Учёные НИУ «БелГУ» создали цифровой двойник жаропрочной стали

Как сообщает ТАСС Наука, исследователи лаборатории механических свойств жаропрочных и наноструктурных материалов определили оптимальный химический состав стали, включающий 12 % хрома и 3 % кобальта. Ключевой особенностью этой стали стало низкое содержание азота (30 ppm) и повышенное содержание бора (100 ppm), что обеспечивает высокую термическую стабильность в условиях эксплуатации при повышенных температурах.

Изучив, как эволюционирует микроструктура новой стали в процессе термического старения длительностью до 27 829 часов при температурах 620 °C, 650 °C и 675 °C, учёные проанализировали ключевые факторы, определяющие термическую стабильность сталей с содержанием хрома от 9 до 12 %.

– Нашей главной исследовательской задачей было определить пределы возможностей для созданного нами материала. Хотя сегодня в России нет ТЭЦ, работающих при столь высоких температурах, это знание открывает путь для применения стали в других перспективных отраслях, – рассказали старший научный сотрудник лаборатории, доктор технических наук Александра Федосеева и научный сотрудник лаборатории, кандидат технических наук Евгений Ткачёв.

Команда учёных под руководством Александры Федосеевой тщательно изучила эволюцию микроструктуры новой стали при различных режимах старения. На основе этих данных исследователи создали комплексную прогностическую модель, действующую как цифровой двойник материала. Динамическая виртуальная копия новой стали количественно оценивает вклады механизмов упрочнения при разных температурных выдержках.

Модель позволяет не только описать текущее состояние, но и сделать долгосрочный прогноз изменений характеристик новой стали после 100 тысяч часов или 10 лет эксплуатации, а также оценить влияние различных микроструктурных аспектов на её прочностные свойства. Используя данные ускоренных испытаний, модель экстраполирует поведение материала на гораздо более длительные сроки при рабочих температурах.

В отличие от ИИ-моделей «чёрного ящика», внутренние механизмы принятия решений которых неясны или неизвестны, разработка учёных НИУ «БелГУ» основана на физических принципах: выделяются ключевые микроструктурные элементы (частицы карбидов, фазы Лавеса, изменение ширины мартенситных реек), математическими уравнениями описывается их эволюция во времени и при температуре (кинетика роста, коагуляция), а также суммируются вклады каждого из этих элементов в общую прочность стали с использованием известных физических принципов (например, дисперсионное и твердорастворное упрочнение).

Модель учёных НИУ «БелГУ» демонстрирует 85-90% точности совпадения с экспериментальными данными, что является высоким показателем для такой сложной задачи, как прогноз на 100 000 часов. Разработка открывает широкие перспективы для дальнейшего развития методов проектирования различных 9-12%-хромистых сталей с оптимальным сочетанием прочности и долговечности.

Важно отметить, что учёным НИУ «БелГУ» удалось значительно продвинуться в рамках существующего научного направления, продемонстрировав успешное применение современных методов моделирования для решения важной инженерной задачи по созданию нового жаропрочного материала с прогнозируемым сроком службы.

Работа выполнена при поддержке РНФ (Соглашение № 24-79-10112) в рамках масштабного проекта по созданию новых подходов по увеличению сопротивления ползучести высокохромистых сталей.

О подробностях проведённого исследования и полученных результатах можно узнать в статье, опубликованной в журнале Materials Science and Engineering A.