Лаборатория физики прочности

Краткая историческая справка о подразделении

Лаборатория физики прочности создана в 1984 году. За годы ее существования сотрудниками лаборатории защищено 10 докторских и 30 кандидатских диссертаций (см. сборник под. ред. Зуева Л.Б. «Прочность, пластичности и разрушение: физика и инженерный подход». Томск: Издательство НТЛ, 2009. 198 с.).

За время существования лаборатории ее сотрудниками опубликовано около 400 статей и сделано более 100 докладов на различных научных конференциях в России и за ее рубежами.

Области исследований, направления фундаментальных исследований

-   экспериментальная физика и механика прочности и пластичности,

-   автоволновая механика пластической деформации,

-   металловедение сплавов циркония для ядерной энергетики,

-   физическое обоснование методик оценки остаточного ресурса изделий,

-   физические методы исследования деформационных процессов.

Состав подразделения Общая численность 13 человек, в том числе: -   докторов наук - 3, -   кандидатов наук - 6.

Направление научных исследований:

    - экспериментальная физика и механика прочности и пластичности твердых тел.

Важнейшие научные результаты:

1. Разработана автоволновая механика локализованного пластического течения металлов и других материалов. Экспериментально получены и проанализированы основные уравнения, проверена их применимость для описания процессов пластического течения.

2. Установлен автоволновой характер локализованного пластического течения.

Обнаружена универсальная закономерность пластической деформации, состоящая в том, что пластическое течение материалов всегда является макроскопически локализованным. Локализация проявляется в самопроизвольном расслоении деформируемой среды на деформируемые в данный момент и недефор­мируемые объемы. Упорядоченные пространственные картины таких расслоений, характерные для каждой стадии деформации, определяются действующим на данной стадии процесса  законом деформационного упрочнения и соответствуют последовательно реализующимся вариантам автоволновых (самовозбуждающихся) процессов - автоволнам переключения, фазовым автоволнам или стационарным  диссипативным структурам и коллапсу автоволны локализации. Типичное значение длины автоволны локализованного пластического течения λ≈10^-2 м; скорость ее распространения 10^-5 ≤ V_aw ≤10^-4 м/с. В рамках развиваемого подхода пластическая деформация твердых тел рассматривается как закономерная эволюция автоволн локализованного пластического течения.

Расслоение деформируемой среды. Распределение одной из компонент тензора пластической дисторсии по деформируемому образцу для произвольного момента времени

3. Предложена двухкомпонентная модель локализованной пластичности.

В ее основе лежат представления о взаимодействии двух функциональных подсистем (компонент), на которые самопроизвольно разделяется способная к самоорганизации термодинамически открытая неравновесная деформируемая система: динамической подсистемы релаксационных сдвигов (автоволн локализо­ван­ной пластической деформации) и информационной подсистемы порожденных ими импульсов акустической эмиссии (упругих волн). Релаксационные сдвиги в этой модели обеспечивают пластическое формоизменение среды, а акустические импульсы активируют релаксацию новых концентраторов напряжений на расстоянии порядка длины автоволны λ от исходного. 

Блок-схема двухкомпонентной модели пластической деформации	Cхема зарождения автоволны локализованной пластичности

Кроме автоволнового варианта двухчастичной модели предложен ее квазичастичный вариант, следующий из гипотезы о существовании автолокализонов - квазичастиц с эффективной массой ~1,8 а.е.м., соответствующих автоволнам локализованного пластического течения. При таком подходе двухкомпонентная модель сводится к анализу обменных взаимодействий в смеси фононного газа и газа автолокализонов.

Предложенные варианты двухчастичной модели взаимно дополнительны и позволяют правильно количественно оценивать основные характеристики автоволновых процессов локализованного пластического течения.

4. Введен упругопластический инвариант пластического течения.

