Лаборатория физической мезомеханики и неразрушающих методов контроля

Краткая историческая справка о подразделении

В 1982г. В Томской школе физики твёрдого тела и материаловедения были сформулированы и опубликованы 2 концептуально новых положения в области пластичности и прочности твердых тел:

1. Структурные уровни деформации твердых тел (Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г.  Изв. вузов. Физика. - 1982. - Вып. 25. - № 6. - С. 5-27.)

2. Атом-вакансионные состояния в кристаллах (Панин В.Е., Егорушкин В.Е., Хон Ю.А., Елсукова Т.Ф. Изв. вузов. Физика.- 1982.- т.25.- №12.-с. 5-28 ).

Предлагалась принципиально новая методология в описании пластической деформации и разрушения твёрдых тел. Она качественно отличалась от существующих представлений в механике сплошной среды и теории дислокаций  и на первых порах вызвала резко негативную реакцию. Потребовалось более четверти века, чтобы на основе убедительных теоретических и экспериментальных исследований обосновать новую парадигму пластичности и прочности твердых тел и получить её признание. Это и было основным научным направлением созданного в Томске в 1984 году нового Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Академии Науке СССР.

Различные подразделения молодого Института распределились по решению наиболее актуальных задач перспективного научного направления от его методологии до прикладных разработок новых материалов и технологий.

Области исследований, направления фундаментальных исследований

Физическая мезомеханика материалов и наноматериалов, наноматериаловедение, диагностика наноструктурных материалов

Задачи, решаемые в рамках этих направлений

Перед лабораторией физической мезомеханики материалов и неразрушающих методов контроля были поставлены следующие задачи:

1.   Сформулировать и обосновать основные методологические принципы физической мезомеханики.

2.   Разработать новые методы экспериментального исследования закономерностей и механизмов пластической деформации и разрушения на мезомасштабных структурных уровнях иерархически организованных твердых тел.

3.   Показать важную функциональную роль планарной подсистемы (поверхностные слои и внутренние границы раздела) в зарождении и развитии пластической деформации и разрушения твёрдых тел.

4.   Привлечь неравновесную термодинамику для самосогласованного описания образования дефектных субструктур на различных масштабных уровнях вплоть до разрушения деформируемого твердого тела.

5.   Исследовать термодинамическую природу локальных структурных превращений при зарождении и распространении деформационных дефектов различного вида. Показать определяющую роль сильновозбужденных состояний в локальных зонах кривизны решетки и  гидростатического растяжения в зарождении всех видов деформационных дефектов, включая трещины.

6.   На основе многоуровневого подхода физической мезомеханики разрабатывать новые материалы с наноструктурными подсистемами и решать актуальные прикладные задачи: неразрушающие методы контроля, критерии усталостного разрушения, механизмы изнашивания материалов на поверхностях трения, упрочнение поверхностных слоев и нанесение упрочняющих покрытий с целью повышения прочности, износостойкости и усталостной долговечности конструкционных, инструментальных и функциональных материалов.

Поставленные перед лабораторией задачи можно было решать только в условиях тесного комплексирования с другими лабораториями института: теоретиками, экспериментаторами, технологами, а также с другими институтами. Эффективность такого комплексирования представлена в разделах «важнейшие научные результаты» и «важнейшие публикации». Организационно это представлено в виде выполнения комплексных программ СО РАН, Интеграционных проектов СО РАН, проектов Президиума и Отделений РАН, проектов РФФИ, проектов Президентской поддержки томской научной школы, а также проектов ФЦП. Из крупных прикладных работ следует особо отметить сотрудничество с ФГУП ВИАМ, ОКБ Сухого, Центром Келдыша.

Состав подразделения
Общая численность 20 человек, в том числе:
- 2 доктора наук,
- 11 кандидатов наук,
- 4 аспиранта,
- 8 молодых научных сотрудников (до 33 лет)

Важнейшие научные результаты

Под руководством академика В.Е. Панина создано и развивается новое научное направление - физическая мезомеханика материалов, которое органически объединяет механику сплошной среды (макроуровень), физику пластической деформации (микроуровень) и физическое материаловедение.

1. Сформулированы, теоретически и экспериментально обоснованы основополагающие принципы физической мезомеханики: описание деформируемого твёрдого тела как иерархически организованной многоуровневой системы, в которой поверхностные слои и внутренние границы раздела являются важной функциональной планарной подсистемой; единая природа всех механизмов пластической деформации и разрушения твёрдых тел, в основе которой лежит наномасштабный структурный уровень локальных структурных превращений; движение на мезоуровне трехмерных структурных элементов как целого по схеме «сдвиг+поворот»; корпускулярно-волновой дуализм пластического сдвига; разрушение как нелинейный волновой процесс глобальной потери сдвиговой устойчивости нагруженного твёрдого тела на макромасштабном уровне, когда термодинамический потенциал Гибса материала в зоне разрушения изменяет свой знак от «-» к «+» .

