Первым пленарным докладом на Международной научной конференции по физической мезомеханике, которая была посвящена 90-летию основателя этого направления академика Виктора Панина, должен был стать доклад самого юбиляра о новых материалах для Арктики. Этой темой он занимался более пятнадцати лет. Но незадолго до форума Виктор Евгеньевич ушел из жизни, и о промежуточных итогах этой работы рассказал один из двух его сыновей — профессор Сергей Панин, заведующий лабораторией механики полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН. Исследования, которыми руководил В.Панин, проводились в рамках специальной арктической программы РАН. Они имеют комплексный характер и призваны решить широкий спектр проблем, связанных с созданием новых материалов и улучшением их характеристик в жестких условиях эксплуатации.
Хрупкая сталь
Проблему можно рассмотреть на примере газопровода, проходящего через территории, где столбик термометра способен опускаться до экстремально низких отметок. Если в умеренных климатических широтах обычные металлы могут надежно эксплуатироваться в течение всего гарантийного срока, несколько десятилетий, то в условиях Арктики требуются материалы с гораздо большим запасом прочности. Попробуем разобраться и описать происходящие процессы.
Ключевой вопрос в данном случае — ударная вязкость, то есть сопротивление материала разрушению, в данном случае при низкой температуре испытаний. И здесь обнаруживается следующее: низколегированные стали, из которых, как правило, изготавливаются многокилометровые трубопроводы, при понижении температуры до минус 30-40 градусов Цельсия демонстрируют значительное снижение ударной вязкости, то есть становятся хладноломкими. При достижении порога хладноломкости трещина, возникающая в материале, развивается со стремительной скоростью, что приводит к разрушению элементов конструкций.
Прежде чем предложить способы решения проблемы, принципиально важно выяснить, с чем это связано, изучить процессы деформации и разрушения в условиях низких арктических температур. В этом может помочь только многоуровневый иерархический подход. Как пояснил С.Панин, факт разрушения материала легко различим лишь на макроуровне (для конкретных конструкций или изделий), где он обнаруживается невооруженным глазом. Однако процесс необратимой деформации начинается намного раньше и на более низких уровнях — мезо и нано. Поэтому в первую очередь требуется сфокусироваться именно на них.
Проблему можно рассмотреть на примере газопровода, проходящего через территории, где столбик термометра способен опускаться до экстремально низких отметок. Если в умеренных климатических широтах обычные металлы могут надежно эксплуатироваться в течение всего гарантийного срока, несколько десятилетий, то в условиях Арктики требуются материалы с гораздо большим запасом прочности. Попробуем разобраться и описать происходящие процессы.
Ключевой вопрос в данном случае — ударная вязкость, то есть сопротивление материала разрушению, в данном случае при низкой температуре испытаний. И здесь обнаруживается следующее: низколегированные стали, из которых, как правило, изготавливаются многокилометровые трубопроводы, при понижении температуры до минус 30-40 градусов Цельсия демонстрируют значительное снижение ударной вязкости, то есть становятся хладноломкими. При достижении порога хладноломкости трещина, возникающая в материале, развивается со стремительной скоростью, что приводит к разрушению элементов конструкций.
Прежде чем предложить способы решения проблемы, принципиально важно выяснить, с чем это связано, изучить процессы деформации и разрушения в условиях низких арктических температур. В этом может помочь только многоуровневый иерархический подход. Как пояснил С.Панин, факт разрушения материала легко различим лишь на макроуровне (для конкретных конструкций или изделий), где он обнаруживается невооруженным глазом. Однако процесс необратимой деформации начинается намного раньше и на более низких уровнях — мезо и нано. Поэтому в первую очередь требуется сфокусироваться именно на них.
Меняем кривизну решетки
Известно, что проблема низкотемпературного охрупчивания характерна для материалов, имеющих так называемую объемно-центрированную кристаллическую решетку. Для материалов с другими типам решетки (гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной) проблема хладноломкости не стоит столь остро. Академик В.Панин предложил новаторскую идею — модифицировать материал на наноуровне путем целенаправленного изменения степени кривизны его кристаллической решетки. В таком случае даже материал с исходной объемно-центрированной решеткой будет эффективно сопротивляться ударному разрушению.
Из спектра существующих технологий одной из экономически доступных и наиболее эффективных является метод поперечно-винтовой прокатки. В результате подобного воздействия при правильно подобранных режимах в широком спектре материалов, в том числе и целом ряде конструкционных сталей, может быть успешно изменена кривизна кристаллической решетки. Это также позволяет существенно повысить сопротивление усталостному разрушению. Иными словами, в процессе ударного нагружения материал оказывается способным обратимо менять форму, не переходя в пластически деформированное состояние. Это позволит избежать серьезных сбоев в эксплуатации конструкции и предотвратить ее выход из строя.
— Одна из задач ученых — предложить промышленности для обработки конструкционных материалов готовые технологические режимы с описанием всех параметров (температуры, давления и
т. д.). Следует отметить, что большое значение приобретает использование методов компьютерного моделирования. Они позволяют значительно сократить время на подбор наиболее эффективных параметров, — отметил С.Панин.
Теперь научному коллективу предстоит сделать следующий шаг — применить механизмы изменения кривизны кристаллической решетки в технологии ассиметричной прокатки. Это позволит обрабатывать не только прутки круглой формы, но и листовой материал.
