Институту физики прочности и материаловедения со РАН 20 лет Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Институту физики прочности и материаловедения СО РАН - 20 лет

1. Об истории Института

В 1979 году в жизни томских металлофизиков 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 важный этап развития томской физики твердого тела в рамках академической науки. В 1984 году из Института оптики атмосферы выделяется самостоятельный Институт физики прочности и материаловедения СО АН СССР, который возглавил член-корреспондент АН СССР В.Е. Панин. В Томске возникает органическая интеграция вузовской и академической физики твердого тела.

История томской школы физики твердого тела насчитывает около 80 лет. Это продолжительный и чрезвычайно насыщенный событиями период творческой деятельности большого научного коллектива. Школа зародилась в Томском государственном университете в середине двадцатых годов прошлого столетия. Ее основателем был профессор В.Д. Кузнецов, ставший затем действительным членом Академии наук СССР. Его имя носит прославленный Сибирский физико-технический институт, который он возглавлял более 30 лет.

Круг интересов В.Д. Кузнецова был чрезвычайно широк. Это было характерно для крупных ученых первой половины 20-го столетия. Энциклопедические знания, высокий научный авторитет, фанатичное трудолюбие в сочетании с высокой внутренней культурой и природной интеллигентностью снискали ему огромное

Административно-лабораторный корпус Института физики прочности и материаловедения СО РАН

Основатель томской школы физики твердого тела академик В.Д. Кузнецов

уважение и искренние симпатии всех, кто с ним соприкасался.

Говоря о школе В.Д. Кузнецова, нельзя не сказать о другой яркой личности этой школы — профессоре М.А. Большаниной. Учитель и его достойная ученица удивительно дополняли друг друга. Аналитический ум М.А. Большаниной подвергал строгому анализу каждое научное положение. Суть любой идеи она схватывала на лету. Некорректность научного обоснования она отвергала резко и бескомпромиссно. Мнение М.А. Большаниной на научном семинаре рассматривалось как окончательный вердикт.

Результаты работ того периода были обобщены В.Д. Кузнецовым совместно с его учениками в 5-ти томной монографии «Физика твердого тела». За ее 2-й том В.Д.

Основатель Института и его научный руководитель академик В.Е. Панин

Кузнецов и М.А. Большанина были удостоены Государственной премии. В течение многих десятилетий эта монография была настольной книгой специалистов в области физики твердого тела и учебником для студен-тов-металлофизиков.

К началу 80-х годов XX века в исследованиях метал-лофизиков Томска оформились два стратегических направления:

- физические основы пластичности и прочности твердых тел,

- физическое материаловедение.

На первом направлении перед исследователями стояла глобальная задача согласования микро- и макроподходов и количественного описания механических свойств твердых тел на основе теории дислокаций. Наряду с этим органически назрело объединение обоих стратегических направлений на базе современных компьютерных технологий с целью осуществления давней мечты В.Д. Кузнецова о конструировании материалов с заданными механическими свойствами. Однако реализация этой мечты оказалась непростой задачей.

Макромасштабный уровень в описании деформируемого твердого тела был прерогативой механики сплошной среды. Она оперирует интегральными характеристиками среды без учета ее внутренней структуры. Деформация описывается на основе силовых моделей как суперпозиция различных сдвигов под действием внешних приложенных напряжений. Этот путь заведомо неприемлем для решения поставленной задачи, так как механические свойства твердого тела кардинально зависят от его внутренней структуры, которой нет в механике сплошной среды.

Микромасштабный уровень — это область физики. Пятьдесят лет триумфа теории дислокаций позволили исследовать элементарные акты пластической деформации, вскрыть дислокационные механизмы пластического течения в различных условиях нагружения и дать физическую интерпретацию многих механических ха-

Директор Института профессор С.Г. Псахье

рактеристик. Однако главную задачу - развить количественную теорию макромеханических характеристик на основе теории дислокаций - решить не удалось. Многочисленные попытки прямого перехода от микромасштабного уровня к макромасштабному оказались безуспешными.

