: 12 июл 2010 , "Мы выпили Сому, мы стали бессмертными..." , том 33,
№3
Путь в глубины твердого тела
Не так давно материаловедение было прерогативой химиков, однако пришло время, когда новые материалы стали конструироваться на базе фундаментальных представлений физики, механики, химии, биологии, математики, информатики - с использованием новейших компьютерных технологий. Неудивительно, что за последние десятилетия стало активно развиваться новое междисциплинарное научное направление - физическая мезомеханика материалов, которое окончательно сформировалось в томском Институте физики прочности и материаловедения СО РАН.
В новой науке деформируемое твердое тело описывается как иерархически организованная дефектная система, внутри которой в полях внешних воздействий развиваются согласованные процессы на нано-, микро- мезо- и макромасштабном уровнях. Использование подходов физической мезомеханики к изучению механических свойств различных материалов радикально продвинуло вперед представления ученых о пластичности и прочности твердых тел.
Фундаментальные знания о природе деформаций твердого тела, приводящих к его разрушению, сегодня применяются как для конструирования особо прочных материалов нового поколения, так и для создания неразрушающих методов их диагностики и контроля. Методология и научный аппарат новой науки, изначально разработанные для целей материаловедения, сегодня также успешно применяются в электронике, катализе и биологии
На стыке физики, механики, химии и материаловедения развивается новое научное направление – физическая мезомеханика материалов, описывающая деформируемое твердое тело как иерархически организованную дефектную систему, внутри которой в полях внешних воздействий самосогласованно развиваются процессы на нано-, микро- мезо- и макромасштабном уровнях. Разработанный научный аппарат и полученные фундаментальные знания применяются для конструирования материалов нового поколения и создания неразрушающих методов их диагностики и контроля, используются в электронике, катализе и биологии.
В Российской академии наук материаловедческие институты проходят по отделению химии и наук о материалах. Такое соседство не случайно. Исторически материаловедение было прерогативой химиков, открывших основные элементы периодической системы их великого коллеги Д. И. Менделеева.
Однако пришло время, когда новые материалы стали конструироваться на базе фундаментальных представлений физики, механики, химии, биологии, математики, информатики с использованием современных компьютерных технологий. В Сибирском отделении Академии наук такую перспективу хорошо видели изначально.
К середине прошлого века на базе Томского государственного университета и созданного при нем Сибирского физико-технического института сложилась крупная научная школа физиков-материаловедов, в которой на основе физики и механики деформируемого твердого тела развивались новые материаловедческие подходы, позволившие выйти на компьютерное конструирование материалов. Большую поддержку в этой работе оказывал Институт прикладной математики и механики при ТГУ, располагавший хорошей вычислительной базой.
В результате такого сотрудничества в материаловедении появилось новое междисциплинарное направление, окончательно сформировавшееся в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и известное сегодня в научном мире как физическая мезомеханика материалов.
Между микро- и макро-
Проблемы пластичности и прочности конструкционных материалов долгое время рассматривались исключительно в рамках механики сплошной среды, позволявшей решать широкий круг инженерных задач на макромасштабном уровне. Однако материаловеды хорошо понимали, что макромеханические характеристики связаны с внутренней структурой материала, влияющей на механизмы пластического сдвига, зарождение трещин и разрушение материала. Решение подобных проблем было уже прерогативой физиков, исследовавших процессы деформации и разрушения на уровне кристаллической структуры твердых тел.
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ МЕЗОМЕХАНИКИВажно отметить, что для описания поведения фрагментированного кристалла вместо сложных дислокационных ансамблей можно использовать уравнения мезомеханики. Движение отдельных дислокаций учитывается как аккомодационный процесс на основе полевой теории дефектов
Теоретические модели этих явлений разрабатывались физиками до середины ХХ в., когда произошел подлинный прорыв в микромир в результате использования просвечивающей электронной микроскопии при исследовании тонкой структуры кристалла. Обнаружение дефектов кристаллической структуры, названных дислокациями, стало революцией в физике твердого тела, определившей развитие науки о пластичности и прочности твердых тел на следующие полвека. Выяснилось, что именно поведение дислокаций, возникающих под действием приложенного к кристаллу напряжения, определяет его пластическую деформацию.
