Первым пленарным докладом на Международной научной конференции по физической мезомеханике, которая была посвящена 90-летию основателя этого направления академика Виктора Панина, должен был стать доклад самого юбиляра о новых материалах для Арктики. Этой темой он занимался более пятнадцати лет. Но незадолго до форума Виктор Евгеньевич ушел из жизни, и о промежуточных итогах этой работы рассказал один из двух его сыновей – профессор Сергей Панин, заведующий лабораторией механики полимерных композиционных материалов Института физики прочности и материаловедения СО РАН. Исследования, которыми руководил В.Панин, проводились в рамках специальной арктической программы РАН. Они имеют комплексный характер и призваны решить широкий спектр проблем, связанных с созданием новых материалов и улучшением их характеристик в жестких условиях эксплуатации. 

Хрупкая сталь 

Проблему можно рассмотреть на примере газопровода, проходящего через территории, где столбик термометра способен опускаться до экстремально низких отметок. Если в умеренных климатических широтах обычные металлы могут надежно эксплуатироваться в течение всего гарантийного срока, несколько десятилетий, то в условиях Арктики требуются материалы с гораздо большим запасом прочности. Попробуем разобраться и описать происходящие процессы. 

Ключевой вопрос в данном случае – ударная вязкость, то есть сопротивление материала разрушению, в данном случае при низкой температуре испытаний. И здесь обнаруживается следующее: низколегированные стали, из которых, как правило, изготавливаются многокилометровые трубопроводы, при понижении температуры до минус 30-40 градусов Цельсия демонстрируют значительное снижение ударной вязкости, то есть становятся хладноломкими. При достижении порога хладноломкости трещина, возникающая в материале, развивается со стремительной скоростью, что приводит к разрушению элементов конструкций. 

Прежде чем предложить способы решения проблемы, принципиально важно выяснить, с чем это связано, изучить процессы деформации и разрушения в условиях низких арктических температур. В этом может помочь только многоуровневый иерархический подход. Как пояснил С.Панин, факт разрушения материала легко различим лишь на макроуровне (для конкретных конструкций или изделий), где он обнаруживается невооруженным глазом. Однако процесс необратимой деформации начинается намного раньше и на более низких уровнях – мезо и нано. Поэтому в первую очередь требуется сфокусироваться именно на них. 

Меняем кривизну решетки 

Известно, что проблема низкотемпературного охрупчивания характерна для материалов, имеющих так называемую объемно-центрированную кристаллическую решетку. Для материалов с другими типам решетки (гранецентрированной и гексагональной плотноупакованной) проблема хладноломкости не стоит столь остро. Академик В.Панин предложил новаторскую идею – модифицировать материал на наноуровне путем целенаправленного изменения степени кривизны его кристаллической решетки. В таком случае даже материал с исходной объемно-центрированной решеткой будет эффективно сопротивляться ударному разрушению. 

Из спектра существующих технологий одной из экономически доступных и наиболее эффективных является метод поперечно-винтовой прокатки. В результате подобного воздействия при правильно подобранных режимах в широком спектре материалов, в том числе и целом ряде конструкционных сталей, может быть успешно изменена кривизна кристаллической решетки. Это также позволяет существенно повысить сопротивление усталостному разрушению. Иными словами, в процессе ударного нагружения материал оказывается способным обратимо менять форму, не переходя в пластически деформированное состояние. Это позволит избежать серьезных сбоев в эксплуатации конструкции и предотвратить ее выход из строя. 

– Одна из задач ученых – предложить промышленности для обработки конструкционных материалов готовые технологические режимы с описанием всех параметров (температуры, давления и т. д.). Следует отметить, что большое значение приобретает использование методов компьютерного моделирования. Они позволяют значительно сократить время на подбор наиболее эффективных параметров, – отметил С.Панин. 

Теперь научному коллективу предстоит сделать следующий шаг – применить механизмы изменения кривизны кристаллической решетки в технологии ассиметричной прокатки. Это позволит обрабатывать не только прутки круглой формы, но и листовой материал. 

Ахиллесова пята – сварной шов 

Еще одна актуальная задача – повышение качества сварных соединений. Это самая настоящая ахиллесова пята в условиях Арктики! Дело в том, что все крупномасштабные конструкции собираются уже на месте из отдельных частей с использованием сварочных технологий. По причине быстрой скорости протекания процессов нагрева и кристаллизации сварные швы (особенно зона термического влияния) обладают меньшими прочностными свойствами, нежели исходный металл. 

Как показали исследование коллег из Якутского научного центра СО РАН, с которыми ИФПМ СО РАН связывают многолетние партнерские отношения, ударная вязкость после длительной эксплуатации может снижаться в два раза! Традиционно в такой ситуации решением проблемы становился поиск более современных, правда, более дорогих сварочных электродов или оборудования. В.Панин решил пойти другим путем: ему удалось показать, что с помощью введения в сварной шов наноразмерных частиц на основе карбонитридов или оксинитридов титана удается улучшить его свойства, повысить ударную вязкость и усталостную долговечность, в том числе в условиях низких температур. 

Будущее за композитами 

Становится все более очевидной перспективность применения в Арктике композитных материалов, которые имеют целый ряд преимуществ перед металлами: им не страшна коррозия, они легче по весу, а зачастую и более прочны. Уже сейчас композиты широко используются в авиации, где материалы также испытывают значительные перегрузки в условиях низких температур. 

