CC BY
31
Институту физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук — 25 лет
Административно-лабораторный корпус Института физики прочности и материаловедения СО РАН
Исторические корни Института физики прочности и материаловедения СО РАН связаны со старейшей томской физической школой академика В.Д. Кузнецова и профессора М.А. Большаниной. Alma mater этой школы — Томский государственный университет и Сибирский физико-технический институт, директором которого в течение 30 лет был академик В.Д. Кузнецов.
В 1979 г. в жизни этой школы произошло судьбоносное событие. По приглашению председателя Томского филиала СО АН СССР академика В.Е. Зуева часть сотрудников отдела физики металлов СФТИ во главе с профессором В.Е. Паниным переходит в Институт оптики атмосферы СО АН СССР и создает отдел физики твердого тела и материаловедения. Начинается новый этап развития томской физики твердого тела в рамках академической науки. В 1984 г. из Института оптики атмосферы выделяется самостоятельный Институт физики прочности и материаловедения СО АН СССР. В Томске возникает органическая интеграция вузовской и академической науки в области физики твердого тела. В 1984 г. на базе академического института, физического и физико-технического факультетов ТГУ, отделов металлофизики СФТИ создан Центр фундаментальных
исследований и элитарного образования «Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов». Этот центр имеет широкие международные связи с США, Великобританией, Германией, Францией, Италией, Испанией, Словенией, Японией, КНР. В Томске регулярно проводятся международные конференции «Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов». По инициативе профессора G. Sih (Lehigh University, USA) c 1996 г. международные конференции Mesomechanics регулярно проводятся в различных странах.
С 1998 г. на базе ИФПМ СО РАН стал издаваться на русском и английском языках международный журнал «Физическая мезомеханика». С 2007 г. английская версия журнала «Physical Mesomechanics» издается международным издательством Elsevier.
Начало новому научному направлению положили два концептуально новых положения в области пластичности и прочности твердых тел, опубликованные в 1982 г.:
1. Структурные уровни деформации твердых тел (Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. // Изв. вузов. Физика. - 1982. - Вып. 25. - № 6. - С. 5-27).
2. Атом-вакансионные состояния в кристаллах (Панин В.Е., ЕгорушкинВ.Е., ХонЮ.А., Елсукова Т.Ф. // Изв. вузов. Физика. - 1982. - Т. 25. - № 12. - С. 5-28).
Предлагалась принципиально новая методология в описании пластической деформации и разрушения твердых тел. Она качественно отличалась от существующих представлений в механике сплошной среды и теории дислокаций и на первых порах вызвала резко негативную реакцию. Потребовалось более четверти века, чтобы на основе убедительных теоретических и экспериментальных исследований обосновать новую парадигму пластичности и прочности твердых тел и получить ее признание. Это и стало основным научным направлением Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Академии наук СССР.
Различные подразделения молодого Института распределились по решению наиболее актуальных задач перспективного научного направления — от его методологии до прикладных разработок новых материалов и технологий.
Первые крупные обобщения в области физической мезомеханики были сделаны в монографиях:
1. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 c.
2. Структурные уровни деформации и разрушения / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1990. -252 с.
3. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. - Т. 1. - 297 с.
4. Physical mesomechanics of heterogeneous media and computer-aided design of materials / Ed. by V.E. Panin. -Cambridge: Cambridge Interscience Publishing. 1998. -339 p.
С удовлетворением отметим, что в настоящее время концепция «масштабные уровни пластической деформации и разрушения твердых тел» является общепризнанной в физике и механике деформируемого твердого тела.
В последнее десятилетие в физической мезомеха-нике активно развивается направление, связанное с проблемами наноматериаловедения. Наноструктурные материалы по своей природе являются сильнонеравновесными системами. Это структурно-неоднородная среда, в которой доля дефектной подсистемы составляет несколько десятков процентов. В полях внешних воздействий (механических, тепловых, электромагнитных, радиационных и др.) в таких материалах развиваются неравновесные процессы изменения их внутренней структуры. Описать поведение наноструктурных материалов в полях внешних воздействий не могут ни механика сплошной среды, ни теория дислокаций. В традиционной теории дислокаций ядра дефектной фазы вырезаны и зарождение дефектных фаз как локальных
структурных превращений теория дислокаций не рассматривает. В условиях наноструктурных состояний (при размерах структурных элементов d < 30 нм) дислокации в твердом теле термодинамически не могут существовать. Механика сплошной среды вообще не учитывает внутреннюю структуру. Таким образом, в основе наноматериаловедения должны лежать совместные подходы физической мезомеханики, неравновесной термодинамики и физического материаловедения. В этом направлении ведутся в настоящее время работы в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН.
Отметим наиболее крупные достижения Института в области физической мезомеханики за прошедшие 25 лет.
1. Сформулированы теоретически и экспериментально обоснованы основополагающие принципы физической мезомеханики: описание деформируемого твердого тела как иерархически организованной многоуровневой системы, в которой поверхностные слои и внутренние границы раздела являются важными функциональными подсистемами; единая природа всех механизмов пластической деформации и разрушения твердых тел, в основе которой лежит наномасштабный структурный уровень локальных структурных превращений; движение на мезоуровне трехмерных структурных элементов как целого по схеме «сдвиг + поворот»; корпускулярно-волновой дуализм пластического сдвига; разрушение как нелинейный волновой процесс глобальной потери сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела на макромасштабном уровне, когда термодинамический потенциал Гиббса материала в зоне разрушения изменяет свой знак с «-» на «+».
