Новый подход к созданию легких и прочных алюминиевых сплавов

Инженеры получили новый инструмент для создания более прочных и легких алюминиевых сплавов, что особенно важно для автомобильной промышленности, стремящейся к повышению топливной эффективности. Разработана компьютерная модель, позволяющая предсказывать оптимальные режимы охлаждения и старения этих материалов, минимизируя производственные затраты.

Исследователи из Мичиганского университета совместно с General Motors создали эффективную многомасштабную модель. Этот подход открывает путь к точному управлению химическим составом и процессом охлаждения алюминиевых сплавов для достижения максимальной производительности.

«Эта система не только углубляет наше понимание высокопрочных алюминиевых сплавов, но и позволяет моделировать сложные процессы, происходящие во многих передовых сплавах, используемых в производстве», — отметил Лайан Ци, профессор материаловедения и инженерии Мичиганского университета.

Основное внимание в работе уделялось сплавам серии 7000 на основе алюминия, магния и цинка (Al-Mg-Zn). Эти сплавы, изначально разработанные для аэрокосмической отрасли, отличаются высокой прочностью при малом весе благодаря образованию упрочняющих частиц. Однако их широкое применение в автомобилестроении сдерживалось непредсказуемостью процесса упрочнения, особенно естественного старения при комнатной температуре.

Для снижения стоимости и расширения применения этих сплавов в конструкциях автомобилей, команда сосредоточилась на микроскопических механизмах упрочнения во время естественного старения. Модель помогает инженерам понять, как мельчайшие дефекты и движение атомов влияют на прочность сплавов, предлагая пути улучшения их обрабатываемости для автомобильной промышленности.

Процесс упрочнения Al-Mg-Zn сплавов включает нагрев до 500°C для растворения цинка и магния, быстрое охлаждение (закалку) и последующее старение при комнатной температуре. Быстрое охлаждение приводит к образованию вакансий — отсутствующих атомов в кристаллической решетке. Эти вакансии влияют на скорость перемещения скоплений атомов цинка и магния, что, в свою очередь, определяет формирование упрочняющих частиц и конечную прочность материала.

Моделирование диффузии вакансий и скоплений атомов является вычислительно сложной задачей из-за их атомного масштаба и длительности процессов. Традиционные методы симуляции не справляются с такими временными рамками.

Для решения этой проблемы была разработана многомасштабная модель, связывающая поведение на атомном уровне с долгосрочной кинетикой старения. Модель Марковских цепей описывает время пребывания вакансий в кластерах, а мезоскопическая динамическая модель кластеров предсказывает их эволюцию в течение часов естественного старения. Это позволяет моделировать часы и даже дни старения материала за считанные минуты.

Новая модель выявила, что скорость охлаждения оставляет «отпечаток вакансий», который контролирует естественное старение. Быстрое охлаждение приводит к образованию более подвижных вакансий, ускоряя диффузию и кинетику кластеров. Медленное охлаждение способствует формированию более крупных частиц при закалке, что замедляет естественное старение.

Модель точно предсказывает поведение при естественном старении и демонстрирует, как можно управлять химией сплава, охлаждением и старением для контроля эволюции частиц и, в конечном итоге, механических свойств алюминиевых сплавов. Это позволяет предсказывать поведение при старении, которое ранее требовало интенсивных экспериментальных исследований.

*Признаны экстремистскими организациями и запрещены на территории РФ.