Иерархическое самосогласование всех масштабов деформационных дефектов, включая трещины, описывается на основе зависимости термодинамического потенциала Гиббса от молярного объема материала с учетом локальных зон гидростатического растяжения, где зарождаются дефекты. Образование трещин в таких зонах обусловлено возникновением в них наноструктурных состояний, которые характеризуются наличием квазиаморфных прослоек с положительным термодинамическим потенциалом Гиббса.
Наномасштабному уровню отводится базовая роль в определении природы структурных превращений, связанных с образованием деформационных дефектов. С приближением F(ν) к нулю в неравновесном материале возникают двухфазные предпереходные наноструктурные состояния, составляющие основу наноинженерии
Вслед за этим перед теоретиками встала новая задача – рассчитать поведение сложных дислокационных ансамблей в деформируемом твердом теле и связать их с макромеханическими характеристиками. Однако все подобные попытки оказались безуспешными. Четверть века назад томские ученые доказали принципиальную невозможность прямого перехода от теории дислокаций к механике сплошной среды (от микромасштабного структурного уровня сразу к макромасштабному). Более того, было показано, что для корректного описания трансформации внутренней структуры деформируемого твердого тела необходимо введение целой иерархии промежуточных мезомасштабных структурных уровней.
Физическая мезомеханика материалов пошла по пути использования неравновесной термодинамики для описания дефектных подсистем разномасштабных уровней и полевой теории дефектов в деформируемом твердом теле. В современном наноструктурном материаловедении альтернативы такому подходу не существует.
Новая наука – новое знание
Использование подходов физической мезомеханики к изучению механических свойств различных материалов радикально продвинуло представления ученых о пластичности и прочности твердых тел. Отметим ряд основополагающих результатов, полученных в этой области при представлении деформируемого твердого тела в виде самосогласованной многоуровневой системы.
Любая система нормально функционирует только в рамках той структуры, которая отведена ей природой. Нарушение структуры и функциональных возможностей системы неизбежно приводит к ее полной деградации.
В этом плане общность термодинамической природы эволюции дефектной подсистемы в деформируемом кристалле и развитие онкологической болезни в живом организме совершенно очевидна. Прорастание фрагментируемого кристалла дефектными прослойками в процессе деформации подобно метастазам раковой опухоли. При определенной концентрации дефектных прослоек значение термодинамического потенциала, соответствующее локальной стабилизации кристалла, становится положительным. В таком состоянии кристалл существовать не может: в дефектных прослойках развиваются поры и несплошности, приводящие к его разрушению. Другими словами, растущая плотность дефектов ведет к увеличению молярного объема и неравновесности деформируемого кристалла, обрекая его на разрушение
1. Деформационные дефекты не могут возникать в однородно нагруженном равновесном кристалле из-за невозможности в нем локальных структурных превращений. Все виды деформационных дефектов зарождаются в локальных зонах гидростатического растяжения различного масштаба, возникающих в неоднородном поле внутренних напряжений при любом виде нагружения (растяжении, сжатии, изгибе, кручении и т. д.).
2. Волновая природа потоков дефектов на микро- и мезомасштабном уровнях системы обусловливает корпускулярно-волновой дуализм пластических сдвигов в деформируемом твердом теле.
3. На границе раздела двух значительно разнящихся по составу и(или) структуре материалов системы возникает «шахматное» распределение чередующихся зон сжимающих и растягивающих нормальных напряжений. Однако только в зонах растягивающих нормальных напряжений могут зарождаться пластические сдвиги. Это объясняет локализацию пластического течения, наблюдаемую на различных масштабных уровнях (эффект каналирования пластической деформации).
4. При возникновении на границе раздела покрытия и кристаллической подложки эффекта «шахматной доски» потоки поверхностных дефектов распространяются только по зонам гидростатического растяжения, формируя полосы локализованной деформации в виде двойных спиралей, где зарождаются усталостные трещины.
5. Эффект «шахматной доски» особенно сильно проявляется при деформации многослойных покрытий, приводя их к постепенному разрушению под воздействием внешних полей (тепловых, механических, электромагнитных и др.).