Долгое время казалось, что причина неудач связана с чисто математическими трудностями описания сложных дислокационных ансамблей, насчитывающих 108-1012 индивидуальных дислокаций на 1 см2. Но проблема оказалась гораздо сложнее, и для ее решения пришлось существенно трансформировать методологию описания деформируемого твердого тела.

Это было сделано на основе выдвинутых томской школой двух принципиально новых концептуальных положений:

1. Пластическая деформация развивается на трех масштабных уровнях: микро-, мезо- и макро-, причем деформируемое твердое тело необходимо описывать как многоуровневую самосогласующуюся систему.

2. Физика пластического течения и разрушения твердых тел связана с потерей их сдвиговой устойчивости на различных масштабных уровнях. Эти явления должны описываться на основе представлений о сильнонеравновесных состояниях в нагруженном твердом теле.

Таким образом, на смену силовым моделям теории дислокаций и механики сплошной среды пришла синергетическая методология рассмотрения деформируемого твердого тела как сильнонеравновесной системы.

Для изучения механизмов деформации на мезо-уровне были разработаны новые методы с использованием спекл-интерферометрии, оптико-телевизионных средств технического зрения, измерения фрактальной размерности поверхности деформируемого твердого тела. Оказалось, что на мезоуровне как целое движутся трехмерные структурные элементы (мезообъемы). В этом случае достаточно рассмотреть представительный объем, состоящий из нескольких десятков мезообъемов, чтобы записать уравнения мезомеханики, учитывающие внутреннюю структуру деформируемого твердого тела. Деформация на микромасштабном уровне учитывается в уравнениях мезомеханики как аккомодационный процесс. Таким образом, введение мезомасштабного уровня позволило органически объединить физику пластической деформации (микроуровень) и механику деформируемого твердого тела (макроуровень). Новое научное направление получило название “Физическая мезомеханика”.

Методология физической мезомеханики позволяет осуществить компьютерное конструирование материалов с заданными механическими свойствами на базе решения обратных задач. Это дает возможность объединить физическую мезомеханику и физическое материаловедение в рамках самостоятельного и более широкого научного направления — физическая мезомеханика ма-

териалов. В развитии этого направления Институт физики прочности и материаловедения СО РАН сохраняет мировой приоритет.

Как высокую оценку и признание заслуг коллектива Института в создании нового научного направления в науке о прочности и решении ряда важных прикладных задач материаловедения следует рассматривать присвоение Институту физики прочности и материаловедения СО РАН статуса Государственного научного центра Российской Федерации, который он имел в 1994-1997 годах.

2. Организация научных исследований

К настоящему времени в Институте сложилась устойчивая структура организации научных исследований в области физики прочности, механики деформируемого твердого тела и современного материаловедения. Основное научное направление Института физики прочности и материаловедения СО РАН — физическая мезо-механика материалов. Главные идеи этого подхода состоят в учете пространственной и временной неоднородностей пластической деформации на разных иерархически связанных масштабных уровнях, решающей роли свободной поверхности и внутренних границ раздела в развитии пластического течения и определяющего вклада концентраторов напряжений разного масштаба в динамику процессов деформации и разрушения. Это принципиально отличается как от классического дислокационного подхода, так и от присущего механике сплошной среды подхода, в котором внутренняя структура не учитывается. Физическая мезомеханика оперирует с иерархией масштабов структурных уровней деформации среды.

В рамках физической мезомеханики материалов сформировалось несколько направлений исследований, ориентированных на решение фундаментальных и прикладных задач современного материаловедения и теории прочности и пластичности.

Первым из них является физическая мезомеханика структурно-неоднородных сред. Экспериментальные и теоретические исследования закономерностей пластической деформации и разрушения твердых тел, имеющих внутреннюю структуру, создают методологическую базу для развития основного научного направления и всех связанных с ним фундаментальных и прикладных работ. В физической мезомеханике теоретически и экспериментально обоснованы концептуально новые положения, которые качественно отличаются от традиционных подходов теории дислокаций и механики сплошной среды.

Дискретный характер движения мезообъемов как целого приводит к необходимости рассмотрения в пластическом течении не только сдвигов, но и поворотных мод деформации. Как следствие, в мезомеханике элементарным актом деформации является не сдвиг, а

Оптико-телевизионный измерительный комплекс ТОМ8С для изучения мезомасштабных механизмов деформации и разрушения материалов

“сдвиг + поворот”. Поворотные моды деформации обусловливают самоорганизацию пластического течения на всех структурных уровнях среды, а также формируют новые диссипативные структуры в вихревых полях деформируемого твердого тела.

