ПРЕМИЯ ИМЕНИ АКАДЕМИКА В.А.КОПТЮГА —
ТОМСКИМ УЧЕНЫМ
В нашей газеты уже сообщалось, что совместным Постановлением
Национальной академии наук Беларуси и Сибирского отделения
Российской академии наук премия имени академика В.А.Коптюга 2002
года за цикл совместных работ "Физическая мезомеханика и новые
представления о контактном разрушении градиентных материалов;
разработка технологий поверхностной инженерии материалов и
конструкций" присуждена коллективу авторов в составе П.Витязя,
В.Панина, М.Белоцерковского, А.Белого, С.Белюка, А.Колубаева,
В.Кукареко, Ю.Шаркеева.
Мы попросили одного из лауреатов премии, заведующего лабораторией
физики упрочнения поверхности Института физики прочности и
материаловедения СО РАН доктора физико-математических наук
А.КОЛУБАЕВА рассказать об основных итогах творческого
сотрудничества сибирских и белорусских ученых в области
поверхностной инженерии современных материалов и конструкций.
 |
| Томские ученые — С.Белюк, В.Панин, А.Колубаев,
Ю.Шаркеев — лауреаты премии академика В.А.Коптюга, обсуждают
результаты испытаний промышленной установки поверхностного
упрочнения деталей.
|
— Актуальность проблем прочности и пластичности твердых тел
уходит своими корнями в глубокую древность, определив целые эпохи
развития человечества. В античном мире необходимо было иметь
высокопрочные мечи, копья, ядра для катапульт. В средние века
была изобретена знаменитая дамасская сталь, клинки из которой
разрубали металлические доспехи воинов. В наше время проблема
прочности, износостойкости и надежности машин и механизмов входит
в первую пятерку приоритетов современного научно-технического
прогресса. И немалое значение при решении данной проблемы
придается упрочняющей обработке поверхности конструкционных
материалов.
Разработка технологий поверхностной инженерии материалов и
конструкций ведется во всех ведущих странах мира. Используются
самые современные достижения науки и техники: поверхностное
легирование, имплантация, нанесение упрочняющих и защитных
покрытий, высокоэнергетическое воздействие ионными пучками,
лазерным и электронным облучением. Теоретические и прикладные
работы в этом направлении на протяжении многих лет интенсивно
проводятся в Сибирском отделении Российской академии наук и
Национальной академии наук Беларуси. В Новосибирске широкую
известность получили исследования школы академика М.Жукова, в
Томске данные проблемы разрабатываются в ряде академических и
вузовских коллективах. В НАН Беларуси это научное направление
возглавляет первый вице-президент НАНБ академик П.Витязь.
Сотрудничество нашего Института физики прочности и
материаловедения СО РАН и Института надежности машин НАНБ в
области поверхностной инженерии материалов и конструкций возникло
не случайно. Белорусские ученые имеют большие достижения в
разработке современных технологий поверхностного упрочнения
материалов. В коллективе ИФПМ СО РАН зародилось и успешно
развивается новое мультимедийное научное направление - физическая
мезомеханика материалов. В рамках нового подхода в науке о
материалах удалось вскрыть и научно обосновать принципиально
новые представления о механике поведения поверхностных слоев
нагруженных твердых тел. Эти новые представления позволили
сформулировать важные практические рекомендации для
материаловедов и технологов. Союз сибирских и белорусских ученых
дал новый виток в развитии поверхностной инженерии высокопрочных
и износостойких материалов и конструкций.
Здесь уместно дать краткую историческую справку.
Во все века, вплоть до ХХ-го столетия, основные достижения в
области пластичности и прочности твердых тел были связаны с
механикой твердого тела и, в первую очередь, с механикой сплошной
среды. И только во второй половине ХХ века сложилось понимание
того, что макроскопические представления механики не раскрывают
физической природы явлений, происходящих в твердом теле на
атомарном уровне.
