Нелинейные эффекты в физическом материаловедении

Дата открытия

2011 год

Коды ГРНТИ

29.19; 30.19; 55.21

Основной состав научного коллектива:

Шибков А.А., д.ф.-м.н., профессор, Желтов М.А., к.ф.-м.н., доцент, Золотов А.Е., к.т.н., доцент, Шуклинов А.В., к.ф.-м.н., Михлик Д.В., к.т.н., Гасанов М.Ф., к.ф.-м.н., Денисов А.А. к.т.н., Кочегаров С.С., аспирант.

Деятельность научного направления

Актуальность тематики исследований связана с повышением надежности и ресурса материалов авиакосмической и транспортной отраслей, что соответствует:

а) утвержденным указом Президента РФ №899 от 7 июля 2011 г. Приоритетным направлением развития науки и техники в РФ, а именно приоритетному направлению «Транспортные и космические системы»; б) перечню критических технологий РФ, а именно «Технологии создания ракетно-космических и транспортной техники нового поколения»; «О стратегии научно-технологического развития РФ» (указ Президента РФот 01.12.2016 № 642). Общим «местом» этих документов является требования повышения топливной эффективности транспортных средств и снижение расхода топлива в среднесрочной перспективе на 20 %. Это требует использование материалов с высокой удельной прочностью, таких как сплавы систем Al-Li-Mg, Al-Mg-Mn, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Mg, которые будут актуальными в среднесрочной и долгосрочной перспективе. Эти сплавы однако проявляют механическую неустойчивость, как в условиях металлообработки, так и в условиях эксплуатации. В технологически значимой области нагрузок, скоростей деформирования и температур испытания механическая неустойчивость проявляется в так называемом прерывистом течении, обусловленным повторяющимися процессами образования в металле полос макролокализованной деформации, которые создают технологический брак: они негативно влияют на качество поверхности промышленных изделий, ухудшают формуемость и вызывают преждевременную локальную коррозию и внезапное разрушение. Разработка систем мониторинга и подавления деформационных полос является актуальной проблемой безопасности полетов и увеличения надежности и ресурса алюминиевых сплавов авиационной и транспортной отраслей.

В фокусе научного приоритета группы выступает задача исследования влияния на полосообразование и прерывистую деформацию внешних физических полей: электромагнитного, лазерного, акустического, с целью: а) оценки рисков эксплуатации авиакосмических материалов в условиях воздействий внешних физических полей; б) управления характеристиками прерывистой деформации; в) изучения механизмов автолокализации деформации в условиях ее подавления внешними физическими полями; г) разработка и создание новой цифровой системы мониторинга и подавления повреждений в материалах авиакосмической отрасли в условиях высокоэнергетических воздействий.

Исследовательская программа:

1. Природа пластических неустойчивостей высокотехнологичных алюминиевых сплавов.
2. Механизмы разрушения материалов, демонстрирующих прерывистую деформацию.
3. Природа прерывистой ползучести.
4. Коррозия и электрохимические процессы, сопровождающие прерывистую деформацию.
5. Модификация поверхностного слоя для стабилизации механических свойств алюминиевых сплавов.
6. Влияние внешних воздействий на механизмы механической неустойчивости (лазерного излучения, ударного воздействия, агрессивной среды, и т.д.).
7. Научные основы ранней диагностики полос деформации.
8. Научные основы мониторинга и подавления повреждений в алюминиевых сплавах.
9. Разработка беспроводной автоматизированной интеллектуальной цифровой системы мониторинга и подавления повреждений в деформируемых алюминиевых сплавах в условиях высокоэнергетических воздействий.
10. Внедрение результатов НИР в образовательный процесс.

Основные концепции:

1. Привязка исследовательской программы: а) к фундаментальным проблемам физического материаловедения; б) к стратегии развития науки и технологии в РФ.
2. Методология исследования, основанная на создании экспериментальных и/или модельных ситуаций возникновения (исчезновения) пластический неустойчивостей, вызывающих катастрофическую деградацию механических свойств высокотехнологичных металлических сплавов.
3. Сочетание высокоскоростных in situ экспериментальных исследований развития пространственно-временных структур дефектов кристаллического строения с высокоразрешающими микроструктурными исследованиями post factum.
4. Развитие динамического похода в физике прочности и пластичности.