Количественный анализ автоволновых картин локализованного пластического течения в разных материалах показал, что характеристики динамической подсистемы (длина автоволны локализованной пластичности λ и скорость ее распространения V_aw) связаны с характеристиками информационной подсистемы (межплоскостное расстояние χ  и скорость распространения поперечных упругих волн V_t), образуя инвариантное отношение

 

где средняя по всем исследованным материалам величина

Инвариант играет роль основного уравнения двухкомпонентной модели пластического течения. Его следствиями являются ранее экспериментально установленные закономерности развития локализованного пластического течения, в частности: 

обратная пропорциональность скорости распространения автоволн коэффициенту деформационного упрочнения

квадратичное дисперсионное соотношение для автоволн локализованной пластической деформации

 зависимость длины автоволны локализованной пластической деформации от размера зерна d  типа логистической функции

 дифференциальное нелинейное уравнение скорости пластической деформации

в котором - нелинейная функция (точечная кинетика);

 обратная зависимость плотности подвижных дислокаций от деформации

 с помощью упругопластического инварианта деформации устанавливается связь между развиваемой автоволновой механикой пластичности и теорией дислокаций.

5. Разработаны  методики и приборы для спекл-фотографичес­кого, спекл-цифрового и акустического анализа процессов развития локализованного пластического течения твердых тел (металлов, сплавов, неметал­ли­ческих кристаллов, горных пород).

6. Обоснован принцип микролегирования сплавов на основе циркония для ядерной энергетики, позволяющий сократить длительность периода их ввода в эксплуатацию. Модернизирована технология производства оболочечных труб из сплавов циркония для ядерной энергетики, позволившая повысить выгорание топлива и обеспечить повышение длительности работы тепловыделяющих элементов

Направления прикладных исследований:

    - металловедение и обработка сплавов циркония для ядерной энергетики;

    - научное приборостроение;

    - природа отказов конструкций и транспортных средств.

Важнейшие результаты прикладных исследований:

1. Обоснован принцип упрочнения сплавов циркония для ядерной энергетики, согласно которому повышения прочности и эксплуатационных характеристик оболочечных труб из циркониевых сплавов можно добиться, оптимизируя содержание в нем кислорода в рамках Технических условий на сплавы для ядерной энергетики. Согласно последним, концентрация кислорода С_O в сплаве Э110 (Zr-1мас.%Nb) не должна превышать 0,1 мас.%, обычно составляя 0,035 мас.%. При С_O ≈ 0,09 мас.% прочность сплава увеличилась на 15%, а скорость ползучести при температуре эксплуатации снизилась на 25%. Введение кислорода в сплав было предложено осуществлять добавлением в шихту при выплавке пентаоксида ниобия Nb₂O₅, который хорошо растворяется в расплаве. Исследования сплава с повышенным до 0,09 мас.% содержанием кислорода показали, что за его упрочнение ответственны неоднородность твердого раствора кислорода в a-Zr, образование конденсированных атмосфер кислорода на дислокациях, а также выделения микрочастиц субоксидов циркония нестехиометрического состава на них.

Использование предложенного принципа упрочнения позволило исключить долговременные пред­варительные исследования эксплуатационных характеристик сплава, обязательные при изменении Технических условий. Высокие свойства произведенной на Чепецком механическом заводе циркониевой продукции из упрочненного таким образом сплава позволили создать новые конструкции тепловыделяющих сборок для реакторов ВВЭР, обеспечив выгорание топлива до 55 МВт×сут/кгU и снизив удельный расход топлива с 0,240 до 0,199 кг/МВт_·сут., что отвечает мировым параметрам топливного цикла.

2. Обосновано применение радиальной ковки в технологии производства твэлов.

Обоснована целесообразность использования в промышленной технологии холодной прокатки оболочечных труб из сплава Э110 холодной радиальной ковки и отжига в температурной области существования α-Zr. Такое изменение технологии позволило получать трубные заготовки с равномерной по длине структурой металла с размером зерна (3...5)±1 мкм, из которых на Чепецком механическом заводе были изготовлены трубы для оболочек твэлов для АЭС «Темелин» (Чехия).