Прорыв физиков в микромир деформируемого твердого тела произошел
в пятидесятые годы XX столетия, когда для исследования тонкой
структуры кристаллов была использована электронная микроскопия.
Последующие полвека физика пластичности и прочности переживала
бум, связанный с массированным изучением закономерностей
возникновения, движения и самоорганизации основного типа
деформационных дефектов - дислокаций.
Современная теория дислокаций в кристаллах позволяет качественно
объяснить поведение твердых тел в различных условиях нагружения.
И первое время казалось, что достаточно преодолеть чисто
математические трудности описания дислокационных ансамблей на
микроуровне, чтобы теоретически рассчитать макроскопические
характеристики деформируемого твердого тела. Однако рассчитать
кривую "напряжение - деформация" на основе только
микроскопических представлений теории дислокаций не удалось до
сих пор. Все попытки прямого перехода от микроподходов физики к
макроподходам механики оказались безуспешными. В последние два
десятилетия стало ясно, что подобные попытки в принципе являются
бесперспективными.
Два десятилетия назад в Томской школе академика В.Панина был
предложен выход из тупиковой ситуации. Была сформулирована и
научно обоснована новая парадигма, в основу которой было положено
три концептуально новых положения:
1. Деформируемое твердое тело необходимо описывать как
многоуровневую самосогласующуюся систему. Пластическое течение
нагруженного твердого тела развивается на трех масштабных
уровнях: микро-, мезо- и макро. На мезоуровне происходит движение
трехмерных структурных элементов по схеме "сдвиг + поворот". Это
обусловливает вовлечение в деформацию всей иерархии структурных
уровней среды.
2. Поверхностный слой нагруженного твердого тела является ведущим
мезоскопическим структурным уровнем деформации. В нем развиваются
специфические деформационные процессы, определяющие поведение
нагруженного твердого тела в целом.
3. Физика пластического течения и разрушения твердых тел связана
с потерей их сдвиговой устойчивости на различных масштабных
уровнях. Эти явления в нагруженном твердом теле должны
описываться на основе синергетических представлений о
сильнонеравновесных состояниях в локальных зонах концентраторов
напряжений различного масштаба.
Новая парадигма привела к созданию новой науки — физической
мезомеханики материалов, которая ввела в рассмотрение недостающее
звено между микро- и макроскопическим описанием твердого тела —
мезоскопический масштабный уровень. Были применены новые методы
экспериментального исследования, позволяющие измерять локальные
деформации с очень высоким разрешением для протяженных областей
нагруженного твердого тела. Пионером в этом новом направлении
науки был Институт физики прочности и материаловедения СО РАН,
возглавляемый академиком В. Паниным. Эксперименты показали, что
элементарными носителями пластического течения на мезоуровне
являются трехмерные структурные элементы (зерна, конгломераты
зерен, субзерна, ячейки дислокационной субструктуры,
деформационные домены, частицы второй фазы и др.), движение
которых осуществляется путем сдвига и поворота. Основные
закономерности пластического течения на мезоуровне связаны с
фрагментацией деформируемого твердого тела, завершающая стадия
которой представляет собой разрушение. Ведущими являются волновые
процессы пластического течения в поверхностных слоях, которые
удалось выявить только приборами новых поколений: атомно-силовой
и сканирующей тунельной микроскопии, оптико-телевизионными
приборами технического зрения.
Накопленный за два десятилетия большой объем экспериментальных и
теоретических исследований позволил не только вскрыть
принципиально новые механизмы и закономерности пластической
деформации и разрушения твердых тел на мезомасштабном уровне.
Новый подход привел к необходимости кардинального изменения самой
методологии описания деформируемого твердого тела.