Деформируемый кристалл постоянно фрагментируется во всей иерархии масштабных уровней, что проявляется в локализации его деформации на всех стадиях пластического течения. Разрушение является завершающей стадией этой фрагментации, когда макролокализация пластического течения вызывает разделение деформируемого твердого тела на две (или более) части.

Главная задача физической мезомеханики - вскрыть экспериментально механизмы нарушения исходной структуры деформируемого твердого тела (на языке деформационных дефектов различного типа) и разработать адекватный математический аппарат для описания пластического течения и разрушения многоуровневой, иерархически самоорганизующейся системы.

Одним из наиболее перспективных объектов применения нового подхода к проблеме пластичности явились наноструктурные и наноразмерные материалы и покрытия. Изучению материалов с размером зерна порядка десятков межатомных расстояний во всем мире уделяется в настоящее время большое внимание. Эти материалы справедливо считаются основой современного материаловедения. В Институте организованы и проводятся всесторонние исследования особенностей структуры и поведения при нагружении таких материалов как в объемном состоянии, так и в виде нанострук-турированных поверхностных слоев и покрытий, создаваемых на деталях машин. Эти исследования проводятся в тесном содружестве с научными организациями Москвы, Минска, Санкт-Петербурга, Уфы, Новосибирска.

Важной областью интересов научных коллективов лабораторий Института являются материалы новых поколений на металлической, керамической и полимерной основах. Это направление вообще является прио-

Спекл-интерферометр для исследования макролокализации пластической деформации

ритетным для материаловедов и металлофизиков Томска и неудивительно, что деятельность Отдела физики твердого тела и материаловедения в ИОА СО РАН с 1979 года и ИФПМ СО РАН с 1984 года началась именно с работ в области порошковой металлургии, упрочняющих и защитных покрытий, композитных материалов, новых сталей и сплавов. Все эти исследования продолжаются в Институте и в настоящее время, однако применение методов физической мезомеханики позволило придать традиционному направлению новую динамику. Были организованы работы по созданию новых керамических материалов из ультрадисперсных порошков диоксида циркония, позволившие получить материалы с уникальным сочетанием прочности и вязкости, были разработаны новые композиты на металлической и полимерной основах.

Традиционные методы создания новых материалов, в основе которых обычно лежит экспериментальный перебор множества вариантов составов, режимов приготовления и термических обработок, практически исчерпали себя, поскольку оказались слишком дорогими и трудоемкими. Еще в 80-е годы XX века в ИФПМ СО РАН начались работы по компьютерному конструированию новых материалов и технологий их получения,

Высокопрочный и высоковязкий керамический конструкционный материал

Компьютерное конструирование эндопротезов с гетерогенной демпфирующей структурой на основе метода подвижных клеточных автоматов

призванные существенно удешевить процедуру создания новых материалов и сократить сроки, необходимые для этого. Новый подход базируется на совместном использовании идей физической мезомеханики материалов и информационных технологий и успешно развивается в Институте на протяжении последних 15 лет.

В современном машиностроении давно сложилось понимание того факта, что наиболее ответственной частью практически любого реального изделия является его рабочая поверхность. Управляя ее состоянием, можно существенно повысить показатели надежности машин. Это породило множество методик и технологий поверхностной обработки, которые широко представлены в ИФПМ СО РАН работами по созданию научных основ технологий упрочнения и поверхностной обработки материалов. Разработки Института в этом направлении отличает комплексность подхода. Вместе с выбором оптимального состава, толщины и структуры покрытий разрабатывается оригинальная аппаратура для их нанесения, которая находит широкое промышленное применение. При этом проводится также обучение персонала предприятий-заказчиков навыкам работы на та-

ком оборудовании. Среди разработанных в Институте технологий упрочнения и модификации поверхностей необходимо отметить электронно-лучевую и электро-дуговую наплавку, комплексную химико-термическую обработку, ионно-плазменные и электроискровые технологии, ультразвуковую финишную обработку. Одним из последних достижений Института является разработка технологии создания в конструкционных материалах наноструктурированных поверхностных слоев. Это повышает макромеханические и эксплуатационные характеристики материала, особенно его усталостную прочность.