3. Разработаны новые приборы для анализа процессов деформации.

Разработаны и созданы комплексы для спекл-фотографического (ALMEC) и спекл-циф­рового (ALMEC-tv) анализа картин локализации пластического течения металлов, сплавов, неметаллических кристаллов и горных пород. Созданы приборы для измерения малых изменений скорости распространения ультразвука при пластической деформации и изменениях структуры твердых тел (ASTR и ANDA).

4. Разработаны методики оценки ремонтопригодности и остаточного срока служ­бы рам локомотивных тележек.

На основании установленной корреляции механических свойств металлов со скоростью распространения ультразвука в них разработана методика неразрушающих испытаний рам локомотивов для оценки их ремонтопригодности. По результатам этой работы около пятидесяти локомотивных депо ОАО «Российские железные дороги» оснащены приборами «ASTR». Было проведено обучение персонала методике работы с приборами.

География внедрения технологий и оборудования ультразвукового контроля в локомотивных депо ОАО «РЖД»

Важнейшие публикации

1.      Зуев Л.Б., Данилов В.И., Баранникова С.А. Физика макролокализации пластического течения (монография). Новосибирск: Наука, 2008. 327 с.

2.      Заводчиков С.Ю., Зуев Л.Б., Котрехов В.А. Металловедческие вопросы производства изделий из сплавов циркония (монография).  Новосибирск: Наука, 2012. 257 с.

3.      Зуев Л.Б. Автоволновая пластичность. Локализация и коллективные моды (монография). Москва: Физматлит, 2018. 230 с.

4.      Зуев Л.Б., Баранникова С.А. Физика прочности и экспериментальная механика (учебное пособие).  Новосибирск: Наука, 2011. 349 с.

5.      Зуев Л.Б., Данилов В.И. Физические основы прочности материалов (учебное пособие). Долгопрудный: ИД «Интеллект», 2013. 373 с.

___________

1.     Zuev L.B. Wave phenomena in low-rate plastic flow in solids // Ann. Phys. 2001. Vol. 10. No. 11-12. P. 965-984.

2.     Zuev L.B. On the waves of plastic flow loca­lization in pure metals and alloys // Ann. Phys. 2007. Vol. 16. No. 4. P. 286-210.

3.     Zuev L.B., Danilov V.I. A self-excited wave model of plastic deformation in solids // Phil. Mag. A. 1999. Vol. 79. No. 1. P. 43-57.

4.     Zuev L.B., Semukhin B.S. Some acoustic properties of a deforming medium // Phil. Mag. A. 2002. Vol. 82. No. 6.  P. 1183-1193.

5.     Zuev L.B., Danilov V.I., Barannikova S.A. Pattern formation in the work hardening process of single alloyed g-Fe crystals // Int. J. Plasticity. 2001. Vol. 17. No. 1. P. 47-63.

6.     Zuev L.B. The linear work hardening stage and de Broglie equation for autowaves of localized plasticity // Int. J. Solids and Structures. 2005. Vol. 42. No. 6. P. 943-949.

7.     Zuev L.B., Danilov V.I., Barannikova S.A., Gorbatenko V.V. Autowave model of localized plastic flow of solids // Phys. Wave Phenomena. 2009. Vol. 17. No. 1. P. 66-75.

8.     Zuev L.B., Barannikova S.A. Evidence for the existence of localized plastic flow auto-waves generated in deforming metals // Natural Science. 2010. Vol. 2. No. 5. P. 476-483.

9.     Zuev L.B., Barannikova S.A. Plastic flow macro­loca­lization:  autowaves and quasi-particles // J. Mod. Physics. 2010. Vol. 1. No. 1. P. 1-8.