Механика сплошной среды и физика пластичности и прочности,
основанная на теории дислокаций, используют методологию "силовых"
моделей. Принято считать, что для описания кривой "напряжение -
деформация" необходимо рассчитать предел текучести материала и
деформационное упрочнение выше предела текучести. Однако в
действительности пластическая деформация и разрушение
нагруженного твердого тела связаны с потерей его сдвиговой
устойчивости в локальных зонах концентраторов напряжений
различного масштаба. Эти процессы являются по своей природе
релаксационными. В зонах концентраторов напряжений возникают
сильно неравновесные состояния кристаллической решетки. Она уже
не описывается законом Гука, а испытывает локальное структурное
превращение, и ее движение к равновесию происходит как
синергетический процесс. Методология описания пластической
деформации и разрушения должна основываться на законах
синергетики. Впервые это утверждение было сформулировано в книге
В.Панина, В.Лихачева и Ю.Гриняева в 1985 г. В последующем идеи
синергетики стали привлекаться во многих работах по деформации и
разрушению твердых тел. Однако использование представлений
синергетики только в рамках механики сплошной среды или только
теории дислокаций приводит к противоречивым выводам. В.Паниным с
сотрудниками ИФПМ были сформулированы и обоснованы
синергетические принципы физической мезомеханики, рассматривающей
деформируемое твердое тело как многоуровневую иерархическую
систему, в которой процессы локальной потери сдвиговой
устойчивости на микро-, мезо- и макромасштабном уровнях
органически взаимосвязаны. Только в рамках многоуровневого
подхода физики и механики твердого тела удается понять и
корректно описать природу пластической деформации и разрушения
твердых тел.
Следующий этап в развитии мезомеханики деформируемого твердого
тела непосредственно был связан с сотрудничеством сибирских и
белорусских ученых в области изучения строения материалов с
модифицированными поверхностными слоями, с описанием эволюции их
структуры при контактном нагружении, а также с разработкой нового
подхода к созданию конструкционных материалов с градиентом
свойств поверхностного слоя и повышенным сопротивлением
разрушению. Именно эта научная работа получила высокую оценку и
была удостоена премии им. В.А. Коптюга.
С позиций физической мезомеханики легко объяснить, почему столь
пристальное внимание уделяется структуре и свойствам
поверхностных слоев нагруженных твердых тел. Деформация,
обусловленная локальной потерей сдвиговой устойчивости твердого
тела, начинается в зонах концентраторов напряжений
соответствующего масштаба и, в первую очередь, в поверхностных
слоях материала, так как они имеют наименьшее сдвиговое
сопротивление. В результате в поверхностных слоях интенсивно
развиваются полосы локализованной деформации, снижающие
сопротивление сдвигу твердого тела. Поверхностные концентраторы
напряжений генерируют деформационные дефекты (точечные дефекты,
дислокации, дисклинации, мезополосы сдвига), которые, зарождаясь
на поверхности, перемещаются затем в глубь образца, обусловливая
развитие пластического течения в объеме материала. Модифицируя
поверхностный слой путем нанесения покрытий с различной
кристаллической структурой, можно создать условия, позволяющие
предотвратить процесс зарождения деформационных дефектов и, как
следствие, повысить механические свойства материала.
Совместные исследования сибирских и белорусских ученых выявили
новые механизмы и закономерности формирования деформационных
дефектов в поверхностных слоях материалов и на границе раздела
"поверхностно-упрочненный слой — подложка" в условиях внешних
воздействий, а также определили пути конструирования градиентных
материалов нового поколения. В рамках совместных работ удалось
ответить на вопрос, почему анализ отдельных механических свойств
сплавов не может быть достаточным для оценки эксплуатационных
свойств поверхностно упрочненного материала. Было показано, какие
процессы играют ведущую роль при различных видах нагружения
твердого тела, в чем их специфика при трении, кавитации,
фреттинге и других воздействиях.
Были выполнены комплексные теоретические и экспериментальные
исследования с применением современных методов компьютерного
моделирования, рентгеноструктурного анализа, оптической и
просвечивающей электронной микроскопии, оптико-телевизионных
измерений деформационных рельефов, механических испытаний и др. В
результате проведенных исследований были изучены закономерности
формирования градиентных структур в материалах в процессе
модифицирования с использованием концентрированных потоков частиц
высоких энергий. Изучены процессы эволюции и самоорганизации
градиентных структур в неоднородном поле температур и
механических напряжений за счет интенсивных деформационных и
диффузионных процессов, а также структурно-фазовых превращений.