Решение задачи повышения надежности и безотказности работы машин, механизмов, конструкций, на что направлены усилия всего коллектива Института, невозможно без создания новых неразрушающих методов контроля состояния и качества материалов и изделий из них. Это направление исследований сформировалось на основе выполненных учеными Института оригинальных разработок, предназначенных для исследований структуры и свойств материалов и используемых при экспериментальном анализе пластического течения на мезоскопическом масштабном уровне. Были созданы методики оптико-телевизионного анализа рельефа поверхности деформируемых тел с определением его количественных характеристик, таких как фрактальная размерность, спекл-интерферометрии в фотографическом и телевизионном вариантах для визуализации зон локализации пластической деформации, а также ультразвуковые методики и приборы для оценки механических характеристик материалов непосредственно в работающих конструкциях без изготовления специальных образцов. Эти методики неразрушающего контроля в настоящее время широко используются в различных отраслях машиностроения и транспорта России.

Триботехнический комплекс для ультразвуковой финишной обработки бандажей локомотивных колес

Малогабаритная вакуумная установка для ионно-плазменного нанесения покрытий “Микра”

Акусто-оптический комплекс для диагностики материалов и конструкций: оптико-телевизионная (слева) и акустическая (справа) части комплекса

3. Инновационная деятельность

90-е годы XX века были для Института периодом поиска новых форм организации своей практической деятельности. Институт формировал новые направления прикладных исследований, устанавливал новые связи с предприятиями. Это было время адаптации к рыночным условиям, показавшее, что для обеспечения развития Института работать с рынком необходимо профессионально. Поэтому в 2002 году в ИФПМ СО РАН был создан отдел инновационного развития (ОИР), призванный обеспечить развитие Института в сфере инновационной деятельности.

Сегодня ОИР активно взаимодействует практически со всеми подразделениями Института. Такая организация обеспечивает подготовку и сопровождение инновационных проектов как регионального, так и федерального уровней. Кроме того, ОИР привлекает новые заказы на НИР и ОКР, инициирует новые направления прикладных работ, изыскивает источники их финансирования, решает вопросы сертификации научно-технической продукции и технологий, а также представляет интересы Института в области инновационной деятельности на уровне министерств и ведомств. Налажено взаимодействие с другими элементами инновационной инфраструктуры Томска и других регионов России. Некоторые проекты федерального уровня, в которых Институт физики прочности и материаловедения СО РАН является головной организацией, инициированы и продвигаются Администрацией Томской области, чья активная инновационная политика получила заслуженное признание на федеральном уровне.

Работа ОИР в 2003 году позволила увеличить объем привлеченных средств за счет выигранных грантов, участия в различных программах, но в основном благодаря продвижению на рынок завершенных разработок. Перспективным является опыт взаимодействия с отраслевыми предприятиями, в частности, предприятиями ОАО “Российские железные дороги”. По итогам работы ОИР в 2002-2003 гг. более 50 локомотивных депо по всей стране, от Владивостока до Новороссийс-

ка, оснащены приборами и оборудованием, разработанными в Институте.

4. Комплексные проекты

В последние годы проходит реформирование организации научных исследований в институтах Российской академии наук. Необходимость сосредоточения усилий ученых на наиболее важных направлениях научнотехнического прогресса привела к сокращению числа тем, независимо разрабатываемых в институтах. В связи с этим Сибирское отделение РАН сформировало Перечень приоритетных направлений исследований СО РАН. Коллектив ИФПМ СО РАН работает теперь в рамках приоритетного направления «8. Проблемы деформирования и разрушения структурно-неоднородных сред и конструкций». В ходе реформы Институт стал основным исполнителем двух программ, выполняемых в соответствии с этим Перечнем. При этом координатором Программы «8.1. Развитие теоретических и экспериментальных основ физической мезомеханики материалов и проблемы создания перспективных материалов с многоуровневой структурой» является научный руководитель Института академик В.Е. Панин, а координатором Программы «8.2. Научные основы создания композитных и наноструктурных материалов на металлической, керамической и полимерной основах с высокими механическими и функциональными свойствами» директор Института является д.ф.-м.н. С.Г. Псахье. В конце 2003 года Ученый Совет ИФПМ СО РАН принял решение об организации в Институте исследований по пяти следующим комплексным проектам, входящим в названные Программы:

«8.1.1. Основы физической мезомеханики конструкционных, инструментальных и функциональных материалов с наноструктурными и градиентными поверхностными слоями и внутренними границами раздела» (руководитель — академик В.Е. Панин);

«8.1.2. Экспериментальное и теоретическое исследование взаимосвязи и корреляции процессов локализации деформации на мезо- и макроуровнях в струк-

турно-неоднородных материалах и конструкциях с концентраторами напряжений и принципы построения критериев предельных состояний для них» (руководитель — д.ф.-м.н. Л.Б. Зуев);

«8.2.1. Разработка научных основ формирования неравновесных состояний с многоуровневой структурой методами ионно-плазменных и импульсных электронно-лучевых технологий в поверхностных слоях материалов и получение покрытий с высокими прочностными и функциональными свойствами. Разработка и создание методик, устройств и оборудования» (руководители — д.ф.-м.н. С.Г. Псахье и д.ф.-м.н. А.И. Лотков);

«8.2.2. Исследование роли диффузионно-контролируемых процессов в формировании структуры и упругопластических свойств многоуровневых объемных наноструктурных композитов с металлической матрицей. Разработка на их основе перспективных материалов для медицины и техники» (руководитель — д.ф.-м.н. Ю.Р. Колобов);

«8.2.3. Разработка научных основ создания керамических композитов с иерархической внутренней структурой для современных отраслей техники» (руководитель — д.ф.-м.н. С.Н. Кульков).

5. Институт физики прочности и материаловедения СО РАН сегодня

Руководители Института

С момента создания Института в 1984 г. и до 2002 г. его бессменным директором являлся академик В.Е. Панин. В 2002 г. директором Института избран профессор

С.Г. Псахье. Основатель Института академик В.Е. Панин постановлением Президиума РАН назначен научным руководителем Института.

Научное направление

Институт проводит фундаментальные научные исследования по основному научному направлению — физическая мезомеханика материалов, в рамках которого можно выделить следующие направления научных исследований:

- физическая мезомеханика структурно-неоднородных сред;

- наноструктурные объемные и наноразмерные материалы, наноструктурированные поверхностные слои, тонкие пленки и покрытия;

- материалы новых поколений на металлической, керамической и полимерной основах;

- компьютерное конструирование новых материалов и технологий их получения;

- научные основы технологий упрочнения и поверхностной обработки материалов;

- неразрушающие методы контроля.

Фундаментальные и прикладные исследования, проводимые в Институте, отвечают профилю его научной деятельности, соответствуют Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации и характеризуются высоким научным и техническим уровнем. По основному научному направлению фундаментальных исследований — физическая ме-зомеханика материалов — Институт занимает ведущие позиции в России и в мире. В 2002 году комплексному коллективу ученых ИФПМ СО РАН и Национальной академии наук Беларуси присуждена премия им. академика В.А. Коптюга. Пять молодых ученых Института награждены премиями СО РАН имени академиков М.А. Лаврентьева, В.Д. Кузнецова, Ю.Н. Работнова и М.Ф. Жукова. Две студентки ТПУ, выполнявшие свою научноисследовательскую работу в ИФПМ СО РАН, награждены медалями РАН по итогам конкурса молодых ученых и студентов.

Состав Института Общая численность из них

- в научных лабораториях

- научных сотрудников

- академик РАН

- докторов наук

- кандидатов наук

Подготовка кадров

- докторантура по 3-м специальностям

- аспирантура по 8-ми специальностям

- численность аспирантов 41 человек

- ежегодный набор в аспирантуру 15-17 человек

Диссертационные советы

- докторский Д 003.038.01 (специальности 01.02.04 -механика деформируемого твердого тела, 01.04.07 - физика конденсированного состояния, 05.16.01 - металловедение и термическая обработка металлов);

- кандидатский К 003.038.01 (специальность 05.03.06 -технология и машины сварочного производства).