10. Zuev L.B., Barannikova S.A. Plastic flow localization viewed as auto-wave process generated in deforming metals // Solid State Phenomena. 2011. Vol. 172-174. P. 1279-1283.

11. Zuev L.B., Danilov V.I., Barannikova S.A., Zykov I.Yu. Plastic flow localization as a new kind of wave process in solids // Mater. Sci. Engng. A. 2001. Vol. 319-321. P. 160-163.

12. Zuev L.B., Danilov V.I., Barannikova S.A. Plastic flow, necking and failure in metals, alloys and ceramics // Mater. Sci. Engng. A. 2008. Vol. 483-484. P. 223-227.

13. Zuev L.B., Barannikova S.A. Experimental study of plastic flow macro-scale localization process: pattern, propagation rate, dispersion // Int. J. Mech. Sci. Vol. 88. P. 1.

14. Зуев Л.Б., Данилов В.И., Семухин Б.С. Пространственно-временное упорядочение при пластическом течении твердых тел // Успехи физики металлов. 2002. Т. 3. № 3. С. 237-304.

15. Данилов В.И., Зуев Л.Б. Макролокализация пластической деформации и стадийность пластического течения в поликристаллических металлах и сплавах // Успехи физики металлов. 2008. Т. 9. № 4. С. 371-422.

16. Зуев Л.Б. Макроскопическая физика пластической деформации металлов // Успехи физики металлов. 2015. Т. 16. № 1. С. 35-60.

Патенты, изобретения 

1. Патент № 2156436. Оптико-телевизионное устройство контроля поверхности протяженных объ­ектов с постоянным поперечным сечением. 2000.  БИ № 26. Зуев Л.Б., Горбатенко В.В., Поляков С.Н., Котрехов В.А., Лосицкий А.Ф., Заводчиков С.Ю.

2. Патент № 2177602. Способ отображения зон локализации деформации поверхности. 2001. БИ № 36. Горбатенко В.В., Поляков С.Н., Зуев Л.Б.

3. Патент № 2192621. Способ отображения зон локализации деформации поверхности и оптико-телевизионное устройство для его осуществления. 2002. БИ № 31. Горбатенко В.В., Поляков С.Н., Зуев Л.Б.

4. Патент № 2227171. Цирконий-ниобиевый кислородсодержащий сплав и способ его получения. 2004. БИ № 11. Заводчиков С.Ю., Аржакова В.М., Бочаров О.В., Зуев Л.Б., Котрехов В.А., Шиков А.К.

5. Патент № 2272246. Способ отображения состояния отражающих и тонких светопропускающих объектов. 2006. БИ № 8. Поляков С.Н., Бикбаев С.А., Зуев Л.Б.

6. Патент № 2433444. Способ управления ползучестью алюминия марки А85. 2011. БИ № 31. Громов В.Е., Зуев Л.Б., Данилов В.И., Коновалов С.В., Филипьев Р.А.

7. Патент № 2441941. Способ изменения микротвердости изделия из технически чистого алюминия. 2012. БИ № 4. Громов В.Е., Зуев Л.Б., Данилов В.И., Коновалов С.В., Филипьев Р.А.

Физический семинар

На базе лаборатории физики прочности регулярно действует физический семинар. На его заседаниях обсуждаются оригинальные, реферативные и обзорные доклады сотрудников ИФПМ СО РАН и гостей Института по физике конденсированного состояния, металлофизике и материаловедению, физике и механике прочности и пластичности, философским вопросам естествознания. Заседания семинара проводятся еженедельно (среда, 15⁰⁰) в конференц-зале ИФПМ СО РАН (ауд. № 303 1-го корпуса Института). К настоящему времени проведено более 450 заседаний.

Руководитель семинара - д.ф.-м.н. Л.Б. Зуев (3822-49-13-60; lbz@ispms.tsc.ru), секретарь - д.ф.-м.н. С.А. Баранникова (3822-28-69-23; bsa@ispms.tsc.ru).