Исследования позволили критически пересмотреть обсуждавшиеся
ранее представления о факторах, влияющих на поведение
поверхностно упрочненных материалов при нагружении, и расширить
направления исследований, рассматривая процессы деформирования на
мезоскопическом уровне.
Проведенные систематические исследования физико-механических
свойств поверхностно упрочненных металлов и сплавов позволили
установить общие закономерности формирования нано-, микро- и
мезоструктуры поверхности при трении и изнашивании. Изучена
кинетика пластического течения и разрушения поверхностных слоев
материалов; классифицированы структурные элементы деформации;
вскрыты механизмы пластической деформации на различных масштабных
уровнях, связанные с движением трехмерных структурных элементов;
разработаны физические модели механизмов формирования
субструктуры поверхностного слоя под действием потоков
высокоэнергетических частиц, описания напряженно-деформированного
состояния градиентного материала при поверхностном нагружении,
износа поверхностных слоев в парах трения. Особое внимание было
уделено механизмам зарождения концентраторов напряжений на
границе раздела между упрочненным слоем и основой и их влиянию на
формирование потоков деформационных дефектов и накопление
повреждений, а также изучению роли границы раздела в
инициировании пластического течения подповерхностных слоев при
контактном нагружении.
Результаты совместных исследований сибиряков и белорусов в
области физической мезомеханики материалов явились основой
создания высокоэффективных, экологически чистых технологических
процессов ионно- и электронно-лучевой, а также газотермической
обработки конструкционных металлов и сплавов, широко используемых
на предприятиях машиностроительного, металлургического,
химического и нефтехимического комплексов, железнодорожного
транспорта Республики Беларусь и Российской Федерации.
Результаты работы докладывались на многочисленных международных
конференциях в странах ближнего и дальнего зарубежья. По итогам
совместной работы в 2000 г. первый вице-президент НАН Беларуси
академик П.Витязь и директор ИФПМ СО РАН академик В.Панин сделали
обзорный доклад на Международном конгрессе "Наука и образование
на пороге III-го тысячелетия, который состоялся в Минске в
сентябре 2000 г. Ряд сотрудников объединенного творческого
коллектива выступили с докладами на Международной
научно-технической конференции "Надежность машин и технических
систем", состоявшейся в Минске в октябре 2001 г., а также на
конференции "Теоретические и технологические основы упрочнения и
восстановления изделий в машиностроении", состоявшейся в г.
Новополоцке в мае 2001г. Выпущен тематический номер журнала
"Физическая мезомеханика", посвященный итогам совместных научных
работ ученых ИФПМ СО РАН и ИНДМАШ НАН Беларуси в 1999-2001 годах
по указанным выше проблемам. Результаты исследований послужили
основой для написания 4-х монографий.
В заключение следует отметить, что отмеченная премией имени
академика В.А. Коптюга работа является частью комплексного
проекта "Физическая мезомеханика деформирования и разрушения
материалов, модифицированных плазменными, электронно-лучевыми,
ионнолучевыми и газотермическими методами", выполняемого в рамках
Программы совместных работ СО РАН и НАН Беларуси. Коллектив
исполнителей данного проекта насчитывает двадцать человек из
Института физики прочности и материаловедения СО РАН и Института
надежности машин НАНБ. Наряду с учеными, отмеченными премией,
значительный вклад в выполнение проекта внесли Д.Калиновский,
В.Клименов, Е.Легостаева, С.Панин, В.Рубцов, П.Сухоцкий.
Наше сотрудничество с материаловедами НАН Беларуси продолжается.
В настоящее время основные усилия направлены на развитие
совместной инновационной деятельности, которая позволит расширить
области приложения перспективных разработок.
стр.
|
