Невидимые трещинки: как в ИПМ РАН проводят диагностику конструкций

Уже более 15 лет в ИПМ РАН существует лаборатория неразрушающего контроля и диагностики материалов и конструкций. Ее создал доктор технических наук Василий Васильевич Мишакин. Он пригласил в нее своих учеников с физфака ННГУ, которым он преподавал курс по неразрушающему контролю. Пришла пора применить знания на практике.

Первой задачей стало оснащение лаборатории современным оборудованием. Для этого сотрудники подавали заявки на гранты. Средствами много помогал Институт прикладной физики РАН. Первое большое приобретение – растровый электронный микроскоп – получили от Российской академии наук. Позже появился ультразвуковой томограф, точные дефектометры, трибометры, целая коллекция микроскопов для стационарной и выездной работы. Прецезионная (сверхточная) ультразвуковая установка позволяет генерировать акустическую волну от 1 до 10 МГц и определять время прохождения волны с точностью до одной наносекунды и даже меньше. Хорошее оснащение лаборатории дало хороший старт научным исследованиям.

В начале мы расскажем о фундаментальных исследованиях лаборатории. В первую очередь, это оценка поврежденности металла еще до появления трещин на материале. Накопление микроповреждений, зачастую, проходит без видимых изменений изделия, поэтому очень важно определить фактическое состояние материала до образования макродефекта, высчитать время до образования трещины, точно определить ресурс детали или конструкции.

У материала со временем исчерпывается ресурс пластичности, накапливаются пока невидимые поры, а самое коварная и незаметная вещь – так называемая «усталость».

Лаборатория обладает высочувствительными приборами для обнаружения микро- и даже наноповреждений не только на поверхности деталей, но и глубоко внутри. Они на несколько порядков точнее традиционных методов дефектоскопии. А современная атомная отрасль уже ставит задачи по определению фазовых превращений в металле – когда со временем появляются в нем магнитные свойства. И это невидимое глазом изменение, оказывается, влияет на кристаллическую решетку материала, его упругие свойства, влияет на динамику развития повреждений и их качество. В традиционном машиностроении такие изменения обычно не улавливают и в расчет не берут.

Сотрудники лаборатории разработали несколько собственных моделей для определения ресурса материалов. Для «глубокого» изучения они используют ультразвуковые методы, с высокой точностью определяя «время пролета» упругой акустической волны и его изменения. И важно, что, применяя этот метод, в отличие от рентгена, ученые могут судить об изменении текстуры во всем объеме детали.

Поверхностные слои изучаются методом протравливания, который позволяет выделить зерна металла, изучить их сдвиги, выдавливания и вдавливания. Ниже, в приповерхностном слое, где образуются первые микротрещины, используют вихретоковые исследования. Помимо поиска микротрещин, этим способом можно узнать, как меняются магнитные свойства металлов, электрическое сопротивление, ориентация кристаллов. Изучив все это, ученые способны с высокой точностью прогнозировать дальнейшее развитие дефектов, предсказать опасные и недопустимые события, а предприятия могут вовремя запланировать ремонт.

Сейчас у сотрудников лаборатории более 200 научных публикаций в рецензируемых журналах и около 20 патентов в области диагностики материалов.

Одна из амбициозных научных задач, которую ставят себе нижегородские физики в настоящее время – понять механизм развития усталости, когда меняется кристаллическая решетка металла. На эти вопросы еще никто из научного сообщества ответа не нашел.