Формула хрупкости и вязкости: ТГУ предскажет катастрофы

Исследование Тольяттинского государственного университета (ТГУ), опубликованное в старейшем научном журнале Philosophical Magazine, открывает путь к более точному контролю свойств материалов. Предложенная математическая модель поможет оценивать степень надёжности металлических материалов создаваемых конструкций.

Разрушение одного и того же материала в зависимости от внешних условий может происходить по вязкому (как пластилин), и по хрупкому (как стекло) механизму. При этом фундаментальным отличием вязкого разрушения от хрупкого является наличие значительной пластической деформации, которая в случае хрупкого разрушения очень мала или вообще отсутствует. Хрупкое разрушение, в отличие от вязкого, чрезвычайно опасно. Оно всегда происходит внезапно, при достаточно низких нагрузках, и развивается с катастрофической скоростью. Поэтому в эксплуатационных условиях стремятся придать материалу такие свойства, при которых его разрушение происходило бы преимущественно по вязкому механизму.

При непрерывном изменении параметров внешних условий смена механизма разрушения с вязкого на хрупкий называется вязко-хрупким переходом. Наиболее показательными параметрами, влияющими на протекание вязко-хрупкого перехода, являются температура испытаний и скорость деформации. Используя математическую модель, на основании сильно ограниченного набора экспериментальный данных, можно спрогнозировать, а в дальнейшем верифицировать температуру и скорость деформирования, при которых происходит вязко-хрупкий переход. Благодаря этому появляется возможность быстрее определять безопасные условия эксплуатации изделий на стадии их проектирования.

Именно на этом основано исследование доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника НИИ прогрессивных технологий Тольяттинского госуниверситета Игоря Ясникова «О вязко-хрупком переходе в поликристаллических металлических материалах с дислокационной дефектной динамикой».

Основная гипотеза работы заключается в том, что имеет место существенная разница в количестве дислокаций, участвующих в процессе пластической деформации при вязком и хрупком разрушении. А именно – при вязком разрушении материала дислокации могут перемещаться по всему объёму зёрна поликристаллического материала, тогда как при хрупком разрушении дислокации движутся только по границам зёрен. Полученная в результате работы формула связывает температуру испытаний и скорость деформации при вязком и хрупком разрушении, и этот результат облегчает проведение быстрых численных оценок при исследовании причин или параметров вязко-хрупкого перехода.

— Мы все стараемся избежать техногенных катастроф, которые происходят внезапно, наносят значительный экономический урон промышленности и зачастую приводят к человеческим жертвам, — рассказывает Игорь Ясников. — Их нужно отслеживать и предотвращать. Поскольку некоторые материалы критических узлов и механизмов, которые являются причиной таких катастроф, могут разрушаться либо по вязкому, либо по хрупкому механизму, возникает естественный вопрос: что для нас лучше? Конечно, вязкое разрушение безопасней, поскольку хрупкое всегда происходит внезапно, при достаточно низких нагрузках, и развивается с катастрофической скоростью, а вязкое происходит постепенно и имеет свои «предвестники», по которым его можно определить и предупредить. Однако один и тот же материал в умеренных широтах будет разрушаться по вязкому механизму, а, например, в условиях Арктики из-за низких температур — по хрупкому, и это очень плохо. В рамках данной работы мне хотелось связать такие параметры как температура, скорость деформации, которые будут присущи либо вязкому, либо хрупкому механизму разрушения и позволят проводить оценки в инженерной практике. Например, я знаю, что при заданной температуре и скорости деформации у меня будет вязкое разрушение. До каких значений я могу понижать температуру или повышать скорость деформации, чтобы не сорваться в чрезвычайно опасное, хрупкое разрушение? Представленные в статье расчеты позволяют сделать эти оценки, а это очень важно для практики.

Физическое материаловедение является в большей степени экспериментальной наукой, которая оперирует с широким классом материалов и устанавливает зависимости между их структурой и свойствами. Как правило, отдельные эксперименты касаются весьма узкого, выбранного исследователем заранее, класса материалов. Обобщение экспериментальных данных со стороны разных классов материалов в настоящее время весьма затруднительно в силу огромного объёма накопленных экспериментальных данных, полученных в разных условиях. Именно поэтому вновь появляющаяся математическая модель, оперирующая с исходными данными в виде параметров структуры, является несомненным шагом вперед в области физического материаловедения, так как позволяет беспристрастно проводить анализ имеющихся экспериментальных данных и прогнозировать результаты экспериментов на классах экзотических и редких материалов, что важно в понимании и развитии физического материаловедения как класса наук о материалах.

— Интерес к явлению вязко-хрупкого перехода демонстрируется многочисленными публикациями в высокорейтинговой научной периодике, при этом наиболее показательными параметрами, влияющими на процесс этого перехода, являются именно температура испытаний и скорость деформации. Интерпретация вязко-хрупкого перехода с точки зрения динамики дислокаций, представленная в работе и основанная исключительно на фундаментальном соотношении Орована, имеет очевидные преимущества, поскольку не умножает сущности без необходимости (принцип «бритвы Оккама»), базируясь на единственной формуле, — комментирует Игорь Ясников.

Статья «О вязко-хрупком переходе в поликристаллических металлических материалах с дислокационной дефектной динамикой» прошла достаточно жесткое рецензирование в редакции журнала Philosophical Magazine, и после исчерпывающего ответа рецензентам на все вопросы была принята в печать. С 17 сентября она размещена на сайте издания в режиме published on-line.

— Почему я обратился именно в этот журнал? Поскольку данная работа базируется на новой гипотезе, развитие которой привело к математической модели — по постановке задачи это близко к методам натуральной философии, которая является предтечей физики как науки, — рассказывает Игорь Ясников. — Ну и, конечно, тот факт, что Philosophical Magazine — старейший научный журнал, который выбирали для публикации очень известные исследователи, повлиял на мой выбор.

Напомним, журнал Philosophical Magazine издается с 1798 года. На страницах издания было опубликовано множество классических работ, написанных такими учёными, как Майкл Фарадей, Джеймс Джоуль, лорд Кельвин, Рудольф Клаузиус, Джеймс Клерк Максвелл, лорд Рэлей, Альберт Майкельсон, Йоханнес Ридберг, Питер Зееман, Дж. Дж. Томсон, Эрнест Резерфорд, Роберт Милликен, Нильс Бор, Луи де Бройль. В настоящее время журнал публикует работы в области физики конденсированного состояния, наук о материалах и современных квантовых технологий.