Исследование физиков ЧелГУ позволит создавать особо прочные материалы. Группа учёных во главе с доцентом кафедры общей и теоретической физики ЧелГУ Полиной Майер завершают работу, посвященную изучению взаимосвязи неоднородности структуры и скоростной зависимости откольной прочности металлов и расплавов, по гранту Российского научного фонда.
«Наш проект направлен на развитие механической модели динамического разрушения металлов в твёрдом и расплавленном состоянии, – комментирует Полина Майер. – Учитывая возникновение и эволюцию ансамбля полостей, мы устанавливаем взаимосвязь между неоднородной структурой материала и скоростной зависимостью динамической (откольной) прочности твёрдых металлов и расплавов».
Главным итогом работы станет создание пакета программ для моделирования динамической деформации материалов с учётом их разрушения. Основные элементы для него уже готовы. Полученные результаты позволят управлять динамической прочностью материалов, регулируя дефектную микроструктуру. Это открывает большие возможности для производителей конструкционных материалов на этапе инженерных расчётов. Разработанный физиками ЧелГУ пакет программ может найти применение в атомной и аэрокосмической отрасли.
«Мы надеемся на то, что запрос со стороны инженеров и руководителей реального производства будет. Мы со своей стороны всегда открыты к конструктивному и взаимовыгодному сотрудничеству. Однако пока о внедрении в производство говорить ещё рано, так как проект ещё не закончен», – говорит Полина Майер.
Исследованием по гранту РНФ занимается коллектив учёных кафедры общей и теоретической физики физического факультета ЧелГУ. Доцент Виктор Погорелко и ассистент Дмитрий Воронин отвечают за молекулярно-динамические исследования и их статистическую обработку для проверки и определения параметров модели. Ассистенты кафедры Егор Родионов и Наталья Грачёва занимаются разработкой метода SPH для решения уравнений механики сплошных сред. При этом Егор Родионов взял на себя всю экспериментальную часть исследования, которая включает подбор образцов материалов, внедрение способов обработки и подготовки образцов для динамического эксперимента, анализ результатов и подготовку публикаций по проделанной части работы. В этой части исследования значительный вклад внёс ведущий инженер кафедры Виктор Лупанов. Младший научный сотрудник кафедры общей и теоретической физики ЧелГУ Михаил Леканов занимается программированием методом конечных разностей и обучением уравнений состояния.
В целом же проект физиков ЧелГУ сочетает в себе теоретические и экспериментальные методы исследования.
«Мы комбинируем молекулярно-динамическое моделирование, построение механических моделей процессов на основе механики сплошных сред, и проводим экспериментальные исследования в области высокоскоростного соударения, – поясняет Полина Майер. – Сложность описания реальных процессов динамического разрушения металлов состоит в многомасштабности задачи. На начальных стадиях разрушение сильно зависит от исходной микроструктуры материала, от разного рода дефектов в исходном металле. Как известно, в природе не существует идеальных материалов, в них всегда есть какой-то набор неоднородностей. От начальной концентрации, размера и начального распределения таких дефектов зависит, как материал реагирует на динамическое воздействие, приводящее к его разрушению. Вокруг дефектов формируются очаги напряжения материала. На следующих этапах вся начальная дефектная микроструктура начинает эволюционировать, происходит рост, перераспределение и образование новых дефектов. И здесь мы уже переходим с микроуровня на уровень механики сплошных сред, где с помощью механических моделей и нейросетей строим уравнения состояния и можем, используя численное моделирование, рассчитать динамику и разрушение реальных объёмов материала».
Учёные уже провели теоретические исследования с алюминием, медью, железом, титаном, вольфрамом, а также экспериментальные – с медью, латунью и дюралюминием. При этом они использовали так называемый тест Тейлора, при котором цилиндрические образцы разгоняются сжатым воздухом и ударяются о твёрдую преграду.
«Помимо классических цилиндров нами была предложена модификация этого метода в виде использования профилированных цилиндров, что позволяет увеличить скорость и степень деформации. Такие эксперименты позволяют наблюдать пластическую деформацию и разные стадии разрушения материала в зависимости от скорости ударника. Это даёт нам базу для проверки моделей, которыми мы сейчас занимаемся. Но работа ещё продолжается», – отмечает Полина Майер.
В ходе работы над проектом был подготовлен ряд научных статей для высокорейтинговых изданий, таких как International Journal of Plasticity, Computational Materials Science, International Journal of Impact Engineering, Metals, часть из них уже вышла в свет. Планируются дальнейшие публикации по получаемым результатам.
К сожалению, из-за коронавирусных ограничений, а затем по внешнеполитическим причинам физикам ЧелГУ не удалось принять очное участие в некоторых зарубежных конференциях, в частности, в ECCOMAS Congress в Норвегии, организаторы которого ввели запрет на указание того, что учёные приехали из России.