Известно, что проблема низкотемпературного охрупчивания характерна для материалов, имеющих так называемую объемно-центрированную кристаллическую решетку. Для материалов с другими типам решетки (гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной) проблема хладноломкости не стоит столь остро. Академик В.Панин предложил новаторскую идею — модифицировать материал на наноуровне путем целенаправленного изменения степени кривизны его кристаллической решетки. В таком случае даже материал с исходной объемно-центрированной решеткой будет эффективно сопротивляться ударному разрушению.
Из спектра существующих технологий одной из экономически доступных и наиболее эффективных является метод поперечно-винтовой прокатки. В результате подобного воздействия при правильно подобранных режимах в широком спектре материалов, в том числе и целом ряде конструкционных сталей, может быть успешно изменена кривизна кристаллической решетки. Это также позволяет существенно повысить сопротивление усталостному разрушению. Иными словами, в процессе ударного нагружения материал оказывается способным обратимо менять форму, не переходя в пластически деформированное состояние. Это позволит избежать серьезных сбоев в эксплуатации конструкции и предотвратить ее выход из строя.
— Одна из задач ученых — предложить промышленности для обработки конструкционных материалов готовые технологические режимы с описанием всех параметров (температуры, давления и
т. д.). Следует отметить, что большое значение приобретает использование методов компьютерного моделирования. Они позволяют значительно сократить время на подбор наиболее эффективных параметров, — отметил С.Панин.
Теперь научному коллективу предстоит сделать следующий шаг — применить механизмы изменения кривизны кристаллической решетки в технологии ассиметричной прокатки. Это позволит обрабатывать не только прутки круглой формы, но и листовой материал.
Ахиллесова пята — сварной шов
Еще одна актуальная задача — повышение качества сварных соединений. Это самая настоящая ахиллесова пята в условиях Арктики! Дело в том, что все крупномасштабные конструкции собираются уже на месте из отдельных частей с использованием сварочных технологий. По причине быстрой скорости протекания процессов нагрева и кристаллизации сварные швы (особенно зона термического влияния) обладают меньшими прочностными свойствами, нежели исходный металл.
Как показали исследование коллег из Якутского научного центра СО РАН, с которыми ИФПМ СО РАН связывают многолетние партнерские отношения, ударная вязкость после длительной эксплуатации может снижаться в два раза! Традиционно в такой ситуации решением проблемы становился поиск более современных, правда, более дорогих сварочных электродов или оборудования. В.Панин решил пойти другим путем: ему удалось показать, что с помощью введения в сварной шов наноразмерных частиц на основе карбонитридов или оксинитридов титана удается улучшить его свойства, повысить ударную вязкость и усталостную долговечность, в том числе в условиях низких температур.
Еще одна актуальная задача — повышение качества сварных соединений. Это самая настоящая ахиллесова пята в условиях Арктики! Дело в том, что все крупномасштабные конструкции собираются уже на месте из отдельных частей с использованием сварочных технологий. По причине быстрой скорости протекания процессов нагрева и кристаллизации сварные швы (особенно зона термического влияния) обладают меньшими прочностными свойствами, нежели исходный металл.
Как показали исследование коллег из Якутского научного центра СО РАН, с которыми ИФПМ СО РАН связывают многолетние партнерские отношения, ударная вязкость после длительной эксплуатации может снижаться в два раза! Традиционно в такой ситуации решением проблемы становился поиск более современных, правда, более дорогих сварочных электродов или оборудования. В.Панин решил пойти другим путем: ему удалось показать, что с помощью введения в сварной шов наноразмерных частиц на основе карбонитридов или оксинитридов титана удается улучшить его свойства, повысить ударную вязкость и усталостную долговечность, в том числе в условиях низких температур.
Будущее за композитами
Становится все более очевидной перспективность применения в Арктике композитных материалов, которые имеют целый ряд преимуществ перед металлами: им не страшна коррозия, они легче по весу, а зачастую и более прочны. Уже сейчас композиты широко используются в авиации, где материалы также испытывают значительные перегрузки в условиях низких температур.
В рамках универсального многоуровневого подхода, который может применяться к разным классам материалов, будут изучены и описаны процессы деформации и разрушения в композитах на всех масштабных уровнях. Следующим этапом станет ответ на технологические вызовы. Нужно будет разработать полимерные связующие и методы модификации армирующих волокон, из которых состоит композит, найти оптимальные режимы формирования самих композитов (одним из новых методов является 3D-печать), а также предложить эффективные методы их сварки.
Становится все более очевидной перспективность применения в Арктике композитных материалов, которые имеют целый ряд преимуществ перед металлами: им не страшна коррозия, они легче по весу, а зачастую и более прочны. Уже сейчас композиты широко используются в авиации, где материалы также испытывают значительные перегрузки в условиях низких температур.
В рамках универсального многоуровневого подхода, который может применяться к разным классам материалов, будут изучены и описаны процессы деформации и разрушения в композитах на всех масштабных уровнях. Следующим этапом станет ответ на технологические вызовы. Нужно будет разработать полимерные связующие и методы модификации армирующих волокон, из которых состоит композит, найти оптимальные режимы формирования самих композитов (одним из новых методов является 3D-печать), а также предложить эффективные методы их сварки.
Ольга Булгакова, пресс-центр ТНЦ СО РАН
Нет комментариев