Новый метод сокращает время предсказания микроструктуры сплавов с лет до минут
На изображениях показано распределение состава каждого элемента. В то время как традиционные методы требуют более двух лет для таких расчётов, новый подход исследователей справляется за пять минут. Автор: Yokohama National University
На протяжении тысячелетий люди комбинировали металлы, чтобы объединить свойства отдельных компонентов, создавая такие практичные материалы, как бронза, латунь и, в более позднее время, сталь. Однако предсказание точной микроструктуры этих сплавов для понимания, как свойства составных материалов проявляются на разных масштабах, остаётся сложной загадкой. Теперь, благодаря команде из Японии, эта работа может занимать минуты вместо лет.
Исследователи разработали новый вычислительный подход, детали которого были опубликованы 15 июля в журнале Nature Communications. Этот метод позволяет предсказывать особенности микроструктур, образующихся при соединении материалов. Новая модель настолько эффективна, что команда смогла предсказать микроструктуру сплава с более чем 10 компонентами всего за пять минут. Ранее такие расчёты занимали два года.
«При разработке новых материалов недостаточно просто оптимизировать состав, поскольку свойства материала сильно зависят как от среднего состава, так и от микроструктуры», — пояснил соавтор исследования Шоичи Хиросава, профессор инженерных наук Йокогамского национального университета.
Предсказание микроструктуры сплавов экономит время и деньги, так как исследователям не нужно идти методом проб и ошибок, физически комбинируя материалы без понимания их взаимодействия. Однако существующие вычислительные методы всё ещё требуют значительных временных и ресурсных затрат, поскольку основаны на неявных функциях — уравнениях, связывающих переменные, а не решающих их напрямую.
«Традиционное предсказание микроструктуры сплавов требует решения неявных функций, что делает время вычислений непрактично долгим», — отметил ведущий автор Такуми Морино, аспирант Йокогамского национального университета. «Мы преобразовали неявные функции в явные формы, что позволило создать новый подход для предсказания микроструктуры многокомпонентных сплавов».
Новый метод переформулирует две ключевые настройки — диффузию компонентов и условия достижения внутреннего равновесия — в так называемое «уравнение эволюции». Это позволяет оценивать изменения системы во времени без расчёта каждого возможного сценария.
«Наша модель выполняет быстрые и точные расчёты для систем на основе алюминия, никеля, железа и других металлов, — добавил Хиросава. — Более того, мы успешно провели моделирование микроструктуры сплава с рекордными 20 компонентами».
В дальнейшем команда планирует включить в модель атомные вакансии (пустоты в кристаллической решётке), что расширит её применение, в том числе для сталей.
«В конечном итоге наша цель — создать универсальную систему предсказания микроструктуры, применимую к любым сплавам, превратив разработку материалов из метода проб и ошибок в цифровой процесс», — подытожил Морино.
Дополнительная информация: Takumi Morino et al, An explicit integration approach for predicting the microstructures of multicomponent alloys, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61246-7
0 комментариев