2. Развита неравновесная термодинамика деформируемого твердого тела как самосогласованной многоуровневой системы. На основе зависимости неравновесного термодинамического потенциала Гиббса F(v)от молярного объема v и многоуровневых структурных исследований показано, что все типы деформационных дефектов, включая трещины, зарождаются как локальные структурные или структурно-фазовые превращения в зонах гидростатического растяжения различного масштаба, в которых возникают сильновозбужденные состояния и коллективные конфигурационные возбуждения. Зарождение деформационных дефектов и трещин описывается законами неравновесной термодинамики. Механика создает для этого необходимые условия (образование зон кривизны решетки и гидростатического растяжения в градиентных полях неоднородных внутренних напряжений). Использование в механике неравновесной термодинамики позволяет строить обобщенную многоуровневую модель деформируемого твердого тела для любых материалов и в любых условиях нагружения.

3. Показано, что в наноразмерном диапазоне d<100нм вблизи нуля термодинамического потенциала Гиббса при d<30нм возникают предпереходные двухфазные наноструктурные состояния, в которых нанокристаллы с F(v) <0 окружены квазиаморфной фазой с F(v) >0. Такие состояния определяют особый класс наноструктурных материалов, которые лежат в основе наноинженерии. Материалы со структурой в диапазоне размеров [100-30] нм следует называть наноразмерными. Критерий d=100 нм физического обоснования не имеет.

4. Теоретически и экспериментально показано, что на интерфейсе двух разнородных сред в полях внешних воздействий возникает «шахматное» распределение нормальных и касательных напряжений, которое обусловливает формирование регулярного гофра интерфейса, изменение его состава, структуры и свойств, растрескивание и расслоение многослойной системы, повышение ее химической и каталитической активности. Обосновано сильное влияние на все указанные эффекты наноструктурирования интерфейсов. Сформулированы принципы конструирования интерфейсов в многослойных наноструктурных покрытиях различного функционального назначения и на внутренних границах раздела в гетерогенных конструкционных материалах, которые определяют ресурс их работы в экстремальных условиях нагружения. Разработаны нанотехнологии формирования многослойных наноструктурных упрочняющих, защитных и функциональных покрытий.  Совместно с и центром Келдыша разработаны многослойные наноструктурные теплозащитные покрытия для ракетно-космической техники, способные эффективно работать в экстремальных условиях высокотемпературных плазменных потоков.

5. Проведен комплексный анализ физической природы измельчения кристаллической структуры металлических материалов при их интенсивной пластической деформации (ИПД), включая термодинамические основы сильно неравновесных состояний, эволюцию сильно неоднородного напряженно - деформированного состояния  и структурно - кинетические аспекты. Сделано общее заключение, что измельчение структуры при ИПД связано с фрагментацией кристаллографических ламелей между мезо - и макрополосами локализованной деформации. Предельные размеры измельчения структуры определяются структурно-масштабными уровнями полосовых структур, градиентными полями неоднородных внутренних напряжений и кинетическими условиями термодинамических процессов возврата, включая холодную динамическую рекристаллизацию, в сильно неравновесных зонах полосовых структур.

6. Обоснована принципиально новая концепция о фундаментальной роли локальной кривизны решетки в пластической деформации и разрушении твердых тел. Все типы деформационных дефектов рассматриваются как солитоны кривизны различных масштабных уровней, которые зарождаются в зонах кривизны решетки и предотвращают их рост до критической величины, когда кристалл испытывает структурно-фазовый распад и разрушается. Пластическая деформация рассматривается как эволюция динамической системы самоорганизованной критичности, которая связана с масштабным уровнем кривизны решетки.

7. Разработана принципиально новая модель пластической деформации и разрушения твердых тел, связанная с их эволюцией к самоорганизованной критичности, определяемой самосогласованием всех мезомасштабных уровней кривизны решетки. На ее основе разработаны методы создания иерархических мезосубструктур в диапазоне [макро¸нано] масштабов, которые многократно повышают в конструкционных материалах низкотемпературную ударную вязкость, усталостную долговечность и исключают их хладноломкость.