Методы и технологии

Разработка и непрерывное совершенствование оригинального комплекса методов исследования неустойчивой деформации металлов и сплавов, основанного на сочетании микроструктурных исследований с высокоскоростными исследованиями in situ динамики и морфологии деформационных полос в условиях, близких к эксплуатационным, когда задается силовой закон воздействия (сила тяги, подъемная сила, центростремительная сила и т.д.), а откликом является деформация материала и конструкции, что соответствует прямой задаче нелинейной динамики. Данный комплекс дает возможность сочетания динамического и структурного подходов в исследовании прочности и пластичности на основе постановки структурных in situ экспериментов синхронно с измерением и анализом временных рядов, отражающих нестационарный характер пластического течения, а также использовании современных методов динамического анализа, включающих спектральный, мультифрактальный анализ соответствующих временных рядов и пространственных структур.

Перечень патентов, свидетельств на изобретения у членов научного направления

1. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Михлик Д.В. Бесконтактный электромагнитный метод диагностики повреждаемости деформируемых металлических конструкций в условиях обледенения // Патент № 2536776. 2014.
2. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Денисов А.А., Михлик Д.В. Способ обработки листовых заготовок из алюминиевых сплавов системы Al-Mg // Патент № 2544721. 2015.
3. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф. Акустико-эмиссионный способ раннего выявления повреждений в деформируемых алюминиевых сплавах // Патент № 2618760. 2017.
4. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф. Дистанционный способ обнаружения повреждений металлических конструкций из алюминиевых сплавов // Патент № 2624995. 2017.
5. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Денисов А.А., Гасанов М.Ф. Способ повышения механической устойчивости и прочности листовых заготовок из алюминий-магниевых сплавов с использованием эффекта электропластической деформации // Патент № 2624877. 2017.
6. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Денисов А.А., Гасанов М.Ф. Способ подавления деформационных полос на поверхности алюминий-магниевых сплавов // Патент № 2650217. 2018.
7. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Михлик Д.В. Способ подавления механической неустойчивости алюминиевого сплава // Патент № 2698518. 2019.
8. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Михлик Д.В., Протасов А.С. Электрохимический способ раннего выявления повреждений в алюминиевых сплавах, деформируемых в водной среде // Патент № 2698519. 2019.
9. Шибков А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Михлик Д.В., Кочегаров С.С. Электрофизический способ повышения прочности и механической устойчивости листовых заготовок из алюминий-магниевых сплавов // Патент № 2720289. 2020.

Перечень грантов международного или всероссийского уровня, выполненных под руководством или с участием членов научного направления

РФФИ, Проект № 09-02-97540 «Мониторинг и управление неравновесным ростом кристаллов льда в сильно переохлажденной воде», 2009-2011 гг. (Руководитель: Желтов М.А.).

Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы», Соглашение от 3 сентября 2012 г. № 14.В37.21.0372 «Исследование механической устойчивости авиационных алюминиевых сплавов и разработка технологии подавления очагов локализованной деформации и способов предупреждения катастрофической деградации механических свойств», 2012-2013 гг. (Руководитель: Шибков А.А.).

Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы», Соглашение от 24 августа 2012 г. № 14.В37.21.0735 «Физические основы бесконтактных методов ранней диагностики и неразрушающего контроля повреждаемости и деградации физико-механических свойств авиационных алюминиевых сплавов» 2012-2013 гг. (Руководитель: Шибков А.А.).

РФФИ, Проект № 12-02-31318, «Влияние электропластичности и размерных эффектов на неустойчивое пластическое течение высокотехнологичных алюминий-магниевых сплавов», 2012-2013 гг. (Руководитель: Денисов А.А.).

РФФИ, Проект № 13-08-00861-а «Основы электрофизических методов диагностики и мониторинга механических неустойчивостей, вызывающих внезапное разрушение высокотехнологичных алюминиевых сплавов», 2013-2015 гг. (Руководитель: Шибков А.А.).

РНФ, Проект № 15-12-00035 «Создание новых методик оперативного контроля и подавления дефектов разных масштабных уровней в зонах концентрации напряжений, сварных соединений и основных материалов изделий авиакосмической отрасли и транспортных средств в процессе их длительной эксплуатации», 2015-2017 гг. (Руководитель: Шибков А.А.).

РФФИ, Проект № 12-08-33052, «Научные основы технологии мониторинга и подавления механической неустойчивости и увеличение ресурса высокотехнологичных авиационных сплавов системы Al-Mg-Mn», 2013-2015 гг. (Руководитель: Золотов А.Е.).

РФФИ, Проект № 15-32-20200, «Исследование влияния высокоэнергетических воздействий на локализацию деформации и разрушение высокотехнологичных сплавов авиакосмической отрасли систем Al-Li, Al-Mg, Al-Zn-Mg-Cu и Al-Cu», 2015-2017 гг. (Руководитель: Золотов А.Е.).

РФФИ, Проект № 16-08-00773-а «Физические основы систем неразрушающего контроля и подавления повреждений в деформируемых элементах конструкций из алюминий-магниевых и алюминий-литиевых сплавов», 2016-2018 гг. (Руководитель: Шибков А.А.).

