Разработка нового высокоэффективного оборудования в энергетике, металлургии, космической, военной и некоторых других отраслях промышленности связана с проблемой эксплуатации материалов на пределе их возможностей. То есть – при повышенных температурах и значительных пластических деформациях. Понимание физических закономерностей и построение достоверных математических моделей деформации материалов в таких условиях – это довольно сложная, но выполнимая задача для ученных, изучающих свойства жаропрочных сплавов.
Команда исследователей Южно-Уральского государственного университета в течение двух лет участвовала в разработке РУГК (реакторной установки газовой космической) для проекта госкорпорации «Роскосмос» по созданию «Транспортно-энергетического модуля». Работа включала исследование деформационных свойств материалов и разработку методов расчета.
Инженер лаборатории физического моделирования термомеханических процессов ЮУрГУ, аспирант Сергей Самойлов, под руководством доктора технических наук, профессора Александра Чернявского в рамках проводимого исследования занимался изучением сплава на основе молибдена. Полученные результаты легли в основу проекта «Разработка математической модели циклически нестабильных материалов для применения в расчетах технологических, эксплуатационных и аварийных режимов деформирования конструкций».
«Я проанализировал имеющиеся в литературе данные и пришел к выводу, что использование некоторых относительно общих подходов позволяет отразить в рамках единой модели качественно различные проявления свойств материалов. Моей задачей является разработка такой математической модели», – рассказывает Сергей Самойлов.
Область научного интереса Сергея Самойлова – материалы, которые используются в конструкциях, рассчитываемых на относительно малое (до 1 000) число циклов до разрушения. Например, энергетические установки в космической промышленности. Существующие модели материалов плохо подходят для расчета таких конструкций: необходимо максимально точно описать деформирование материала в рамках имеющегося ресурса.
«Обычно энергетические установки рассчитывают на малоцикловую усталость. В данном случае мы попадаем в область от десятка до тысячи циклов. В англоязычной литературе сравнительно недавно появилось такое понятие как «ультра-малоцикловая усталость». Свойства материалов в таких условиях изучены достаточно плохо», – поясняет молодой ученый. В отечественной литературе не выделяют ультра-малоцикловую усталость как отдельный расчетный случай.
Цель работы аспиранта ЮУрГУ – получить математическую модель, которая позволит описывать материал в достаточно общих условиях. На стадии анализа литературы было обнаружено, что случай ультра-малоциклового воздействия более сложен, чем случай однократных или малоцикловых нагрузок. Он, во-первых, обобщает эффекты, характерные для последних, а во-вторых, дополняет эти два случая новыми эффектами, которых нет в стандартных расчетных случаях.
«В частности, при больших деформациях, характерных для ультра-малоциклового разрушения, для ряда материалов наблюдается аномальная кривизна диаграммы деформирования в цикле (зависимость напряжений от деформаций при циклическом воздействии), – приводит пример Сергей Самойлов. – Подобные эффекты могут приводить к неустойчивости деформирования конструкций: появлению зон локализации деформации в виде утонений, складок, коробления и т.п.. В настоящее время нет физически обоснованной модели, отражающей такой эффект. Я предполагаю, что модель, описывающая ультра-малоцикловые свойства, должна включать и его».
Помимо описанной выше аномалии деформирования, называемой в иностранной литературе «стагнацией деформационного упрочнения», для случая ультра-малоцикловой усталости характерна деградация упругих свойств: после предварительной деформации материала и последующей его деформации в обратном направлении может наблюдаться уменьшение значения модуля упругости. Это приводит к снижению жесткости в наиболее нагруженных зонах конструкций. Физического объяснения этому эффекту в настоящее время нет. Наработки Сергея Самойлова на данный момент позволяют учесть этот эффект.
«Физические модели, как правило, сложны и их невозможно адаптировать в полной мере к инженерным расчетам. Поэтому я в своей работе пытаюсь применить общие предпосылки физических моделей, совместив их с «феноменологическим» подходом (описывающим конкретное явление – «феномен») и таким образом получить достаточно простую для восприятия квалифицированным специалистом модель», – продолжает молодой инженер.
Конкурентным преимуществом работы Сергея Самойлова является наличие в ЮУрГУ необходимого для исследований высокотехнологичного оборудования, а также наличие серьезных научных школ металловедов и специалистов в области расчетов конструкций на прочность. Лаборатория физического моделирования термомеханических процессов ЮУрГУ оснащена симулятором Gleeble 3800. Таких аппаратов всего 8 в России и находятся они в Москве, Санкт-Петербурге, Магнитогорске. Пользуясь опытом наставников и собственным опытом в исследованиях, Сергей Самойлов намерен получить весомые научные результаты. Две статьи молодого ученого, посвященные исследованию, уже опубликованы в авторитетном научном журнале «Materials Science Forum», индексируемом в международной базе Scopus).