Ученые из Института автоматизации проектирования РАН и Авиарегистра России совершили прорыв в понимании того, как металлы устают и разрушаются под действием многократных нагрузок. Их масштабное исследование, опубликованное журнале «Физическая мезомеханика», раскрывает сложную многоуровневую иерархию этого процесса, который является основной причиной поломок в авиационных двигателях и других критических конструкциях.
Оказывается, поведение металла кардинально меняется в зависимости от уровня прикладываемого напряжения. При сверхнизких нагрузках, соответствующих сверхмногоцикловой усталости (миллиарды циклов), разрушение начинается не с поверхности, а из глубины материала. Внутри металла, в условиях гидростатического сжатия и скручивания, зарождаются вихревые потоки пластической деформации. Эти вихри буквально «перемалывают» структуру металла, создавая наноструктурированные зоны из крошечных наночастиц или идеально гладкие площадки (фасетки), которые и становятся очагами будущих трещин. Это самоорганизующийся процесс, почти не зависящий от внешней среды.
Когда уровень нагрузки повышается до классического предела усталости (многоцикловая усталость), картина меняется. Теперь разрушение инициируется на поверхности. Ключевую роль здесь играет не развитое скольжение, а крайне локализованный сдвиг и ротационные моды деформации внутри полосовых дислокационных структур. Трещина растет не непрерывно, а словно «перескакивает» с одного микроучастка на другой, создавая специфический «строчечный» рельеф излома. Этот этап роста трещины характеризуется образованием усталостных бороздок, шаг которых удивительным образом зависит от асимметрии цикла нагрузки.
При нагрузках выше предела текучести (малоцикловая усталость) в дело вступает макроскопический уровень. Металл подвергается развитой объемной пластической деформации: на поверхности формируются хорошо заметные полосы скольжения, идут активные повороты фрагментов структуры. Очаги разрушения теперь образуются прямо на поверхности, и их может быть несколько одновременно.
Наконец, на пределе прочности материала вступает в силу ультрамалоцикловая усталость — переходная область от циклического разрушения к однократному. Здесь механизм меняется на вязкое разрушение с образованием ямочного рельефа или чередованием зон вытягивания и ямок. Исследователям даже удалось установить прямое соответствие между количеством циклов нагружения и количеством усталостных бороздок на фоне этого ямочного рельефа.
Это фундаментальное исследование, поддержанное Российским научным фондом, не только раскрывает тончайшие механизмы старения металлов, но и открывает конкретные практические пути для создания новых, более надежных и долговечных материалов для авиации, машиностроения и энергетики, позволяя точно прогнозировать срок их службы.
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