Материальные плоды
В 2007 г. коллектив ученых из Московского государственного индустриального университета, Центрального НИИ химии и механики, ИФПМ СО РАН получил диплом на открытие «Явление взаимного массопереноса контактирующих твердых металлических веществ при импульсном воздействии». По сути, это означает признание нового направления в создании неизвестных прежде композиционных материалов из несмешивающихся компонентов, которое может быть обосновано только с помощью физической мезомеханики.
«НАУКА из первых рук» уже писала об исследованиях в области высокоэффективных теплозащитных покрытий для сопла ракетного двигателя, проводившихся учеными из ИФПМ СО РАН и Исследовательского центра им. М. В. Келдыша (Москва). Теперь этим коллективом созданы новые «умные покрытия» (smart coatings), в которых термические напряжения способны обратимо реагировать на изменения параметров плазменного потока.
Эффект «шахматной доски» на границах раздела разнородных сред успешно используется в совместной работе ученых и самолетостроителей для повышения усталостной прочности конструкционных материалов и их сварных соединений. В поверхностном слое циклически нагружаемой конструкции возникают замкнутые петли каналированной пластической деформации, которые, согласно упомянутому эффекту, проходят по клеткам с растягивающими нормальными напряжениями. Чем крупнее эти клетки, тем больше диаметр петель и тем раньше в них начинают развиваться трещины усталостного разрушения.
Превентивное наноструктурирование поверхностного слоя конструкционного материала позволяет существенно измельчить структуру «шахматного» распределения напряжений в этой области и задержать развитие усталостного разрушения конструкции.
С развитием нанотехнологий все большее внимание уделяется созданию новых материалов путем «сборки снизу», когда наночастицы с аморфной оболочкой специальными методами консолидируются в объемные наноструктурные материалы. Физическая мезомеханика показывает, что на поверхностях трения также создаются условия для образования наночастиц и их консолидации «сборкой снизу».
Частицы износа на поверхностях трения образуются в результате высокоэнергетических воздействий на материал. Это позволяет в контролируемых условиях трения формировать наночастицы износа заданного состава и консолидировать их в поверхностном слое материала. Таким образом, в ходе изнашивания происходит «самоупрочнение» конструкции за счет образования в ее поверхностном слое частиц тугоплавких и высокопрочных соединений.
Сегодня в наноструктурном материаловедении исключительно актуальна проблема создания неразрушающих способов диагностики и контроля, поскольку используемые для этих целей традиционные промышленные технологии неприменимы к наноматериалам в силу их малой пластичности и термодинамической нестабильности. Эти работы проводятся ИФПМ СО РАН совместно с ОКБ Сухого также на основе физической мезомеханики материалов.
Литература
Панин В. Е., Панин А. В., Моисеенко Д. Д. «Шахматный» мезоэффект интерфейса в гетерогенных средах в полях внешних воздействий // Физическая мезомеханика. 2006. Т. 9, № 6. С. 5—15.
Панин В. Е., Егорушкин В. Е. Неравновесная термодинамика деформируемого твёрдого тела как многоуровневой системы. Корпускулярно-волновой дуализм пластического сдвига // Физическая мехомеханика. 2008. Т. 11, № 2. С. 9—30.
Панин В. Е., Егорушкин В. Е. Физическая мезомеханика и неравновесная термодинамика как методологическая основа наноматериаловедения // Физическая мехомеханика. 2009. Т. 12, № 4. С. 7—26.
Physical mesomechanics of heterogeneous media and computer-aided design of materials / Ed. by V. E. Panin.-Cambridge: Cambridge Interscience Publishing, 1998. 339 p.
Чайкина М. В. Механохимия природных и синтетических апатитов. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО». 2002. 218 с.
Панин В. Е., Сергеев В. П. Наноструктурные покрытия: эффект «шахматной доски» // НАУКА из первых рук. 2007. № 2. С. 42—44.
Панин В. Е., Сергеев В. П. Нано для космоса // НАУКА из первых рук. 2009. № 3. С. 18—19.
: 12 июл 2010 , "Мы выпили Сому, мы стали бессмертными..." , том 33,
№3 
