20 ЛЕТ — ЭТО ВОЗРАСТ ОТКРЫТИЙ

Институту физики прочности и материаловедения СО РАН — 20 лет.

Об истории института

В 1979 году в жизни томских металлофизиков произошло судьбоносное событие. По приглашению председателя Президиума Томского филиала СО АН академика В. Зуева часть сотрудников Отдела физики металлов Сибирского физико-технического института во главе с профессором В. Паниным переходит в Институт оптики атмосферы СО АН и создает там Отдел физики твердого тела и материаловедения. Начинается важный этап развития томской физики твердого тела в академических рамках. В 1984 году из Института оптики атмосферы выделяется самостоятельный Институт физики прочности и материаловедения СО АН, который возглавил член-корреспондент АН В. Панин. В Томске возникает органичная интеграция вузовской и академической ветвей физики твердого тела.

Академик В. Кузнецов.

История томской школы физики твердого тела насчитывает около 80 лет. Это продолжительный и чрезвычайно насыщенный событиями период творческой деятельности большого научного коллектива. Школа зародилась в Томском государственном университете в середине двадцатых годов прошлого столетия. Ее основателем был профессор В. Кузнецов, ставший затем действительным членом Академии наук СССР. Его имя носит прославленный Сибирский физико-технический институт, который он возглавлял более 30 лет.

К началу 80-х годов XX века в исследованиях металлофизиков Томска оформились два стратегических направления: физические основы пластичности и прочности твердых тел; физическое материаловедение.

Перед исследователями стояла глобальная задача согласования микро- и макроподходов и количественного описания механических свойств твердых тел на основе теории дислокаций. Наряду с этим органически назрело объединение обоих стратегических направлений на базе современных компьютерных технологий с целью осуществления давней мечты В. Кузнецова о конструировании материалов с заданными механическими свойствами. Однако реализация этой мечты оказалась непростой задачей.

Макромасштабный уровень в описании деформируемого твердого тела был прерогативой механики сплошной среды. Она оперирует интегральными характеристиками среды без учета ее внутренней структуры. Деформация описывается на основе силовых моделей как суперпозиция различных сдвигов под действием внешних приложенных напряжений. Этот путь заведомо неприемлем для решения поставленной задачи, так как механические свойства твердого тела кардинально зависят от его внутренней структуры, которой нет в механике сплошной среды.

Образцы керамического конструкционного материала.

Микромасштабный уровень — это область физики. Пятьдесят лет триумфа теории дислокаций позволили исследовать элементарные акты пластической деформации, вскрыть дислокационные механизмы пластического течения в различных условиях нагружения и дать физическую интерпретацию многих механических характеристик. Однако главную задачу — развить количественную теорию макромеханических характеристик на основе теории дислокаций — решить не удалось. Многочисленные попытки прямого перехода от микромасштабного уровня к макромасштабному оказались безуспешными.

Долгое время казалось, что причина неудач связана с чисто математическими трудностями описания сложных дислокационных ансамблей, насчитывающих 10⁸ — 10¹² индивидуальных дислокаций на 1 кв. см. Но проблема оказалась гораздо сложнее, и для ее решения пришлось существенно трансформировать методологию описания деформируемого твердого тела.

Это было сделано на основе выдвинутых томской школой двух принципиально новых концептуальных положений:

— Пластическая деформация развивается на трех масштабных уровнях: микро-, мезо- и макро-, причем деформируемое твердое тело необходимо описывать как многоуровневую самосогласующуюся систему.

— Физика пластического течения и разрушения твердых тел связана с потерей их сдвиговой устойчивости на различных масштабных уровнях. Эти явления должны описываться на основе представлений о сильнонеравновесных состояниях в нагруженном твердом теле.

Таким образом, на смену силовым моделям теории дислокаций и механики сплошной среды пришла синергетическая методология рассмотрения деформируемого твердого тела как сильнонеравновесной системы.

Компьютерное конструирование эндопротезов.

Для изучения механизмов деформации на мезоуровне были разработаны новые методы с использованием спекл-интерферометрии, оптико-телевизионных средств технического зрения, измерения фрактальной размерности поверхности деформируемого твердого тела. Оказалось, что на мезоуровне как целое движутся трехмерные структурные элементы (мезообъемы). В этом случае достаточно рассмотреть представительный объем, состоящий из нескольких десятков мезообъемов, чтобы записать уравнения мезомеханики, учитывающие внутреннюю структуру деформируемого твердого тела. Деформация на микромасштабном уровне учитывается в уравнениях мезомеханики как аккомодационный процесс. Таким образом, введение мезомасштабного уровня позволило органически объединить физику пластической деформации (микроуровень) и механику деформируемого твердого тела (макроуровень). Новое научное направление получило название «Физическая мезомеханика».