Разработки

Технология электронно-лучевой порошковой металлургии   3D печати и наплавки износостойких покрытий

Проекты, гранты, договора

1. Программа СО РАН Приоритетное направление III.23. проект № III.23.1.1." Мезомеханика самоорганизации процессов в мультискейлинге нелинейных иерархических структур и научные основы аддитивных технологий создания многослойных материалов " 2017- 18 годы.

2. Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ № НШ-10186.2016.1 «Научные основы новых производственных технологий создания многослойных керамических и металлокерамических материалов, технологий повышения хладостойкости и ресурса работы материалов, работающих в экстремальных условиях». 2016-2017 г.г.

3. Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ № НШ-2817.2014.1 «Разработка подходов и методов нелинейной механики к конструированию многослойных наноструктурных покрытий с высокой диссипативной способностью для работы в экстремальных условиях нагружения», (руководитель научной школы академик В.Е.Панин). 2014-2015 г.г.

4. Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых и по государственной поддержке ведущих научных школ № НШ-6116.2012.1 «Научные основы формирования заданных функциональных свойств наноструктурированных систем и разработка методов наноструктурирования рабочих поверхностей конструкционных материалов для повышения их усталостной прочности и долговечности», (руководитель научной школы академик В.Е.Панин). 2012-2013 г.г.

5. Проект «Наноструктурирование и модификация поверхностных слоев ответственных узлов машин, механизмов и сварных соединений с целью повышения их хладостойкости и коррозионной стойкости» программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации». 2014-2017 г.г..

6. Хоздоговор с ОАО «ОКБ Сухого» «Упрочнение поверхностных слоев элементов конструкций, выполненных из конструкционных сталей и титанового сплава для увеличения усталостных характеристик». 2008-2014 г.г.

7. Интеграционный проект СО РАН № 4 «Научные основы технологий создания однородно распределенной кривизны кристаллической решетки в конструкционных материалах и их сварных соединениях, получения эффекта демпфирования в структуре 3D-кристаллической и 2D-планарной подсистем, обуславливающего кратное возрастание ударной вязкости, усталостной долговечности, износостойкости и хладостойкости материалов». Руководитель Панин Е.Е. (2018-2020)г

8. Проект № 17-01-00691 РФФИ "Фундаментальная роль механизма пластической дисторсии в поле смещений атомов в зонах  кривизны  кристаллической  решетки  в  нелинейной  механике  пластической деформации и разрушения" Руководитель Панин Е.Е. (2017-2019)г

9. Проект №16-48-700257р_а РФФИ «Повышение характеристик прочности и хладостойкости низкоуглеродистой трубной стали путем формирования улучшенной микроструктуры после ее термомеханической обработки большими пластическими деформациями».  Руководитель Деревягина Л.С. (2016-2018)г

10. Проект № 18-08-00489 РФФИ "Разработка технологии упрочнения конструкционной нержавеющей стали путем интенсивной пластической деформации и старения для ее эксплуатации в условиях Крайнего Севера " Руководитель Сурикова Н.С. (2018-2020)г

11. Проект № 13-08-01404_а РФФИ «Разработка новых инженерных методов определения вязкости разрушения материалов в субмикрокристаллическом состоянии на основе данных испытаний малоразмерных образцов с шевронным надрезом» Руководитель Дерюгин Е.Е. (2013-2016)

12. Проект № 17-08-00377_а РФФИ «Разработка модели разрушения поликристаллических образцов с шевронным надрезом на основе решения обратной задачи с использованием метода элементов релаксации» Руководитель Дерюгин Е.Е. (2017-2019)

13. International Trilateral Cooperation Project № a.Z.90355 funded by Volkswagen Foundation "Optimization of fracture toughness of ceramic composites". Head of project prof. S. Schmauder (2016-2018)

14. Грант ДФГ (Немецкое научно-исследовательское сообщество) на укрепление международного научного сотрудничества номер SCHM 746/213-1 «Skalenübergreifende Untersuchung der Rekristallisationsmechanismen beim Bruch von Nickelbasis-Superlegierungen» («Многоуровневое исследование механизмов рекристаллизации при разрушении никелиевых суперсплавов»)

Руководитель проф. Шмаудер, к.ф.-м.н. Моисеенко Д.Д.

Важнейшие публикации

1. Главы в монографии «Handbook of Mechanics of Materials», Springer, ISBN 978-981-10-6885-0, doi: 10.1007/978-981-10-6855-3_72-1

2. Панин В.Е. Физическая мезомеханика материалов / отв. ред. С.Г. Псахье.- Томск: Издательский дом Томского государственного университета, 2015.- Т. 1.- 462 с. ISBN978-5-94621-504-6.