В рамках универсального многоуровневого подхода, который может применяться к разным классам материалов, будут изучены и описаны процессы деформации и разрушения в композитах на всех масштабных уровнях. Следующим этапом станет ответ на технологические вызовы. Нужно будет разработать полимерные связующие и методы модификации армирующих волокон, из которых состоит композит, найти оптимальные режимы формирования самих композитов (одним из новых методов является 3D-печать), а также предложить эффективные методы их сварки. 

Ольга Булгакова, пресс-центр ТНЦ СО РАН 

Похожие новости

  • 25/05/2017

    «Физика рака» — ученые обсуждают в Томске «раковое цунами», накрывающее человечество

    На Международной конференции «Физика рака: трансдисциплинарные проблемы и клинические применения», которая проходит в эти дни в МКЦ ТПУ, прозвучит почти 50 пленарных докладов ученых России и зарубежных стран — США, Израиля, Франции, Германии, Китая, Греции, Италии, Словении, Сербии.
    2936
  • 23/10/2019

    В Венгрии томские физики рассказали об исследованиях пористой керамики

    ​Учёные ТГУ выступили в Венгрии на международной конференции по реологии и моделированию материалов. Они рассказали об исследованиях пористой керамики, которая по строению идентична неорганическому костному матриксу, ее механических свойствах и моделировании имплантов.
    698
  • 12/08/2020

    Онлайн Арктическая летняя школа 2020 успешно завершила свою работу

    В этом году третья Арктическая школа Северо-Восточного федерального университета и Северного Форума состоялась в онлайн формате. Школа проходила с 27 июля по 7 августа 2020.В течение двух недель студенты и ученые из восьми стран посещали лекции на такие темы,как социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации, Региональное развитие Якутии, Культура коренных народов Российской Федерации, Изменение климата, Туризм в Арктике, Транспортная инфраструктура в Арктике (Северный морской путь) и др.
    689
  • 15/11/2016

    Климат в Арктике меняется быстрее, чем по всей планете

    Результаты исследования эмиссии углекислого газа в Арктической зоне представил главный научный сотрудник лаборатории Far Eastern Climate Smart lab ДВФУ Лука Белелли Маркезини (Италия) на IX международном симпозиуме «Баланс углерода, воды и энергии и климат бореальных и арктических регионов с акцентом на Восточную Евразию» в Якутске.
    2886
  • 24/06/2019

    Всероссийская конференция «Теплофизика и энергетика Арктических и Субарктических территорий»

    ​С 24 по 27 июня 2019 года в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН проходит Всероссийская научно-практическая конференция «Теплофизика и энергетика Арктических и Субарктических территорий».
    2136
  • 17/09/2016

    В Томске пройдет Международная конференция «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций»

    ​Международная конференция, посвященная перспективным материалам с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций, состоится 19-23 сентября 2016 года в Томске. Организатор - Институт физики прочности и материаловедения СО РАН.
    2312
  • 05/10/2019

    Эксперты SecNet: потепление усложняет жизнь населения Сибири и Арктики

    В ТГУ проходит семинар международной сети научных станций SecNet, объединяющей исследователей Сибири и Арктики. Ученые из России, Норвегии, Швеции и Великобритании представляют результаты исследований по лесным пожарам, таянию ледников, вечной мерзлоты и другим темам.
    1685
  • 19/01/2021

    Молодые учёные встретились с министром образования и науки Якутии

    15 января состоялась встреча молодых ученых с министром образования и науки Республики Саха (Якутия) Михаилом Сивцевым.  Из ученых Федерального исследовательского центра «ЯНЦ СО РАН» в мероприятии приняли участие главный ученый секретарь Якутского научного центра СО РАН, кандидат технических наук Петр Мордовской, председатель Совета молодых ученых и специалистов ЯНЦ СО РАН, научный сотрудник Института космофизических исследований и аэрономии СО РАН, кандидат физико-математических наук Игорь Колтовской, научный сотрудник ИКФИА СО РАН, председатель СМУиС ИКФИА СО РАН кандидат физико-математических наук Анастасия Аммосова, младший научный сотрудник Института гуманитарных исследований и проблем малочисленных народов Севера СО РАН, председатель СМУиС ИГИиПМНС СО РАН, кандидат исторических наук Алена Архипова, ведущий научный сотрудник ЯНЦ СО РАН, ведущий научный сотрудник Института мерзлотоведения СО РАН, кандидат технических наук Иван Христофоров.
    217
  • 02/09/2019

    Международный форум «Международная и межрегиональная интеграция в сфере инженерного образования» ​

    САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИМ УНИВЕРСИТЕТ ПЕТРА ВЕЛИКОГО ГУМАНИТАРНЫЙ институт ВЫСШАЯ ШКОЛА ИНЖЕНЕРНОЙ ПЕДАГОГИКИ, ПСИХОЛОГИИ И ПРИКЛАДНОЙ ЛИНГВИСТИКИ совместно с Научно-консультационным центром "Кайрос" (Томск) и Институтом зарубежной филологии и регионоведения Северо-Восточного федерального университета имени М.
    1385
  • 13/10/2018

    Альянс материаловедов и химиков: новые возможности новых направлений

    ​Международный симпозиум «Иерархические материалы: разработка и приложения для новых технологий и надёжных конструкций» состоялся в Томске. Под его эгидой были объединены две международные конференции, традиционно проходящие осенью в ИФПМ и ИХН СО РАН.
    1336