Некоторые темы докладов, обсужденных на семинаре:

1.    Е. Гликман, Израиль, Тель-Авивский университет. Механизмы жидкометаллического охрупчивания.

2.    Х. Ханнинен, Финляндия, Хельсинкский технологический университет. Водородное охрупчивание конструкционных материалов.

3.    И. Абрикосов, Швеция, Университет г. Линчёпинга. Моделирование и дизайн новых материалов.

Экспериментальная база лаборатории

Испытательные машины:

- Instron-1185, усилие 100 кН;

- Walter+Bai AG LFM-125, усилие 125 кН.

Микроскопы:

- атомный силовой микроскоп Solver PH47-PRO;

- микроинтерферометр Линника МИИ-4;

- микротвердомер ПМТ-3;

- металлографический микроскоп Neophot-21;

- высокотемпературная металлографическая установка «Ала-Тоо».

	Микроскоп Solver PH47-PRO 1 - блок подвода и сканирования, 2 - измерительная головка, 3 - блоки управления, 4 - виброизолирующая платформа, 5 - система видеонаблюдения
	Выделения третичного цементита по границам зерен в малоуглеродистой стали
	Цементит в эвтектоидной стали

Оригинальные приборы собственной разработки для исследований пластической деформации:

- лазерные измерительные комплексы ALMEC и ALMEC-tv для анализа полей векторов смещения при пластической деформации и исследований деформированного состояния объектов в режиме реального времени. Комплекс ALMEC-tv включен в «Перечень уникальных стендов и установок научных и образовательных организаций, а также уникальных объектов инфраструктуры науки и образования». В рамках программы «Импортозамещение» СО РАН комплексы ALMEC-tv в 2010 году поставлены в Институт горного дела СО РАН (г. Новосибирск) и Институт физико-технических проблем Севера СО РАН (г. Якутск).

Автоматизированный лазерный ком­плекс для цифровой обработки спекл-изображений ALMEC-tv Основные характеристики - точность измерения:      10-4; - размеры объекта: 1´1...350´350 мм; - оптическое разрешение: 2 мкм; - быстродействие: 50 измерений/с; - программно-аппаратная реализация: программный комплекс на основе PC,работающий под управлением ОС «Windows»; - режим измерения:  реально-временной.

- приборы для измерения скорости распространения и затухания продольных, поперечных и поверхностных ультразвуковых волн ASTR и ANDA, предназначенные для анализа структурных превращений при термической обработке, определения показателей прочности материалов неразрушающим методом, оценки остаточных внутренних напряжений в конструкциях и деталях машин и оценки уровня усталостной повреждаемости. Малая серия приборов ASTR поставлена в локомотивные депо ОАО «Российские железные дороги», где используется при капитальном ремонте магистральных локомотивов.

Прибор ультразвукового контроля структуры и свойств металлов ASTR Основные характеристики - рабочая частота 2,5 МГц; - точность измерения скорости звука 10-4; - масса прибора 2,2 кг.

Относительная скорость ультразвука как функция относительного действую­щего на­пря­жения при нагружении стали 40Х13: 1 - состояние поставки; 2 - закаленное состояние; 3 -отпущенное состояние

Некоторые исследования, выполненные лабораторией физики прочности

1.    Проекты фундаментальных исследований по Программам СО РАН

«Экспериментальная и теоретическая разработка автоволновой модели локализованной пластической деформации структурно-неоднородных материалов на мезо- и макромасштабных уровнях и ее приложений к определению критических состояний и оценке прочности, износостойкости и долговечности материалов и конструкций». 2007-2009.

«Иерархическое описание деформации и разрушения металлов, неметаллов и горных пород в разных условиях нагружения и принципы управления этими процессами с помощью внешних воздействий». 2010-2012.

