تم فحص قوة وليونة السبائك قبل الإنتاج

معظم الأجزاء والمنتجات الحديثة لا تصنع من معادن نقية، بل من السبائك. وتضاف إليها معادن أخرى تسمى عناصر صناعة السبائك. ومن خلال تغيير تركيبة وكمية هذه المواد المضافة، من الممكن الحصول على مواد ذات خصائص متنوعة. على سبيل المثال، يمكن أن تزيد القوة ومقاومة التآكل والليونة وقابلية التشغيل عدة مرات. وهذا هو السبب في أن المنتجات المصنوعة من السبائك أكثر موثوقية، وتدوم لفترة أطول، وأرخص في التصنيع والتشغيل. لإعطاء منتج معدني الشكل والخصائص المرغوبة، تخضع السبيكة لمعالجة معقدة: ساخنة، مشوهة، وما إلى ذلك. وهذا يغير بنيتها الداخلية، أي أن حبيبات المادة وجزيئاتها يتغير حجمها وشكلها وموضعها النسبي، وتظهر العيوب وتختفي. كل هذا يؤثر بشكل مباشر على كيفية ظهور المنتج النهائي. في السابق، لم يكن بإمكان المهندسين دراسة مثل هذه التغييرات إلا من خلال التجربة، لذلك كانت تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة. اليوم، تأتي النمذجة الحاسوبية للإنقاذ، مما يجعل من الممكن التنبؤ بسلوك المادة في مرحلة التصميم. ابتكر علماء بيرم بوليتكنيك نموذجًا رياضيًا من ثلاثة مستويات يوضح بالتفصيل كيف تؤثر الجزيئات المجهرية المضافة على سلوك السبيكة عندما تتشوه. يصف النموذج آليتين رئيسيتين في وقت واحد: الانزلاق داخل الحبيبات (ما يحدث داخل الحبوب) والانزلاق على حدود الحبوب (ما يحدث عند الحدود بين الحبوب). نُشر المقال في “نشرة جامعة بيرم الوطنية للبحوث البوليتكنيكية. الميكانيكا”. — تكمن صعوبة نمذجة سلوك السبائك في أن خصائصها على المستوى الكلي، على سبيل المثال، الليونة والقوة، تتشكل نتيجة العديد من العمليات التي تحدث داخل المادة بمقاييس مختلفة. وإذا أضفنا هنا أيضًا ظروف معالجة مختلفة (درجة الحرارة والسرعة)، بالإضافة إلى التركيب الكيميائي للسبائك، فإن النمذجة تصبح أكثر تعقيدًا. يتيح لنا النهج متعدد المستويات الذي طبقناه استخدام التطوير كأداة رقمية ملائمة. يوضح أليكسي شفيكين، الباحث الرئيسي في مختبر النمذجة متعددة المستويات للمواد الإنشائية والوظيفية في PNIPU، دكتوراه في العلوم الفيزيائية والرياضية، “إنه يساعد على تغيير درجة حرارة ومعدل تشوه المادة، ونسبة وحجم وتوزيع الجسيمات – وهذا يجعل من الممكن “تنفيذ” سيناريوهات تشوه مختلفة، وتحليل بنية وخصائص الآليات. اختار العلماء سبائك الألومنيوم والليثيوم كمادة، والتي تستخدم على نطاق واسع في صناعة الطيران. في هذا النموذج، يلعب نوعان من الجسيمات ذات الحجم النانوي دورًا رئيسيًا، ويختلفان في التركيب والكثافة والتوزيع في المادة: بعضها يقع بشكل متساوٍ تمامًا، والبعض الآخر أقل توازنًا، بشكل رئيسي في العيوب والحدود بين الحبيبات. كلا النوعين من الجسيمات يتداخلان مع الحركة داخل المادة ويجعلها أقوى، ولكن إذا كان هناك الكثير منها، تفقد السبيكة ليونتها ويمكن أن تنكسر قبل الأوان. ولذلك، قمنا أولاً باختبار النموذج على حالة أبسط، وهي بلورة ثنائية تتكون من حبيبتين وحدود بينهما. لقد أخذنا في الاعتبار درجات الحرارة المرتفعة ونوع التحميل الذي تعمل فيه آليات التشوه داخل الحبوب وعند حدود الحبوب في وقت واحد. تم تحديد معلمات النموذج من البيانات التجريبية عند 350 درجة مئوية ثم تم اختبارها عند 375 درجة مئوية. تقول إلفيرا شاريفولينا، الباحثة في مختبر النمذجة متعددة المستويات للمواد الإنشائية والوظيفية في PNRPU، مرشحة العلوم الفيزيائية والرياضية، إن نتائج الحسابات الرقمية والاختبارات واسعة النطاق تزامنت بشكل جيد في كلتا الحالتين. ووجد الباحثون أنه كلما زاد عدد هذه الشوائب في السبيكة، زاد الضغط. من الصعب الانزلاق داخل الحبوب بسبب العديد من العوائق، لذلك تبدأ الحبوب في التحرك بالنسبة لبعضها البعض على طول الحدود في وقت سابق، ولكنها تتحرك بشكل أبطأ، لأن الشوائب تتداخل هناك أيضًا. إذا قمت بتقليل حجمها، ولكن تركت الحصة كما هي، فستزداد الضغوط أيضًا، لأن العقبات نفسها تصبح أكثر عددًا. يعد النموذج المطور مهمًا لتطوير تقنيات إنتاج ومعالجة الفراغات المعدنية. بمساعدتها، يمكنك تغيير أوضاع التشوه والبنية الداخلية للمادة في تجربة حسابية، والحصول على خصائص مختلفة. وفي المستقبل، يمكن أن يصبح الأساس للتوائم الرقمية لإنشاء أجزاء أخف وأقوى للطيران والسيارات وغيرها من الصناعات التي تستخدم سبائك الألومنيوم.