Научно-образовательный центр «Нелинейная динамика деформируемых твердых тел»

Создан:

14 января 2010 года, Приказ № 10

Регламентирующие документы:

Цель:

• проведение

  фундаментальных комплексных исследований в области нелинейной динамики высокотехнологичных материалов и сплавов, используемых в ракетно-космической технике и автопроме, а также полупроводниковых кристаллов, используемых в современной микро- и наноэлектронике, и выработке рекомендаций к практическому использованию результатов этих исследований.

В состав НОЦ входят:

Задачи:

• исследование неустойчивой пластической деформации ультрамелкозернистых поликристаллических сплавов на основе алюминия в условиях одноосного растяжения в мягкой испытательной машине комплексом высокочувствительных и быстродействующих методов измерения деформации в сочетании с микроструктурными исследованиями;
• проведение систематических исследований механизмов зарождения полос макролокализованной деформации, их размножения, распространения и взаимодействия, а также роли полос деформации в механизме вязкого разрушения;
• исследование влияния структурных изменений на микро- и наноуровне на динамику макроскопической неустойчивости пластической деформации алюминиевых сплавов;
• исследование предвестников макроразрушения сплава на основе корреляционного анализа видео- и временных рядов: скачков на кривых нагружения, сигналов акустической и электромагнитной эмиссии;
• исследование механизмов и способов подавления деформационных полос и увеличение ресурса пластичности алюминиевых сплавов Al-Mg;
• исследование механизмов неустойчивости межфазной границы лед-вода и связанного с ними многообразия неравновесных форм роста льда в сильно переохлажденной воде;
• исследование собственного электромагнитного излучения, сопровождающего процессы пластической деформации, разрушения и фазовых переходов первого рода в различных материалах и льде, подвергнутых тепловому и/или механическому воздействию;
• исследование влияния внешних воздействий (акустического, электромагнитного поля, содержания примесей и т.д.) на динамику и геометрию перечисленных выше процессов структурной релаксации с целью дальнейшей разработки технологии управления структурой материалов внешним силовым полем;
• осуществление научно-исследовательской деятельности, направленной на получение новых экспериментальных данных, связанных с нетривиальными эффектами, индуцируемыми низкоинтенсивными воздействиями;
• внедрение новейших научных достижений в области малодозовых эффектов в учебный процесс (в том числе разработка учебно-методических комплексов для преподавания дисциплин по специальности и направлению бакалавриата и магистратуры «Физика»);
• привлечение студентов к научно-исследовательской работе
• развитие междисциплинарных подходов при проведении НИР.

Сотрудники:

• доктор физико-математических наук, профессор Шибков А.А. - руководитель;

• кандидат физико-математических наук, доцент Желтов М.А.;

• кандидат физико-математических наук, доцент Дмитриевский А.А.;

• кандидат технических наук, доцент Золотов А.Е.;

• кандидат технических наук, старший преподаватель Михлик Д.В.;

• кандидат физико-математических наук, доцент Иволгин В.И.;

• кандидат физико-математических наук, доцент Ефремова Н.Ю.;

• кандидат физико-математических наук, доцент Киперман В.А.;

• инженер Аверков В.А..

Достижения:

Основные результаты деятельности:

