Учёными Тольяттинского государственного университета (ТГУ) создан принципиально новый подход к предсказанию разрушения металлических материалов. Исследование проводилось при поддержке Российского научного фонда.
Ирина Медведева
Иллюстративное фото. Источник: freepik.com. Источник фото: Пресс-служба ТГУ
По информации пресс-службы ТГУ, подход базируется на исследовании фрактальных свойств математических закономерностей, описывающих сложную структуру поверхности и внутреннего объёма металла под нагрузкой. Данная разработка даёт возможность обнаруживать неявные признаки будущих техногенных катастроф на таких этапах, когда стандартные средства диагностики ещё не регистрируют никаких отклонений.
Связь параметров внутренней структуры и поверхности материала
Разрушение металлов в ходе эксплуатации процесс, несущий высокие риски и плохо поддающийся предварительной оценке. В связи с этим критически важной задачей становится прогнозирование периодов стабильной и безопасной работы ответственных деталей и механизмов, подвергающихся пластическим деформациям. Решение этой задачи позволит предотвратить аварии, часто влекущие за собой человеческие жертвы.
Ключевую роль на этапе анализа и прогноза играют фундаментальные научные изыскания. Опыты подтвердили, что пластическая деформация металлов связана с развитием дефектов кристаллической решётки как внутри материала (дислокации), так и на его поверхности.
Образовавшиеся структуры анализируются с помощью методов нелинейной динамики через их фрактальные, или самоподобные, характеристики.
Специалисты ТГУ выдвинули и обосновали предположение, что на определённых стадиях деформации существует взаимная связь фрактальных параметров объёма и поверхности.
Проводя эксперименты с образцами меди и никеля, группа ученых установила, что мельчайшие внутренние дефекты поверхности формируют самоподобные фрактальные структуры.
Сигнал о переходе материала в критическую фазу — «диагностический экран»
Основное открытие состоит в фиксации того времени, когда трансформация рельефа поверхности и процессы внутри металла прекращают быть согласованными. Разрыв этой математической корреляции является сигналом о переходе материала в критическую фазу, предшествующую разрушению.
Для обнаружения данного «сигнала тревоги» использовалась система высокочувствительного оборудования и алгоритмы, нашедшие применение в медицине (для анализа энцефалограмм), финансовой сфере, геофизике, технической диагностике (неполадки в механизмах) и физике. Так удалось зафиксировать специфические параметры, демонстрирующие опасный уровень внутренних напряжений.
Ведущий научный сотрудник ТГУ Игорь Ясников пояснил, что разработанный подход превращает поверхность металла в своеобразный «диагностический экран», дающий возможность оценить состояние его внутренней структуры. Он уточнил — разработки продемонстрировали факт, что фрактальная сложность поверхности металла прямо указывает на локализацию деформации.
До определённого предела внутренние и внешние процессы идут синхронно, однако непосредственно перед разрушением согласованность исчезает. Фиксация момента разрыва корреляции с высокой точностью позволяет вычислить «точку невозврата» для любого металлического изделия или элемента.
«Фактически создан инструмент, позволяющий измерить степень «усталости» металла в конкретных физических величинах ещё до появления первых видимых трещин», отметил Игорь Ясников.
Перспективы методики — обеспечение промышленной безопасности
Внедрение этой технологии в практику может кардинально поменять принципы обеспечения промышленной безопасности и технического мониторинга. Вместо сложного и дорогого сканирования внутренней структуры специалисты получат возможность видеть степень надёжность элементов по анализу состояния их поверхности и параметров акустического шума.
Методика перспективна для создания ИИ-систем мониторинга в авиации, атомной энергетике и строительстве мостов. Эти системы способны делать онлайн-прогноз остаточного ресурса оборудования и предотвращать аварии благодаря сверхраннему выявлению критических состояний материалов.
Еще новости по материаловедению от журнала «Химагрегаты»: специалисты НИТУ «МИСИС» предложили оригинальную методику создания алюминиевых сплавов для энергетики. Данная разработка даёт возможность улучшить механические и прочностные свойства материала, не ухудшая его способности проводить электрический ток.