Структура Института

- 3 научных отдела, 20 научных лабораторий,

- Отделение «Республиканский инженерно-технический центр по восстановлению и упрочнению деталей машин и механизмов»,

- Опытный завод,

- Международный научный центр по физической мезомеханике.

Производственные площади

- пять корпусов с общей площадью 22600 м2,

- площадь научно-производственного комплекса 19818 м2 (в том числе 2 592 м2 — строящийся экспериментальный цех).

405 человек,

273

151

1

33

96

Информационная инфраструктура

- локальная компьютерная сеть (200 персональных компьютеров),

- в локальной сети используется 7 серверов,

- общее число компьютеров в Институте более 230,

- сайт Института в Интернете: www.ispms.ru

Сотрудничество с вузами

Институт сотрудничает с вузами Томска, Новосибирска, Новокузнецка и других городов. В единый научно-образовательный комплекс входят ИФПМ СО РАН и материаловедческие кафедры Томского государственного университета, Томского политехнического университета и Томского государственного архитектурностроительного университета, а также лаборатории Сибирского физико-технического института. В Институте работают филиалы кафедр ТПУ и ТГУ. Совместно с Сибирским государственным университетом путей сообщения создана Межотраслевая лаборатория акустики деформируемых материалов. Ежегодно в Институте проходят производственную и преддипломную практики более пятидесяти студентов.

В рамках ФЦП «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» в Институте работает Центр фундаментальных исследований и элитарного образования «Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование новых материалов». В сотрудничестве с ТГУ также созданы и действуют Научнообразовательный центр «Физика и химия высокоэнергетических систем» и Томский материаловедческий центр коллективного пользования. В Институте создан филиал Отделения послевузовского профессионального образования Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Издательская деятельность:

Институт издает международный журнал «Физическая мезомеханика» (6 номеров в год на русском и английском языках). Журнал включен в перечень изданий ВАК, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Международное сотрудничество

Институт имеет двусторонние договоры и прямое сотрудничество с 24 институтами, университетами и исследовательскими центрами США, Германии, Авст-

рии, Израиля, Китая, Кореи, Словении, Японии, Бело-руси, Казахстана.

Ведутся контрактные работы и заключены соглашения с Лос-Аламосской национальной лабораторией (США), Штутгартским университетом, Берлинским техническим университетом, Падерборнским университетом, Федеральным институтом исследования и испытания материалов (Германия), Шеньянским технологическим институтом (КНР), Международным научнотехническим центром (МНТЦ), Институтом Иожефа Стефана (Словения), компанией MAIS (Словения) и др.

Институт совместно с научными организациями Китая, Дании, Греции, Израиля, Японии, Германии и других стран ежегодно проводит международные конференции по физической мезомеханике материалов.

В течение 2003-2004 годов ученые Института сделали более 60 докладов на конференциях за пределами России.

Институт является головной организацией по технологиям упрочнения и восстановления деталей машин и механизмов секции “Наука, вузы, инновации: промышленная и инвестиционная политика” Ассоциации сибирских и дальневосточных городов. Секция является координационным и рекомендательно-консультативным органом Ассоциации по вопросам формирования муниципальной политики в сфере развития науки, высшего образования и инноваций. ИФПМ СО РАН также является головной организацией Российского материа-ловедческого центра, учрежденного в 1992 году совместным решением Министерства науки РФ, Президиума СО РАН и Администрации Томской области.

Четверть века прошло с того знаменательного события, когда десант томских металлофизиков в составе 13 человек высадился под крышей гостеприимного Института оптики атмосферы СО РАН. Прошедшие годы не были простыми для энтузиастов отечественной науки: строительство пяти корпусов, создание современной материальной базы, формирование собственного научного лица и тяжелейший период выживания в последнее десятилетие ушедшего века. За этот период в Институте сложился сбалансированный комплексный коллектив ученых, инженеров и технологов, который в новых условиях инновационного развития способен решать сложные научно-технические проблемы. Более четверти коллектива Института составляет талантливая молодежь, а это значит, что у коллектива Института есть будущее.