РНФ, Проект № 17-79-10404 «Разработка технологии лазерной обработки поверхности авиационных алюминиевых сплавов, повышающих их коррозионную и механическую устойчивость», 2017-2019 гг. (Руководитель: Гасанов М.Ф.).

РНФ, Проект № 18-19-00304 «Разработка беспроводной автоматизированной интел-лектуальной цифровой системы мониторинга и подавления повреждений в деформируемых алюминиевых сплавах в условиях высокоэнергетических воздействий», 2018-2020 гг. (Руководитель: Шибков А.А.).

РФФИ, Проект № 19-08-00395 «Научные основы технологии мониторинга зон локализованной деформации и разрушения, сокращающих ресурс высокотехнологичных алюминиевых и титановых сплавов, эксплуатируемых в водной среде», 2019-2022 гг. (Руководитель: Шибков А.А.).

РФФИ, Проект № 19-38-90145 «Влияние высокоэнергетических воздействий на прочность, коррозионную и механическую устойчивость и разрушение промышленных алюминий-магниевых сплавов, деформируемых в морской воде и водных растворах электролитов», 2019-2022 гг. (Руководитель: Шибков А.А.).

Основные публикации членов научного направления

1. Shibkov A.A., Denisov A.A., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Gasanov M.F. The electric current-induced suppression of the Portevin - Le Chatelier effect in Al-Mg alloys // Materials Science & Engineering A 610. 2014. 338-343. (Web of Science и Scopus, Q1).
2. Shibkov A.A., Gasanov M.F., Zheltov M.A., Zolotov A.E., Ivolgin V.I. Intermittent plasticity associated with the spatio-temporal dynamics of deformation bands during creep tests in an AlMg polycrystal // International Journal Plasticity. V. 86. 2016. P. 37-55. (Web of Science и Scopus, Q1).
3. Шибков А.А., Желтов М.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е. Динамика полосы Людерса и разрушение алюминий-магниевого сплава, инициированные концентратором напряжений // Физика твердого тела. 2018. Т. 60. № 2. С. 315-322. (Web of Science и Scopus, Q2).
4. Шибков А.А., Желтов М.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е. Акустическая эмиссия при прерывистой ползучести алюминий-магниевого сплава // Физика металлов и металловедение. 2018. Т. 119. № 1. С. 81–88. (Web of Science и Scopus, Q2).
5. Шибков А.А., Желтов М.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е. Нелинейная динамика деформационных полос в алюминий-магниевом сплаве при испытании на ползучесть // Журнал технической физики. 2017. Т. 87. № 10. С. 1518-1526. (Web of Science и Scopus, Q2).
6. Шибков А.А., Денисов А.А., Золотов А.Е., Кочегаров С.С. Влияние агрессивной среды на прерывистую деформацию алюминий-магниевого сплава АМг6 // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 1. С. 96-102. (Web of Science и Scopus, Q2).
7. Шибков А.А., Желтов М.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е. Исследование механизма низкочастотной дискретной акустической эмиссии в ходе прерывистой ползучести алюминиевого сплава // Физика твердого тела. 2017. Т. 59. № 12. 2363-2369. (Web of Science и Scopus, Q2).
8. Шибков А.А., Титов С.А., Желтов М.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е., Проскуряков К.А., Жигачев А.О. Электромагнитная эмиссия при развитии макроскопически неустойчивой пластической деформации металла // Физика твердого тела. 2016. Т. 58. № 1. С. 3-10. (Web of Science и Scopus, Q2).
9. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Кочегаров С.С. Влияние геометрических концентраторов напряжения на полосообразование и прерывистую деформацию алюминий-магниевых сплавов // Журнал технической физики. 2016. Т. 86. № 5. С. 68-76. (Web of Science и Scopus, Q2).
10. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А.,. Денисов А.А, Гасанов М.Ф., Кочегаров С.С. Влияние геометрических концентраторов напряжения на подавление током прерывистой деформации алюминий-магниевого сплава АМг5 // Журнал технической физики. 2016. Т. 86. № 5. С. 77-83. (Web of Science и Scopus, Q2).
11. Шибков А.А., Денисов А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф., Кочегаров С.С Подавление прерывистой деформации Портевена-Ле Шателье постоянным электрическим током в алюминий-магниевом сплаве АМг5 // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 2. С. 228-236. (Web of Science и Scopus, Q2).
12. Шибков А.А., Денисов А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф., Иволгин В.И.. Исследование влияния электрического тока на прерывистую деформацию и акустическую эмиссию в алюминий-магниевом сплаве АМг5 // Физика твердого тела. 2015. Т. 57. № 6. С. 1046-1051. (Web of Science и Scopus, Q2).
13. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Гасанов М.Ф. Исследование механизмов подавления прерывистой деформации электрическим током // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 6. С. 938-949. (Web of Science и Scopus, Q2).
14. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Гасанов М.Ф. Макролокализация пластической деформации при прерывистой ползучести алюминий-магниевого сплава AМг6 // Журнал технической физики. 2014. Т. 84. № 4. С. 40-46. (Web of Science и Scopus, Q2).
15. Шибков А.А., Золотов А.Е., Желтов М.А., Гасанов М.Ф., Денисов А.А. Прерывистая ползучесть и пространственно-временные структуры макролокализованной пластической деформации // Физика твердого тела. 2014. Т. 56. № 5. С. 848-855. (Web of Science и Scopus, Q2).
16. Шибков А.А., Золотов А.Е. Нелинейная динамика пространственно-временных структур макролокализованной деформации // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 90. № 5. С. 412-417. (Web of Science и Scopus, Q2).
17. Шибков А.А. , Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е., Желтов М.А. Электрохимическая эмиссия в ходе прерывистой ползучести алюминий-магниевого сплава // Кристаллография. 2019. Т. 64. № 5. С. 720-725. (Web of Science и Scopus, Q2).
18. Шибков А.А., Денисов А.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е., Желтов М.А. Нестационарный электрохимический отклик на прерывистую деформацию Портевена - Ле Шателье алюминий-магниевого сплава // ФТТ. 2019. Т. 61. № 2. С. 296-301. (Web of Science и Scopus, Q2).
19. Шибков А.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Кочегаров С.С. Влияние лазерной обработки на прочность и прерывистую деформацию Портевена−Ле Шателье алюминиевого сплава // ФТТ. 2019. Т 61. № 8. С. 1414-1422. (Web of Science и Scopus, Q2).
20. Шибков А.А., Гасанов М.Ф., Кольцов Р.Ю., Денисов А.А. Влияние локальной коррозии на динамику деформационных полос и разрушение алюминий-магниевого сплава // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45. № 15. С. 6-9. (Web of Science и Scopus, Q2).
21. Шибков А.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е., Желтов М.А., Денисов А.А., Кольцов Р.Ю., Кочегаров С.С. Электрохимическая эмиссия при деформировании и разрушении алюминий-магниевого сплава в водной среде // Журнал технической физики. 2020. Т. 90. № 1. С. 85-93. (Web of Science и Scopus, Q2).
22. Shibkov A.A., Zheltov M.A., Gasanov M.F., Zolotov A.E., Denisov A.A., Lebyodkin M.A. Dynamics of deformation band formation investigated by high-speed techniques during creep in an AlMg alloy // Materials Science & Engineering A. 2020. V. 772. P. 138777. (Web of Science и Scopus, Q1).
23. Шибков А.А., Гасанов М.Ф., Золотов А.Е., Денисов А.А., Кочегаров С.С., Кольцов Р.Ю. Высокоскоростные in situ исследования корреляций между формированием полос деформации и акустическим откликом в алюминий-магниевом сплаве // Кристаллография. 2020. Т. 65. № 4. С. 546-554. (Web of Science и Scopus, Q2).
24. Шибков А.А., Денисов А.А., Желтов М.А., Золотов А.Е., Гасанов М.Ф., Кочегаров С.С. Коррозия и механическая неустойчивость алюминиевых сплавов (монография) // Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2017. 155 с.
25. Шибков А.А. Прерывистая ползучесть и локализация пластической деформации (монография) // Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина, 2016. 158 с.
26. Шибков А.А., Золотов А.Е., Шуклинов А.В. Структурно-чувствительные эффекты прерывистой деформации промышленных сплавов Al-Mg (монография) // Тамбов: Издательский дом ТГУ им. Г.Р. Державина. 2011. 173 с.
27. Шибков А.А. Нелинейная механика и разрушение промышленных сплавов системы Al-Mg (монография) // Тамбов: Издат. дом ТГУ им. Г.Р. Державина. 2010. 143 с.
28. Шибков А.А., Золотов А.Е., Денисов А.А. Эмиссионные явления прерывистой деформации металлов (монография) // Тамбов: Издат. дом ТГУ им. Г. Р. Державина, 2019. 160 с.

Научные связи

Коллектив поддерживает научные связи со многими институтами страны: Институт Кристаллографии РАН А.В. Шубникова, Институт физики твердого тела РАН, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, ИМЕТ РАН им. А.А. Байкова, ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН, Тульский, Воронежский, Белгородский, Тольяттинский госуниверситеты и др.