICME) for Metals: Using Multiscale Modeling to Invigorate Engineering Design Science. Holoren. Wiley-TMC, 2012, 472p.
2. Bolcavage A. Integrated Computational Materials Engineering from a gasturbine engine perspective review. /A. Bolcavage, P.D. Brown, R. Cedoz, N. Cooper, C. Deatok,D.R. Hartman, A. Keskin,J.F. Matlik, G. Modgil, J.D.Stillinger. Integrating Materials and Manufacturing Innovation. 2014, v3.
3. Panchal J.H. Key computational modeling in Integrated Computational Materials Engineering. /Y.H. Panchal, S.R. Kalidindi, D.L. McDonell. Computer - Aided Design. 45. 2013 v. 4-25.
4. Yang Jiao. Three dimensional modeling of complex heterogeneous materials via statistical microstructural descriptors. / Yang Jiao, NikhileshChawla. // Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 2014, 3:3.
5. McLean P Echlin. Three-dimensional sampling of material structure for property modeling and design. / McLean P Echlin, William C Lenthe, Tresa M Pollock // Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 2014, 3:21.
6. Michael A Groeber. DREAM.3D: A Digital Representation Environment for the Analysis of Microstructure in 3D. / Michael A Groeber, Michael A Jackson. // Integrating Materials and Manufacturing Innovation, 2014, 3:5.
7. Мусиенко А.Ю. Компьютерное моделирование реальной структуры титановых сплавов при исследовании процессов деформирования и разрушения.ч.1 Постановка задачи и основные соотношения / А.Ю. Мусиенко, В.П. Леонов, И.Р. Козлова, Д. А. Паноцкий // Титан, 2014, № 3, С. 45-54.
8. Мусиенко А.Ю. Компьютерное моделирование реальной структуры титановых сплавов при исследовании процессов деформирования и разрушения.ч.2 Результаты и выводы / А.Ю. Мусиенко, В.П. Леонов, И.Р. Козлова, Д. А. Паноцкий // Титан, 2014, № 3, С.55-64.
9. Носов В.К. Трехмерная модель микроструктурного строения б+в - титанового сплава ВТ6/ В.К. Носов, П.А. Нестеров, О.П. Поляков// Материаловедение. 2014. №4 С.21-27.
10. Носов В.К. 3D-моделирование структурного строения однофазных твердых растворов б-титановых сплавов / В.К. Носов, П.А. Нестеров, Е.И. Ермаков // Металловедение и термическая обработка металлов. 2016. № 3 (729). С. 34-39.