«Экспериментально-теоретическое обоснование модели зарождения и развития локализованной пластичности и разрушения твердых тел с мультимасштабной структурой с учетом вкладов кристаллической решетки, ее дефектов и внешних факторов». 2013-2016.

2.    Проект Программы Президиума РАН

«Разработка модели пластического течения тел со структурой на основе многоуровневого подхода и данных о макро- и микроскопических механизмах деформации и разрушения». 2009-2014.

3.    Научное мероприятие Федеральной целевой программы

«Содержание уникальных стендов и установок» по теме: «Автоматизированный лазерный телевизионный измерительный комплекс для анализа напряженно-деформированного состояния объектов». Заказчик: Минпромнауки РФ. 2004.

4.    Проекты Российского фонда фундаментальных исследований

14-08-00299. «Механизмы упругопластического перехода в технических и модельных металлических сплавах. Многоуровневый подход».

11-08-00237. «Влияние напряженно-деформированного состояния при холодной деформации волочением на структуру и механические свойства проводов технических сверхпроводников магнитной системы термоядерных реакторов».

09-08-00498. «Разработка способов формирования структуры двухфазных ГПУ-ОЦК титановых сплавов на основе трансформации структурно-фазового состояния».

09-08-00213. «Влияние примесей внедрения на локализацию пластического течения и разрушение ГЦК и ГПУ сплавов».

08-08-99121-р_оф. «Разработка металлофизической основы конструктивной прочности реакторных материалов для обеспечения живучести, ресурса и экологической безопасности ядерных установок».

05-08-18248. «Разработка критериев живучести и разрушения на основе установления закономерностей локализации пластической деформации и распространения акустических сигналов».

5. Контракты, хозяйственные договоры

«Исследование структурной неоднородности полос стального горячекатаного проката и механизмов ее устранения». 2008-2009. Заказчик: Фирма «Siemens».

«Исследование структуры труб давления Æвн103,4´4,2 мм из сплава Zr-2,5%Nb». 2007. Заказчик: Чепецкий механический завод.

«Металловедческое обеспечение разработки технологии изготовления труб Ø16×2 мм из  ферритной стали 08Х14МФ». 2009. Заказчик: Чепецкий механический завод.

«Исследование свойств полуфабрикатов и труб из сплава Э110  оптимизированного состава». 2010. Заказчик: Чепецкий механический завод.

«Металловедческая проработка создания технологии производства биметаллических оболочек твэлов с внутренним подслоем из циркониевого сплава с субмикрокристаллической структурой». 2012. Заказчик: ВНИИНМ им. А.А. Бочвара.

Связь с университетами г. Томска

Д.ф.-м.н. Зуев Л.Б. - профессор кафедры теории прочности и проектирования Томского государственного университета;

д.ф.-м.н. Баранникова С.А. - профессор кафедры механики деформируемого твердого тела Томского государственного университета;

д.ф.-м.н. Данилов В.И. - профессор кафедры металлургии Юргинского технологического института Томского политехнического университета;

д.т.н. Семухин Б.С. - профессор кафедры охраны труда и окружающей среды Томского государственного архитектурно-строительного университета.

Кандидаты наук Лунев А.Г., Орлова Д.В., Шляхова Г.В., Надежкин М.В.  преподают на кафедрах Томского государственного университета, Томского государственного архитектурно-строительного университета, Томского политехнического университета, Северской технологической академии - филиале Московского инженерно-физического института.

Официальное признание

Зуев Л.Б. награжден медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» 2-й степени в 1999 г.; медалью «За заслуги перед Томским государственным университетом» в 2003 г., юбилейной медалью «400 лет городу Томску» в 2004 г.; юбилейной медалью «70 лет Томской области» в 2014 г.

Звание «Заслуженный ветеран Сибирского отделения РАН» присвоено Зуеву Л.Б.  в 2005 г., Данилову В.И. в 2010 г., Горбатенко В.В. в 2016 г.