Методология физической мезомеханики позволяет осуществить компьютерное конструирование материалов с заданными механическими свойствами на базе решения обратных задач. Это дает возможность объединить физическую мезомеханику и физическое материаловедение в рамках самостоятельного и более широкого научного направления — физическая мезомеханика материалов. В развитии этого направления Институт физики прочности и материаловедения СО РАН сохраняет мировой приоритет.

Как высокую оценку и признание заслуг коллектива института в создании нового научного направления в науке о прочности и решении ряда важных прикладных задач материаловедения следует рассматривать присвоение Институту физики прочности и материаловедения СО РАН статуса Государственного научного центра Российской Федерации, который он имел в 1994-1997 годах. ИФПМ СО РАН также является головной организацией Российского материаловедческого центра, учрежденного в 1992 году совместным решением Министерства науки РФ, Президиума СО РАН и администрации Томской области.

Организация научных исследований

К настоящему времени в институте сложилась устойчивая структура организации научных исследований в области физики прочности, механики деформируемого твердого тела и современного материаловедения. Основное научное направление — физическая мезомеханика материалов. Главные идеи этого подхода состоят в учете пространственной и временной неоднородностей пластической деформации на разных иерархически связанных масштабных уровнях, решающей роли свободной поверхности и внутренних границ раздела в развитии пластического течения и определяющего вклада концентраторов напряжений разного масштаба в динамику процессов деформации и разрушения. Это принципиально отличается как от классического дислокационного подхода, так и от присущего механике сплошной среды подхода, в котором внутренняя структура не учитывается. Физическая мезомеханика оперирует с иерархией масштабов структурных уровней деформации среды.

В рамках физической мезомеханики материалов сформировалось несколько направлений исследований, ориентированных на решение фундаментальных и прикладных задач современного материаловедения и теории прочности и пластичности.

Первым из них является физическая мезомеханика структурно-неоднородных сред. В физической мезомеханике теоретически и экспериментально обоснованы концептуально новые положения, которые качественно отличаются от традиционных подходов теории дислокаций и механики сплошной среды. Дискретный характер движения мезообъемов как целого приводит к необходимости рассмотрения в пластическом течении не только сдвигов, но и поворотных мод деформации, которые обусловливают самоорганизацию пластического течения на всех структурных уровнях среды, а также формируют новые диссипативные структуры в вихревых полях деформируемого твердого тела. Главная задача физической мезомеханики — вскрыть экспериментально механизмы нарушения исходной структуры деформируемого твердого тела и разработать адекватный математический аппарат для описания пластического течения и разрушения многоуровневой, иерархически самоорганизующейся системы.

Оптико-телевизионный комплекс TOMSK.

Одним из наиболее перспективных объектов применения нового подхода к проблеме пластичности явились наноструктурные и наноразмерные материалы и покрытия. Изучению материалов с размером зерна порядка десятков межатомных расстояний во всем мире уделяется в настоящее время большое внимание. Эти материалы справедливо считаются основой современного материаловедения. В институте организованы и проводятся всесторонние исследования особенностей структуры и поведения при нагружении таких материалов как в объемном состоянии, так и в виде наноструктурированных поверхностных слоев и покрытий, создаваемых на деталях машин. Эти исследования проводятся в тесном содружестве с научными организациями Москвы, Минска, Санкт-Петербурга, Уфы, Новосибирска.

Важной областью интересов научных коллективов лабораторий института являются материалы новых поколений на металлической, керамической и полимерной основах. Это приоритетное направление для материаловедов и металлофизиков Томска в течение многих лет, однако применение методов физической мезомеханики позволило придать ему новую динамику. Были организованы работы по созданию новых керамических материалов из ультрадисперсных порошков диоксида циркония, позволившие получить материалы с уникальным сочетанием прочности и вязкости, были разработаны новые композиты на металлической и полимерной основах.

Вакуумная установка для ионно-плазменного нанесения покрытий.

Традиционные методы создания новых материалов практически исчерпали себя, поскольку оказались слишком дорогими и трудоемкими. В ИФПМ проводятся работы по компьютерному конструированию новых материалов и технологий их получения, призванные существенно удешевить процедуру создания новых материалов и сократить необходимые для этого сроки. Новый подход базируется на совместном использовании идей физической мезомеханики материалов и информационных технологий и успешно развивается в институте на протяжении последних 15 лет.

