Особенности и закономерности поведения дефектного ансамбля в твердом теле как нелинейной динамической системы и его мониторинг методами акустической эмиссии и поверхностной топографии

Основная цель заявленного Проекта состоит в том, чтобы используя метод акустической эмиссии как основной индикатор, прецизионно отражающий динамику дефектного ансамбля при деформации твердого тела, установить взаимосвязь между особенностями и закономерностями поведения топографических характеристик поверхности материала на различных масштабных уровнях при различных степенях деформации и результатами анализа временных рядов акустической эмиссии. Поскольку по гипотезе авторов настоящего Проекта данные о микроструктуре будут однозначно связаны со свойствами материала в разрезе близости к критическому состоянию, то результаты анализа временных рядов акустической эмиссии позволят подобрать критерии чувствительности локальной и глобальной неоднородности пластической деформации, которые будут отражать степень близости материала к критическому состоянию.

Актуальность решения поставленной в рамках Проекта задачи состоит в необходимости прогнозирования интервалов устойчивой и безотказной работы критических элементов и узлов машин и механизмов испытывающих локальные и глобальные пластические деформации. Это позволит избежать техногенных аварий и катастроф, которые зачастую приводят к человеческим жертвам.

Научная новизна заявленного Проекта определяется синергетическим эффектом от применения современных экспериментальных методов и методик для получения зависимостей между структурой материала на различных масштабных уровнях и его свойствами в широком диапазоне технологических параметров эксплуатации с деформационными и силовыми воздействиями, а также использованием современных аналитических методов нелинейной динамики для трактовки полученных экспериментальных результатов, что будет шагом вперед в методологическом описании критического состояния материала.

В результате выполнения Проекта будет разработана и обоснована методика эксперимента, которая позволит регистрировать экспериментально наблюдамые топографические характеристики рельефа поверхности твердого тела при различных степенях его деформации. В результате реализации данной методики с помощью оптического профилометра белого света Zygo NewView 7100, видеокамеры системы анализа изображений uniDAC и статической испытательной машине Kammrath&Weiss с двухсторонним приложением нагрузки будут получены данные по первичным характеристикам рельефа поверхности, а также карты истинных деформаций методом корреляции цифровых изображений. Далее, рассматривая сигнал акустической эмиссии как временной ряд, будет проведен его анализ (в частности, количественный рекуррентный анализ) и с позиций нелинейной динамической системы получены характеристики дефектного ансамбля, формирующие данный сигнал.

Как основной результат выполнения Проекта будут установлены возможные корреляции между характеристиками рельефа поверхности деформируемого твердого тела и характеристиками сигнала акустической эмиссии на примере выбранных ГЦК-металлов (медь, никель, алюминий).

Мы полагаем, что научная значимость полученного в результате выполнения Проекта решения указанной проблемы будет определяться возможностью не только качественно, но и количественно характеризовать поведение деформируемого твердого тела как нелинейной системы, и, в частности, позволит идентифицировать переходы между различными стадиями исследуемых процессов и явлений, которые могут являться реперными точками для идентификации близости критического состояния материала при эксплуатации.

1. Разработана и обоснована методика эксперимента, которая позволяет регистрировать экспериментально наблюдаемые характеристики рельефа поверхности твердого тела при различных степенях его деформации. При этом одноосносная деформация образцов осуществлялась на компактной статической испытательной машине Kammrath & Weiss (Германия), а сама испытательная машина вместе с образцом находилась в поле наблюдения оптического профилометра Zygo NewView 7100, который позволял бесконтактно измерять топографию поверхностей в трех измерениях по принципу сканирующей интерферометрии белого цвета.
2. Реализована первая серия экспериментов с использованием оптического профилометра для бесконтактного измерения топографии поверхности в трех измерениях по принципу интерферометрии белого цвета. При этом полученные в результате эксперимента данные с одного и того же участка поверхности были проанализированы современными методами вычислительной математики и получены значения фрактальной размерности при различных значениях приложенного механического напряжения. Фрактальная размерность продемонстрировала возрастающий тренд на участке устойчивого пластического течения от предела текучести и практически до точки потери его устойчивости.
3. Реализован алгоритм обработки первичных характеристик рельефа поверхности современными вычислительными методами, которые позволяют получать необходимые характеристики поверхностей (в том числе фрактальные) с помощью анализа числовых рядов, а также одномерных и двумерных множеств (профилей). Сопоставление полученных результатов с результатами других авторов не обнаружило явных противоречий в выявленном поведении фрактальной размерности, а скорее обозначило особенности и закономерности применяемых вычислительных методов.