1. Разработан комплекс методов исследования неустойчивой пластической деформации металлов и сплавов, основанный на синхронной регистрации скачков пластической деформации, сигналов электромагнитной и акустической эмиссии и высокоскоростной видеосъемкой полос макролокализованной деформации в сочетании с динамическим анализом временных и видеорядов, а также микроструктурными исследованиями.
2. Обнаружены и исследованы структурно-чувствительные переходы между устойчивой и неустойчивой деформацией сплавов Al-Mg.
3. Установлено, что скачкообразная деформация алюминий-магниевого сплава является чувствительной функцией отклика к тонким структурным изменениям в сплаве на субмикроскопическом и наноуровне, позволяющей, как обнаружено, определять температуру начала первичной рекристаллизации, температуру сольвуса и температурный интервал растворения зон Гинье-Престона.
4. С помощью высокоскоростной видеосъемки со скоростью до 1000 кадр/с поверхности деформируемого сплава Al-Mg исследованы тонкие детали кинетики полос макролокализованной деформации, связанных с процессами их зарождения, скачкообразного распространения, взаимодействия, размножения и осцилляций на стадии образования шейки. Впервые получена классификация полос деформации Савара-Массона при растяжении сплава в мягкой деформационной машине, которая существенно отличается от классификации полос Портевена-Ле Шателье при растяжении в жесткой испытательной машине.
5. На основе анализа данных видеосъемки и синхронной записи скачков деформации установлено, что макроскопические скачки (амплитудой 1-10 %) следует рассматривать как деформационные «взрывы», возникающие в результате развития цепной реакции размножения полос деформации Савара-Массона.
6. Установлено, что подвижность и морфология полос резко изменяются после отжига в окрестности температуры сольвуса.
7. Обнаружена корреляция между динамикой полос деформации и макроскопическим разрушением сплавов Al-Mg с различной исходной микроструктурой;
8. Выявлен степенной закон распределения как предвестник макроразрушения сплава АМг6 с рекристаллизованной микроструктурой.
9. Обнаружена и исследована скачкообразная составляющая сверхпластического течения промышленного сплава АМг6 при нагружении с постоянной скоростью возрастания напряжения.
10. Впервые обнаружено, что скачки пластической деформации сплава АМг3, покрытого слоем льда, сопровождаются генерированием характерных сигналов электромагнитной эмиссии.
11. Разработан оригинальный комплекс методов изучения неустойчивой кристаллизации и деформации твердых материалов, позволяющий исследовать с высоким временным разрешением динамику межфазных границ, зон пластической деформации, микро- и макротрещин во льде и других кристаллических материалах.
12. Проведено систематическое исследование многообразия неравновесных форм роста льда в сильно переохлажденной воде. Впервые получена полная морфологическая диаграмма неравновесных форм роста льда в области переохлаждения воды от –0.1 до –30°С. Экспериментально установлен общий динамический принцип отбора неравновесных форм роста пресного и морского льда ? принцип наибыстрейшей морфологии: с ростом переохлаждения воды отбирается морфологическая фаза, реализующая наибольшую скорость фазового перехода.
13. Разработаны физические основы бесконтактного электромагнитного мониторинга мезоскопических процессов структурообразования в кристаллических материалах.
14. Выявлен электромагнитный предвестник макроразрушения поликристаллического льда.
15. Обнаружено и исследовано собственное электромагнитное излучение контакта «лед-металл» при растяжении металлической подложки; установлено, что скачки пластической деформации алюминиево-магниевого сплава, покрытого слоем льда, сопровождаются генерированием характерных сигналов электромагнитной эмиссии.
16. Обнаружено обратимое изменение микротвердости монокристаллов фуллерита C₆₀, индуцируемое низкоинтенсивным (I = 10⁵ - 3?10⁶ см^-2с^-1) потоком бета-частиц.
17. Обнаружено гашение магнито-пластического эффекта в монокристаллах фуллерита С₆₀, посредством предварительного низкоинтенсивного облучения.
18. В окрестности точки фазового перехода sc-fcc обнаружена инверсия знака температурной зависимости бета-индуцированного остаточного изменения микротвердости монокристаллов С₆₀.
19. Обнаружено и исследовано немонотонное изменение микротвердости монокристаллов кремния под действием низкоинтенсивного (I ~ 10⁵ см^-2с^-1) бета-облучения.
20. Анализ спектров рамановского смещения (регистрируемых в центральной области отпечатков индентора) и кривых ползучести, полученных на характерных стадиях облучения, позволил заключить, что немонотонные изменения микротвердости кремния связаны с преобразованием подсистемы точечных радиационных дефектов.
21. Независимыми взаимодополняющими методами (изохронный отжиг образцов на характерных стадиях облучения, исследование зависимости скорости относительного изменения микротвердости от интенсивности облучения, а также синхронное исследование зависимостей микротвердости и концентрации электрически-активных радиационных дефектов методом нестационарной емкостной спектроскопии глубоких уровней) были идентифицированы комплексы вторичных радиационных дефектов, ответственные за каждую стадию изменения микротвердости кремния. Предложена качественная модель последовательных квазихимических реакций в дефектной подсистеме, конечными продуктами которых являются идентифицированные комплексы.
22. Обнаружено влияние электрических полей на динамику изменений микротвердости кремния, индуцированных низкоинтенсивным бета-облучением.

В области прикладных исследований деятельность НОЦ направлена на развитие физических основ для разработки:

• электромагнитных методов контроля in situ процессов пластической деформации, разрушения и фазовых превращений в высокотехнологичных материалах;
• методов управления структурой дефектов внешними физическими полями с целью создания материалов с прогнозируемыми свойствами;
• методов бесконтактного электромагнитного мониторинга и контроля динамических дефектов в деформируемых твердых телах.

В работе лаборатории активное участие принимают сотрудники кафедры ТЭФ, аспиранты и студенты. По результатам научно-исследовательской работы лаборатории, защищены три кандидатские диссертации и 20 дипломных работ.