В современном машиностроении давно сложилось понимание того факта, что наиболее ответственной частью практически любого реального изделия является его рабочая поверхность. Управляя ее состоянием, можно существенно повысить показатели надежности машин. Это породило множество методов и технологий поверхностной обработки, которые широко представлены в ИФПМ работами по созданию научных основ технологий упрочнения и поверхностной обработки материалов. Разработки института в этом направлении отличает комплексность подхода. Вместе с выбором оптимального состава, толщины и структуры покрытий разрабатывается оригинальная аппаратура для их нанесения, которая находит широкое промышленное применение.

Решение задачи повышения надежности и безотказности работы машин, механизмов, конструкций невозможно без создания новых неразрушающих методов контроля состояния и качества материалов и изделий из них. Это направление исследований сформировалось на основе выполненных учеными института оригинальных разработок, предназначенных для исследований структуры и свойств материалов и используемых при экспериментальном анализе пластического течения на мезоскопическом масштабном уровне. Эти методики неразрушающего контроля в настоящее время широко применяются в различных отраслях машиностроения и транспорта России.

Инновационная деятельность

90-е годы XX века были для института периодом поиска новых форм организации своей практической деятельности. Институт формировал новые направления прикладных исследований, устанавливал новые связи с предприятиями. Это было время адаптации к рыночным условиям, показавшее, что для обеспечения успешного развития института работать с рынком необходимо профессионально. Поэтому в 2002 году в ИФПМ был создан отдел инновационного развития (ОИР), призванный обеспечить развитие института в сфере инновационной деятельности.

Триботехнический комплекс для ультразвуковой обработки изделий.

Сегодня ОИР активно взаимодействует практически со всеми подразделениями института. Такая организация обеспечивает подготовку и сопровождение инновационных проектов как регионального, так и федерального уровней. Кроме того, ОИР привлекает новые заказы на НИР и ОКР, инициирует новые направления прикладных работ, изыскивает источники их финансирования, решает вопросы сертификации научно-технической продукции и технологий, а также представляет интересы института в области инновационной деятельности на уровне министерств и ведомств. Налажено взаимодействие с другими элементами инновационной инфраструктуры Томска и регионов России.

Работа ОИР в 2003 году позволила увеличить объем привлеченных средств за счет выигранных грантов, участия в различных программах, но в основном благодаря продвижению на рынок завершенных разработок. Перспективным является опыт взаимодействия с отраслевыми предприятиями, в частности, предприятиями ОАО «Российские железные дороги». По итогам работы ОИР в 2002-2003 гг. более 50 локомотивных депо по всей стране, от Владивостока до Новороссийска, оснащены приборами и оборудованием, разработанными в институте.

Комплексные проекты

В связи с реформированием организации научных исследований в институтах РАН, связанным с переходом на программно-целевые методы планирования НИР и необходимостью сосредоточения усилий ученых на наиболее важных направлениях научно-технического прогресса, в институте произошло сокращение числа тем научных исследований. С 2004 г. коллектив ИФПМ СО РАН работает в рамках приоритетного направления «Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций», являясь основным исполнителем двух программ. Координатором программы «Развитие теоретических и экспериментальных основ физической мезомеханики материалов и проблемы создания перспективных материалов с многоуровневой структурой» является научный руководитель института академик В. Панин, а координатором программы «Научные основы создания композитных и наноструктурных материалов на металлической, керамической и полимерной основах с высокими механическими и функциональными свойствами» является директор института д.ф.-м.н. С. Псахье. В институте организованы исследования по пяти комплексным проектам, входящим в названные программы.

Институт физики прочности
и материаловедения СО РАН сегодня

С момента создания института в 1984 г. и до 2002 г. его бессменным директором являлся академик В. Панин. В 2002 г. директором института избран профессор С. Псахье. Основатель института академик В. Панин постановлением Президиума РАН назначен научным руководителем института.

Академик В. Панин.

Профессор С. Псахье.

Институт проводит фундаментальные научные исследования по основному направлению — физическая мезомеханика материалов, в рамках которого можно выделить следующие вопросы:

— физическая мезомеханика структурно-неоднородных сред;

— наноструктурные объемные и наноразмерные материалы, наноструктурированные поверхностные слои, тонкие пленки и покрытия;

— материалы новых поколений на металлической, керамической и полимерной основах;

— компьютерное конструирование новых материалов и технологий их получения;

— научные основы технологий упрочнения и поверхностной обработки материалов;

— неразрушающие методы контроля.