3.Панин В.Е. Физическая мезомеханика материалов / отв. ред. С.Г.Псахье. -Томск: Издательский дом Томского государственного университета, 2015. -Т. 2. -464 с. ISBN978-5-94621-505-3.

4. Панин В.Е., Сергеев В.П., Панин А.В. Наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурных покрытий. - Томск: Изд. ТПУ, 2008. - 150 с.

5. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах /  отв. ред. В. Е. Панин ; Рос. акад. наук, Сиб. отд-ние, Ин-т физики прочности и материаловедения. - Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2006. - 520 с. - (Интеграционные проекты СО РАН; вып. 8).

6. В.Е. Панин, А.В. Панин, Т.Ф. Елсукова. Фундаментальная роль кривизны кристаллической структуры в пластичности и прочности твердых тел // Физическая мезомеханика. 17, №6 (2014).

7. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Попкова Ю.Ф. Почивалов Ю.И., Сундер Р. Влияние структурного состояния поверхностных слоев образцов технического титана на их усталостную долговечность и механизмы усталостного разрушения // Физическая мезомеханика - 2014. - Т.17. - №4. - С. 5-12.

8. Кибиткин В.В., Солодушкин А.И., Плешанов В.С., Чертова Н.В. Критерии идентификации вихревых структур в деформируемом твердом теле // Физическая мезомеханика. - 2013. - Т. 16. - № 2. - С. 53-63.

9. Кузнецов П.В., Петракова И.В., Гордиенко Ю.Г., Засимчук Е.Э., Карбовский В.А.. Образование самоподобных структур на фольгах монокристалла алюминия {100} <001> при циклическом растяжении. //Физическая мехомеханика. - 2007.- Т.10.- №.6.- С.33-42.

10. Panin V.E., Egorushkin V.E., Moiseenko D.D. et al. Functional role of polycrystal grain boundaries and interface in micromechanics of metal ceramic composites under Loading // Comput. Mater. Sci. - 2016.  - Vol. 116. - P. 74-81.

11. V.E. Panin,V.E. Egorushkin, N.S. Surikova, Yu.I. Pochivalov. Shear bands as translation-rotation modes of plastic deformation in solids under alternate bending //Materials Science and Engineering A, - 2017. - V. 703. - Р. 451-460.

12. Kibitkin V.V., Solodushkin A.I., Pleshanov V.S., Napryushkin A.A. On a choice of input parameters for calculation the vector field and deformation with DIC // Measurement. - 2017. - V. 95. - P. 266-272.

13. Moiseenko D., Maruschak P., Panin S., Maksimov P., Vlasov I., Berto F., Schmauder S. and Vinogradov A. Effect of Structural Heterogeneity of 17Mn1Si Steel on the Temperature Dependence of Impact Deformation and Fracture // Metals (2017), 7(7), 280; doi:10.3390/met7070280

14. Деревягина Л.С., Корзников А.В., Сурикова Н.С., Гордиенко А.И. Структурные изменения в стали 12ГБА в процессе интенсивной теплой прокатки и сопротивление хрупкому разрушению при отрицательных температурах // Металловедение и термическая обработка металлов. 2017. №11. С.48-55.

15. Наркевич Н.А., Шулепов И.А., Миронов Ю.П. Структура, механические и триботехнические свойства аустенитной азотистой стали после фрикционной обработки // ФММ. 2017. Т. 118. № 4. С. 421-428.

16. Панин В.Е. , Егорушкин В.Е. Масштабная инвариантность пластической деформации планарной и кристаллической подсистем твердых тел в условиях сверхпластичности  // Физическая мезомеханика - 2017.- Т. 20. - № 1. -С. 5-13.

17. Панин В.Е., Панин А.В., Почивалов Ю.И., Елсукова Т.Ф., Шугуров А.Р. Масштабная инвариантность структурных трансформаций при пластической деформации наноструктурных твердых тел // Физическая мезомеханика - 2017. - Т. 20. - № 1. - С. 57-71.

18. Панин В.Е., Пинчук В.Г., Короткевич С.В., Панин С.В.. Масштабная инвариантность кривизны кристаллической решетки на поверхностях трения металлических материалов как основа механизма их изнашивания тел // Физическая мезомеханика - 2017. - Т. 20. - № 1. - С. 72-81.

19. Панин В.Е., Моисеенко Д.Д., Максимов П.В., Панин С.В.. Эффекты пластической дисторсии в зоне кривизны кристаллической решетки в вершине трещины // Физическая мезомеханика - 2017. - Т. 20. - № 3. - С. 40-50.