Монографии:

1. Шибков А.А., Золотов А.Е. Актуальные проблемы механики деформируемых твердых тел. Нелинейная динамика неустойчивой пластической деформации металлов (монография). Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина. 2010, 187 с.
2. Шибков А.А. Нелинейная механика и разрушение промышленных сплавов системы Al-Mg (монография). Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина. 2010. 143 с.
3. Шибков А.А., Золотов А.Е., Шуклинов А.В. Структурно-чувствительные эффекты прерывистой деформации сплавов Al-Mg (монография). Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина. 2011. 173 с.
4. Шибков А.А., Желтов М.А., Михлик Д.В., Золотов А.Е. Физика и геометрия фракталов (монография). Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина. 2011, 135 с.

Гранты:

• Принципы управления неустойчивой деформацией и увеличение ресурса пластичности сплавов на алюминиевой основе, 2009-2011 гг.

• Структурно-чувствительные эффекты скачкообразной деформации сплавов системы Al-Mg-Mn на субмикроскопическом уровне и наноуровне, 2009-2011 гг.

• Мониторинг и подавление прерывистой деформации алюминий-магниевых сплавов, 2009-2011 гг.

• Нелинейные эффекты, индуцируемые в кремнии облучением заряженными частицами, 2010-2012 гг.

• Нелинейная динамика деформационных полос и вязкое разрушение поликристаллических сплавов системы Al-Mg, 2010-2012 гг.

• Исследование влияния электрического тока на прерывистую деформацию и разрушение авиационного алюминий-магниевого сплава АМг6, 2009-2011 гг.

• Мониторинг и управление неравновесным ростом кристаллов льда в сильно переохлажденной воде, 2009-2011 гг.

Перспективы развития:

В настоящее время авиакосмической отрасли отводится особая роль отрасли, которая должна интеллектуризировать структуру ВВП. Следует отметить, что до четверти экономики и промышленности стран Евросоюза и Америки ориентированы на авиационные стандарты. Данная отрасль выступает в роли эталона, который задает правила игры для значительной части экономики. Этим определяется внимание, уделяемое правительством РФ к авиационно-космической промышленности.

Актуальность деятельности НОЦ связана с ее направленностью на повышение надежности и эксплуатационного ресурса алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Mn, используемых в ракетно-космической отрасли и автопроме. Тематика работы соответствует утвержденным Указом Президента Российской федерации № 899 от 7 июля 2011 года приоритетным направлениям развития науки и техники в Российской Федерации («транспортные и космические системы») и перечню критических технологий Российской Федерации («технологии создания ракетно-космической и транспортной техники нового поколения»).

Деятельность НОЦ направлена на проведение широкого спектра исследований эффектов подавления механической неустойчивости промышленных алюминиевых сплавов, а также на патентование практически важных результатов исследований и разработку технологии непрерывного мониторинга и подавления макролокализованной деформации в алюминиевых сплавах, применяемых в авиационно-космической отрасли и автопроме.

Научная значимость деятельности НОЦ определяется тем, что несмотря на многолетние исследования прерывистой деформации и полосообразования физические механизмы этих явлений и их роль в развитии вязкого разрушения до сих пор неясны и остаются дискуссионными вопросами. Разработка методов подавления полос макролокализованной деформации позволит улучшить эксплуатационные механические свойства, качество поверхности промышленных изделий и ресурс пластичности алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Mn и таким образом повысить их конкурентоспособность. Этим определяется актуальность и научная значимость работ.

Партнеры:

НОЦ поддерживает отношения (совместная работа, консультации, участие в семинарах, переписка и др.) с УИЦ «Наноматериалы и нанотехнологии», а также с десятками научных коллективов в стране и за рубежом (МГУ; Институт физики твердого тела РАН; Институт химфизики РАН; Институт биохимфизики РАН; Институт кристаллографии РАН; Институт металлофизики РАН, г. Москва; Физико-технический институт РАН, г. Санкт-Петербург и др.), ежегодно представляет до 20 докладов на международные конференции и симпозиумы.

Услуги:

Консультации для научных работников и аспирантов естественно-научных и технических специальностей по вопросам комплексного исследования неустойчивой пластической деформации, разработки оптических, акустических и электромагнитных методов выявления и мониторинга пластических неустойчивостей в промышленных сплавах на алюминиевой основе и выработки рекомендаций для разработки промышленных методов подавления пластических неустойчивостей и увеличения ресурса пластичности алюминиевых сплавов аэрокосмической отрасли и автопрома. Консультации для педагогов по вопросам методологии и методики преподавания вузовских физических дисциплин.