Минуты вместо лет: новые вычислительные модели ускорят разработку металлических сплавов
На протяжении тысячелетий люди соединяли металлы, чтобы использовать свойства отдельных компонентов, и получали такие практичные материалы, как бронза, латунь и, наконец, сталь. Однако предсказать точную микроструктуру сплавов и понять, как конкретные свойства составляющих материалов могут проявляться в разных условиях, до сих пор считалось практически невозможным. Нужно было действовать методом проб и ошибок, который еще грубовато, но справедливо называют «методом тыка». Теперь благодаря команде исследователей из Японии эта работа может занимать минуты, а не годы.
Исследователи разработали новый вычислительный алгоритм, подробности которого были опубликованы 15 июля в журнале Nature Communications. С его помощью можно прогнозировать особенности микроструктур, образующихся при соединении материалов. Новая модель настолько эффективно оптимизирует старые подходы, что команда смогла спрогнозировать микроструктуру сплава, состоящего из более чем 10 компонентов, за пять минут. Раньше на такие расчеты с учетом производственных и лабораторных экспериментов в среднем уходило два года.
При разработке новых материалов недостаточно просто оптимизировать состав, поскольку свойства нового материала зависят как от среднего состава, так и от микроструктуры. Эта микроструктура характеризуется расположением и размером зерен и фаз, а также различиями в концентрации, кристаллической решетке и других характеристик.
Прогнозирование микроструктуры сплавов позволяет экономить деньги и время, поскольку исследователям не нужно методом проб и ошибок физически соединять материалы, не зная, как они будут взаимодействовать друг с другом. Однако существующие вычислительные подходы по-прежнему требуют больших затрат времени и ресурсов, поскольку они основаны на неявных функциях, то есть на решении уравнений, связанных с большим числом переменных. После определения неявных функций для прогнозирования конкретных условий микроструктуры требуются дополнительные вычисления.
В упрощенном виде последовательность вычислений, известная как неявная функция, определяет скорость изменения всей системы при изменении любой из переменных. Для прогнозирования микроструктур неявная функция определяет равновесное расположение и распределение атомов на микроскопическом уровне.
В предыдущих подходах исследователям во время моделирования приходилось вычислять, как фазы могут достигать равновесия в каждой точке пространства и времени. Это приводит к миллиардам оценок фазовой диаграммы — графика, который детализирует физическое состояние системы газа, жидкости или твердого вещества при определенных значениях температуры и давления. По мере увеличения количества элементов, используемых в сплаве, вычислительная сложность растет экспоненциально, что приводит к так называемому «проклятию размерности» (curse of dimensionality).
Новая модель значительно снижает эту нагрузку за счет переформулирования задачи, что позволяет избежать повторных расчетов фазовых диаграмм и преодолеть «проклятие». Этот подход переосмысливает два основных условия — как могут распространяться компоненты среды и при каких условиях достигается внутреннее равновесие — и формулирует их в виде так называемого «уравнения эволюции». Исследователи могут оценить, как система меняется с течением времени, учитывая диффузию и равновесие, без необходимости просчитывать все возможные варианты в каждый конкретный момент времени. Это обобщенная модель, которая позволяет быстро и точно рассчитывать затвердевание систем на основе алюминия, никеля, железа и других металлов. Авторы успешно смоделировали микроструктуру сплава, содержащего рекордное количество элементов — 20.
Далее, по словам исследователей, они планируют включить в модель атомные пустоты в кристаллической решетке, чтобы расширить возможности ее применения в отношении разных марок стали. Конечная цель — создать универсальную систему прогнозирования микроструктуры, применимую к любой системе сплавов железа и цветных металлов. Таким образом, разработка инновационных материалов из метода проб и ошибок должна превратиться в оптимизированный цифровой процесс.
Эксперты в области материаловедения пока не отреагировали на результаты исследования, но ожидается определенный скепсис с их стороны. Средний срок в два года необходимый, по мнению авторов, на разработку сплава до их революционного открытия, выглядит завышенным. Все зависит от уровня оснащения разработчика, объема финансирования научных работ, заинтересованности промышленников и т.д. Кроме того, проведенное за 5 минут моделирование структуры сплава вовсе не означает, что его завтра можно производить в промышленных количествах. Производственные испытания и лабораторные анализы точно так же потребуют времени. Однако общий тренд переноса процессов из лаборатории и заводского цеха в сферу in silico заслуживает всемерного поощрения.
Недавно Hi-Tech Mail рассказал об уникальном сплаве, который помогает искать экзопланеты.
