Учёные Института проблем машиноведения РАН (ИПМаш РАН) создали математическую модель, позволяющую прогнозировать прочность перспективных «умных» материалов — от сплавов с памятью формы до адаптивных композитов. Новый подход объединяет процессы деформирования, фазовых превращений и разрушения в единую систему, что критически важно для функциональных материалов, свойства которых меняются под внешним воздействием.
Ключевая задача разработки — предсказать, как фазовые превращения (изменение микроструктуры материала) влияют на распространение трещин и, следовательно, на надёжность конструкций. Об этом сообщили представители института.
Проблема неопределённости свойств новых материалов
Современные инженеры сталкиваются с проблемой неопределённости свойств новых материалов. Классические методы оценки прочности оказываются неэффективными из-за сложных механизмов деформирования и изменения микроструктуры. Из-за отсутствия точной информации приходится идти на компромисс: либо утяжелять конструкцию (что снижает её эффективность), либо рисковать непредвиденным поведением материала.
Российские исследователи совершили важный шаг, математически «сшив» макромеханику деформирования, микропроцессы (фазовые превращения в кристаллической решётке) и процесс разрушения. Модель описывает не просто последовательность событий, а их взаимосвязанность: трещина вызывает фазовый переход, а область новой фазы вокруг трещины, как щит или катализатор, меняет скорость её роста.
«Наш подход позволяет уйти от изолированного рассмотрения фазовых переходов, деформации и разрушения. Мы описываем их как единую эволюционирующую совокупность явлений, в которой изменение структуры материала в окрестности вершины трещины напрямую диктует механические условия для её дальнейшего роста или блокирования. Это ключ к переходу от эмпирического подбора материалов к их целенаправленному проектированию с необходимым запасом прочности и функциональности», — сказала младший научный сотрудник ИПМаш РАН Полина Кабанова.
Перспективы применения модели
Новая модель даст материаловедам и конструкторам инструмент для прогнозирования и управления долговечностью изделий в аэрокосмической отрасли, медицине, энергетике. Модель также может использоваться при разработке цифровых двойников ответственных конструкций.