2. Выполнен широкий спектр экспериментальных исследований механизмов деформации на различных масштабных уровнях. Используются приборы новых поколений, сочетающих высокое разрешение со сканированием больших площадей поверхности деформируемого твердого тела (атомно-силовая и сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, лазерная профилометрия, оптико-телевизионные измерительные комплексы, спекл-интерферометрия, тепловизоры, зондовый анализ на приборах типа Quanta 200 3D и др.). Это позволило не только вскрыть и количественно описать новые механизмы деформации, но и установить масштабную инвариантность их приведенных параметров.
3. Теоретическое описание механизмов деформации и разрушения на различных масштабных уровнях проводится на основе 3D-моделей. Нано- и микромасштабные уровни преимущественно моделируются методами молекулярной динамики, а также методом возбудимых клеточных автоматов. Мезомасштабные уровни между микро- и макромасштабами описываются методом подвижных клеточных автоматов и методами механики сред со структурой. Сделаны важные шаги построения
гибридных моделей, объединяющих методы континуальной и дискретной механики деформируемого твердого тела. Установлены закономерности масштабной инвариантности блочного разрушения твердых тел.
4. Развита неравновесная термодинамика деформируемого твердого тела как самосогласованной многоуровневой системы. На основе зависимости неравновесного термодинамического потенциала Гиббса Р^) от молярного объема V и многоуровневых структурных исследований показано, что все типы деформационных дефектов, включая трещины, зарождаются как локальные структурные или структурно-фазовые превращения в зонах гидростатического растяжения различного масштаба, в которых возникают сильно возбужденные состояния и коллективные конфигурационные возбуждения. Зарождение деформационных дефектов и трещин описывается законами неравновесной термодинамики. Механика создает для этого необходимые условия (образование зон гидростатического растяжения в градиентных полях неоднородных внутренних напряжений). Использование в механике неравновесной термодинамики позволяет строить обобщенную многоуровневую модель деформируемого твердого тела для любых материалов и в любых условиях нагружения.
5. Показано, что в наноразмерном диапазоне d < < 100нм вблизи нуля термодинамического потенциала Гиббса при d < 30 нм возникают предпереходные двухфазные наноструктурные состояния, в которых нанокристаллы с Р(р) < 0 окружены квазиаморфной фазой с Р^) > 0. Такие состояния определяют особый класс наноструктурных материалов, которые лежат в основе наноинженерии. Материалы со структурой в диапазоне размеров 30-100 нм следует называть наноразмерными. Критерий d = 100 нм физического обоснования не имеет.
6. Теоретически и экспериментально показано, что на интерфейсе двух разнородных сред в полях внешних воздействий возникает «шахматное» распределение нормальных и касательных напряжений, которое обусловливает формирование регулярного гофра интерфейса, изменение его состава, структуры и свойств, растрескивание и расслоение многослойной системы, повышение ее химической и каталитической активности. Обосновано сильное влияние на все указанные эффекты наноструктурирования интерфейсов. Сформулированы принципы конструирования интерфейсов в многослойных наноструктурных покрытиях различного функционального назначения и на внутренних границах раздела в гетерогенных конструкционных материалах, которые определяют ресурс их работы в экстремальных усло-
виях нагружения. Разработаны нанотехнологии формирования многослойных наноструктурных упрочняющих, защитных и функциональных покрытий. Совместно с Исследовательским центром им. М.В. Келдыша разработаны многослойные наноструктурные теплозащитные покрытия для ракетно-космической техники, способные эффективно работать в экстремальных условиях высокотемпературных плазменных потоков.
7. Проведен комплексный анализ физической природы измельчения кристаллической структуры металлических материалов при их интенсивной пластической деформации, включая термодинамические основы сильнонеравновесных состояний, эволюцию сильно неоднородного напряженно-деформированного состояния и структурно-кинетические аспекты. Сделано общее заключение, что измельчение структуры при интенсивной пластической деформации связано с фрагментацией кристаллографических ламелей между мезо- и макрополосами локализованной деформации. Предельные размеры измельчения структуры определяются структурномасштабными уровнями полосовых структур, градиентными полями неоднородных внутренних напряжений и кинетическими условиями термодинамических процессов возврата, включая холодную динамическую рекристаллизацию, в сильнонеравновесных зонах полосовых структур.
8. Развита физическая мезомеханика усталостного разрушения материалов в условиях циклического нагружения. Установлены закономерности вихревого пластического течения в поверхностных слоях материалов при циклическом нагружении. Усталостные трещины зарождаются при формировании замкнутых вихрей локализованного пластического течения. Масштаб вихрей определяется природой материала, его структурой, состоянием поверхностного слоя и условиями нагружения. Усталостная долговечность материала возрастает с уменьшением масштаба вихрей в поверхностном слое циклически деформированного материала. Показана очень высокая эффективность наноструктурирования поверхностных слоев конструкционных материалов для повышения их усталостной долговечности.
В заключение следует еще раз отметить, что коллектив Института физики прочности и материаловедения СО РАН работает в тесном контакте со многими научными центрами в России и за рубежом. Это позволяет успешно развивать новое научное направление по широкому фронту исследований. Ряд заказных обзоров ученых, работающих в области физической мезомеха-ники, представлен в настоящем тематическом выпуске журнала, посвященном юбилею ИФПМ СО РАН.
Ответственный редактор юбилейного выпуска академик В.Е. Панин