Акусто-оптический комплекс для диагностики материалов и конструкций.

Фундаментальные и прикладные исследования, проводимые в институте, отвечают профилю его научной деятельности, соответствуют Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации и характеризуются высоким научным и техническим уровнем. По основному научному направлению фундаментальных исследований — физическая мезомеханика материалов — институт занимает ведущие позиции в России и в мире. В 2002 г. комплексному коллективу ученых из ИФПМ СО РАН и Национальной академии наук Беларуси присуждена премия им. академика В. Коптюга. Пять молодых ученых института награждены премиями СО РАН имени академиков М. Лаврентьева, В. Кузнецова, Ю. Работнова и М.Жукова. Две студентки Томского политехнического университета, выполнявшие свою научно-исследовательскую работу в ИФПМ СО РАН, награждены медалями РАН по итогам конкурсов молодых ученых и студентов.

В составе института функционируют 3 научных отдела, 20 научных лабораторий, Отделение «Республиканский инженерно-технический центр по восстановлению и упрочнению деталей машин и механизмов» (включает 8 лабораторий), Опытный завод, Международный научный центр по физической мезомеханике. В институте на 01.07.2004 г. работают 405 человек, из них 151 научный сотрудник, в том числе 1 академик РАН, 33 доктора наук, 96 кандидатов наук.

В институте действуют: докторантура по трем специальностям и аспирантура по восьми специальностям. Численность аспирантов составляет 41 человек, ежегодно в аспирантуру поступают 15-17 человек. Работают два диссертационных совета: докторский (по специальностям «механика деформируемого твердого тела»; «физика конденсированного состояния», «металловедение и термическая обработка металлов») и кандидатский (по специальности «технологии и машины сварочного производства»).

Институт обеспечен основным научным и технологическим оборудованием. Информационная инфраструктура включает локальную компьютерную сеть (200 персональных компьютеров), в сети используется 7 серверов, общее число компьютеров в институте — более 230, сайт института: www.ispms.ru.

Институт сотрудничает с вузами Томска, Новосибирска, Новокузнецка и других городов. В единый научно-образовательный комплекс входят ИФПМ СО РАН и материаловедческие кафедры Томского государственного университета, Томского политехнического университета и Томского государственного архитектурно-строительного университета, а также лаборатории Сибирского физико-технического института. В институте работают филиалы кафедр ТПУ и ТГУ. Совместно с Сибирским государственным университетом путей сообщения создана Межотраслевая лаборатория акустики деформируемых материалов. В рамках ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» в институте работает Центр фундаментальных исследований и элитарного образования «Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов». В сотрудничестве с ТГУ также созданы и действуют Научно-образовательный центр «Физика и химия высокоэнергетических систем» и Томский материаловедческий центр коллективного пользования. В институте создан филиал Отделения послевузовского профессионального образования Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Институт издает международный журнал «Физическая мезомеханика» на русском и английском языках. Журнал включен в перечень изданий ВАК, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

В рамках международной деятельности институт имеет двусторонние договоры и прямое сотрудничество с 24 институтами, университетами и исследовательскими центрами США, Германии, Австрии, Израиля, Китая, Кореи, Словении, Японии, Беларуси, Казахстана. Ведутся контрактные работы и заключены соглашения с Лос-Аламосской национальной лабораторией (США), Штутгартским университетом, Берлинским техническим университетом, Падерборнским университетом, Федеральным институтом исследования и испытания материалов (Германия), Шеньянским технологическим институтом (КНР), Международным научно-техническим центром (МНТЦ), Институтом Йожефа Стефана (Словения), компанией MAIS (Словения) и др. Совместно с научными организациями Китая, Дании, Греции, Израиля, Японии, Германии и других стран институт ежегодно проводит международные конференции по физической мезомеханике материалов.

* * *

Четверть века прошло с того знаменательного события, когда десант томских металлофизиков в составе 13 человек высадился под крышей гостеприимного Института оптики атмосферы СО АН. Прошедшие годы не были простыми для энтузиастов отечественной науки: строительство пяти корпусов, создание современной материальной базы, формирование собственного научного лица и тяжелейший период выживания в последнее десятилетие ушедшего века. За 20 лет в институте сложился сбалансированный комплексный коллектив ученых, инженеров и технологов, который в новых условиях инновационного развития способен решать сложные научно-технические проблемы. Более четверти коллектива института составляет талантливая молодежь, а это значит, что у коллектива института есть будущее.

Материал подготовлен
дирекцией ИФПМ СО РАН.

стр. 6-7