20. Кузнецов, Т. В. Рахматулина, И. В. Беляева, А. В. Корзников Энергия внутренних границ раздела как характеристика эволюции структуры ультрамелкозернистых меди и никеля после отжига// ФММ, 2017, T. 118, № 3,C. 255-262.

Список патентов

1. Патент RU2 608 858 опубликовано в БИПМ № 3, 25.01.2017  Стекло с оптически прозрачным защитным покрытием и способ его изготовления. // Панин В.Е., Псахье С.Г., Сергеев В.П., Свечкин В.П., Соловьев В.А., Чернявский А.Г., Чубик П.С.

2. Патент RU 97863, опубликовано в БИПМ № 26, 20.09.2010 // Дураков В.Г., Дампилон Б.В., Рау А.Г. Электронно-ионный источник. Патентообладатель: ИФПМ СО РАН.

3. Евразийский патент № 00457, опубликовано в Бюллетене евразийских патентов 24.06.2004 г. // Н.К.Гальченко, С.И.Белюк, В.П. Самарцев, В.Е. Панин, В.Г. Дураков, В.А. Климёнов, Г.А. Прибытков Способ электронно-лучевой наплавки.

4. Патент № 2494154 «Способ обработки изделий из высокоуглеродистых легированных сплавов», (авторы: Дампилон Б.В., Дураков В.Г., Зиганшин А.И.), опубликовано: 27.09.2013, Бюл. № 27.

Ресурсы

Универсальная испытательная машина INSTRON 5582 (максимальная нагрузка 100 kN) - испытания материалов на растяжение, изгиб, сжатие при комнатной температуре; гидравлическая испытательная машина SCHENK SINUS 100.40 (максимальная нагрузка 100 kN) - испытания материалов на усталостную прочность, растяжение, изгиб, сжатие;
Оптико-телевизионный измерительный комплекс «Tomsс» для построения полей векторов смещений на поверхности нагруженного твердого тела с разрешением 10⁵ векторов/мм² - прямые наблюдения за развитием процессов деформации и разрушения с измерением полей векторов смещений и расчетом компонент деформации и главного пластического сдвига;
Рентгеновский дифрактометр общего назначения ДРОН 4 - решение широкого круга аналитических, технологических и научно-исследовательских задач в материаловедении; растровый электронный микроскоп Tesla BS-300 (разрешение 10 нм) - исследование поверхности проводящих и диэлектрических объектов в режимах вторичных и отраженных электронов с большой глубиной фокуса;
Просвечивающий электронный микроскоп JEM 100 CX II - исследование микроструктуры тонких объектов с высоким разрешением; металлографический оптический микроскоп Karl Zeiss Axiovert 20 CA - визуальное наблюдение и фотосъемка микроструктуры металлов, сплавов и других непрозрачных объектов в отраженном свете при прямом освещении в светлом и темном поле.

Электронно-лучевые установки ЭЛУ9 и ЭЛУ5 для электронно-лучевой наплавки и 3D печати.

Связь с вузами

Буякова С.П. - профессор НИ ТПУ.

Кузнецов П.В. - доцент НИ ТПУ

Общественное признание

1.  Научное открытие «Явление взаимного массопереноса контактирующих твердых металлических веществ при импульсном воздействии», диплом №322 от 26.01.07 Международной академии авторов открытий и изобретений. Авторы открытия Авраамов Ю.С, Калашников Н.П., Кошкин В.И., Панин В.Е., Шамшев К.Н., Шляпин А.Д.

2. Премия им. Акад. В.А. Коптюга, СО РАН - НАНБ, в 2002г. Присуждена Панину В.Е., Белюку С.И., Шаркееву Ю.П., Колубаеву А.В.

3. Академик Панин В.Е. избран  иностранным членом Национальной Академии Наук Украины и  Национальной Академии Наук Беларуси

4. Панин В.Е. Почетный гражданин города Томска.

5. Знак отличия «За заслуги перед Томской областью» (академик Панин В.Е.).

6. Памятная серебряная медаль в ознаменование 60-летия Сибирского отделения РАН  академик Панин В.Е, Плешанов В.С.

7. Премия им. Акад. М.А. Лаврентьева в 2009г. присуждена акад. Панину В.Е.

8. Почетная грамота РАН в 2010г. акад. Панину В.Е.

Интерференционный профилометр New View 6200

Интенсивное зернограничное проскальзывание проскальзывание перед разрушением конструкции при ползучести

Комплекс аддитивной технологии на базе электронно-лучевой установки

Механические испытания конструкционных материалов