Лаборатория прочности материалов

Знать свойство того или иного материала необходимо в любом направлении исследований, будь то нанотехнология, кристаллография или металловедение. Также важно понимать, как изменяются свойства материалов, когда они подвергаются различным воздействиям (сжатие, растяжение, нагрев и т.д.). Заведующий Лабораторией прочности материалов СПбГУ, профессор, доктор физ.- мат. наук А. Е. Волков рассказал, какими исследованиями занимаются сотрудники лаборатории.

В Лаборатории прочности материалов СПбГУ, что находится в здании математико-механического факультета, ведутся фундаментальные и прикладные исследования в области прочности, пластичности, разрушения и деформации материалов. Разрабатываются новые принципы упрочнения металлов и сплавов, проводятся испытания для определения механических свойств материалов и конструкций, осуществляется расчет остаточного ресурса стальных конструкций. При этом основным направлением научной деятельности лаборатории все эти годы являлось исследование сплавов с эффектом памяти формы (ЭПФ).

Всю область деятельности лаборатории в этом направлении можно разделить на экспериментальную, теоретическую и прикладную. Экспериментальные исследования сплавов с памятью формы (TiNi, TiNiCu, TiNiFe, CuMn, CuZnAl, CuAlMn,CuAlZn и др.) были направлены на изучение функционально-механических свойств, термомеханического поведения сплавов, особенностей и закономерностей внутреннего трения, структуры фаз, теплофизических свойства и т.д. Результаты отдельных направлений исследований практически не имеют аналогов. Так, например, в лаборатории обнаружены и исследованы такие явления, как эффект реверсивной памяти формы, деформация ориентированного превращения, эффект баромеханической памяти формы, управляемое демпфирование колебаний в сплавах с памятью. Цикл работ «Сплавы с памятью как рабочее тело тепловой машины» не имеет аналогов. Результаты этих и других экспериментальных исследований послужили основой при создании механики материалов с памятью формы и решении прикладных задач.

В области теории были созданы новые концептуальные модели, объясняющие наблюдаемые явления. Разработаны представления об обратимых носителях деформации в металлах, дрейфовая модель пластичности превращения, теория наследования дислокаций при мартенситных превращениях и двойниковании. Предложены простые реологические уравнения для расчетов термомеханического поведения материалов с ЭПФ. Наконец, создана «Структурно-аналитическая теория прочности» - методология, позволяющая производить моделирование не только функциональных свойств сплавов с памятью формы, но также процессов пластичности, ползучести и повреждаемости металлов.

Фундаментальные научные исследования легли в основу разработки передовых технологических приемов и проектирования действующих устройств с использованием материалов с памятью формы. Были созданы действующие модели тепловых двигателей, силовые приводы, домкраты, инструменты для лечения переломов тазобедренных костей и другие изделия для медицины.

Важное место занимает космическая тематика. Работы были направлены на создание технологий развертывания и сборки крупногабаритных конструкций, методов соединения различных элементов, на разработку устройств удержания и расчековки. Результаты этих работ были реализованы в проектах «Софора» и «Рапана». В проекте “Софора” (1991) использована разработанная в лаборатории технология сборки ферменных конструкций в открытом космосе с помощью термомеханических соединений: на внешней по­верхности станции «Мир» космонавтами С.Крикале­вым и А.Арцебарским осуществлен монтаж 15-ти метровой несущей фермы. Позднее на вершине фермы "Софора" была установлена выносная двигательная установка, предназначенная для управления ориентацией станции. Ферменная конструкция эксплуатировалась в течение 10 лет вплоть до затопления станции в 2001 году, что продемонстрировало надежность и эффективность предложенных технических решений. В рамках программы “Рапана” разработана трансформируемая ферма длиной 5 м, которая была раскрыта на поверхности станции «Мир» из транспортного положения в рабочее с помощью десяти ЭПФ - приводов. Кроме того, было сконструировано устройство расчековки с проволочным приводом из никелида титана, удерживавшее пакет с фермой в транспортном состоянии. Таким образом, разработанный комплекс технологий сборки, развертывания, удержания и расчековки крупногабаритных конструкций прошел успешную апробацию в условиях открытого космоса. Также материалы с памятью формы обладают высокими демпфирующими свойствами, в связи с этим они используются для виброзащиты различных космических аппаратов, в том числе космических телескопов или гироскопов.

Специалистами лаборатории была написана и запатентована компьютерная программа, которая рассчитывает деформацию функционального материала (никелит титана и др. сплавы).

Одним из наиболее интересных видов исследований лаборатории является метод акустической эмиссии. Проще говоря, необходимо услышать то, что сам материал говорит о своем состоянии. Как доктор слушает больного и по звуку дыхания определяет его самочувствие, так и мы, растягивая или сживая металл, с помощью специального устройства, слушаем, как он реагирует на подобные воздействия, и пытаемся понять, в каком состоянии прибывает материал. В принципе, звук материала может услышать любой человек, который имеет специальную аппаратуру, а вот понять, что он значит, пока не может никто. Сейчас происходят определенные подвижки в данном направлении. Специалисты Лаборатории прочности материалов СПбГУ начинают не только слышать материал, но и понимать, что значит тот или иной звук. Приведем такой пример. К нам в лабораторию обратились люди, занимающиеся конструкционными сталями. Видов подобной стали очень много и различаются они по определенным маркам. Сотрудники лаборатории, прослушивая материал, приблизились к пониманию, «уставшая» сталь или нет. Если нам дают два материала, один испытал 20000 деформаций, другой свежий, то специалисты нашей лаборатории услышат, какой был испытан, а какой нет. Это дает возможность вести неразрушающий контроль – одно из главных направлений современной технической мысли. Фактически происходит так: подходит человек, прослушивает деталь и определяет, необходима ей замена или нет.

Кроме того сотрудники лаборатории занимаются организацией конференций. В Санкт-Петербурге проводится постоянный семинар «Актуальные проблемы прочности», Петербургские чтения по проблемам прочности. Также существует секция прочности и пластичности материалов имени академика Н.Н. Давиденкова в «Доме ученых». Благодаря сотрудникам Лаборатории прочности материалов СПбГУ, в сентябре 2012 года в Санкт-Петербурге состоится событие мирового масштаба. Впервые на территории нашей страны состоится European Symposium On Martensitic Transformations (ESOMAT 2012). Это мировой форум материаловедов, куда съезжаются все ученые, занимающиеся изучением свойств материалов. Проведение данного мероприятия в Санкт-Петербурге принесет пользу заинтересованным ученым, студентам и аспирантам России. Сотрудники Лаборатории прочности материалов СПбГУ приглашают желающих посетить симпозиум.

В конце разговора Александр Евгеньевич Волков отметил, что работ ведется много: фундаментальных, экспериментаторских, прикладных. Хочется заострить внимание на том, то Лаборатория прочности материалов СПбГУ открыта для любых контактов, будь то совместный эксперимент или прикладное направление. Сотрудники лаборатории богаты лишь своими знаниями, опытом и большой экспериментальной базой. Этим богатством мы готовы поделиться со всеми.