Разработка фундаментальных основ для расчетно-экспериментальной водородной диагностики деградации свойств конструкционных материалов в агрессивных коррозионных средах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-19-00160

НазваниеРазработка фундаментальных основ для расчетно-экспериментальной водородной диагностики деградации свойств конструкционных материалов в агрессивных коррозионных средах

Руководитель Полянский Владимир Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем машиноведения Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Механохимия, диффузия водорода, водородная хрупкость, агрессивная среда, химический потенциал, прогнозирование сроков эксплуатации, техническая диагностика, вмещающая среда

Код ГРНТИ30.03.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Повышение прочности и коррозионной стойкости металлов и сплавов является одним из основных направлений развития современной технологии. Такой подход позволяет не только экономить ресурсы, но и получать принципиально новые конструкции с уникальными характеристиками. Увеличение прочности, в том числе и за счет наноструктурирования приводит к целому ряду проблем. Одной из этих проблем является рост чувствительности всех механических характеристики к малым концентрациям водорода. Дополнительным вызовом является использование металлических конструкций, деталей и узлов в экстремальных условиях, например, на крайнем севере, внутри современных высокоэффективных газотурбинных двигателей с повышенной температурой рабочего цикла, в водородной, ядерной и термоядерной энергетике. С одной стороны, водород увеличивает хладоломкость и хрупкость металлов, с другой стороны, - он фактически является одним из основных компонентов «рабочего тела» или внешней агрессивной среды. Поэтому необходимо учитывать его влияние на всех фазах проектирования и эксплуатации конструкций машин и механизмов. Уже разработанные в науке методы и подходы к исследованию водородных проблем не позволяют ответить на эти вызовы. Последствия водородной деградации подробно исследованы. Но для безопасности эксплуатации конструкций, машин и механизмов в агрессивной внешней среде важно, сколько времени займет водородная деградация, как на нее влияют внешние нагрузки и как ее можно предсказать, диагностировать и замедлить. В современной науке имеются противоречия и пробелы на фундаментальном уровне по трем основным направлениям учета влияния водорода: проникновению из агрессивной среды, транспорту и накоплению внутри металла и влиянию накопленного водорода на механические свойства. Например, константы диффузии водорода в справочниках указываются с точностью до порядка величины, а один и тот же эксперимент с образцами, вырезанными из одного прутка, при общепринятых методах определения энергии связи водорода дает кратные расхождения результатов. Процессы сорбции и десорбции водорода на поверхности образца исследованы на тонком физическом уровне, но нет методов моделирования и расчета просачивания водорода из внешней среды, в том числе, при приложении термо-механической нагрузки. Известные эмпирические зависимости не позволяют построить общую базу для моделирования и расчета. Это приводит к тому, что прогнозирование, например, усталостной прочности стенок морских газопроводов или титановых элементов конструкции ядерного реактора осуществляется на основании длительных и дорогостоящих испытаний конкретной марки сплава. В известных моделях описания влияния накопленных концентраций водорода на механические свойства материалов также имеются многочисленные противоречия. Эволюционный, «процессный» подход не имеет методических оснований и в технологиях измерений и технологического контроля концентрации водорода. Современный уровень разделения труда не позволяет управлять концентрацией водорода в рамках одного предприятия, а технологии входного и текущего контроля не разработаны. Предлагаемый проект направлен на разработку фундаментальной научной базы для решения всех вышеперечисленных проблем. Методической основой проекта является новый эволюционный подход, который перекликается с современным «процессным» подходом в производственных процессах. Проект направлен на экспериментальное и теоретическое исследование эволюционной динамики взаимодействия водорода с твердым телом. Будет исследовано взаимное влияние просачивания, транспорта и накопления водорода внутри металлов, на механические характеристики вмещающей водород сплошной среды, находящейся под действием термо-механических нагрузок. В проекте планируется использовать различные подходы: Модели многоконтинуальных сплошных сред для учета многомасштабного взаимодействия водорода с металлом, имеющим различную структуру (вплоть до наноразмерной); Модели моментных сред, позволяющие описать и исследовать поверхностные эффекты с точки зрения механики сплошной среды, в том числе, с учетом термомеханической нагрузки; Различные модели транспорта водорода, многоканальную диффузию, многоконтинуальную модель сплошной среды, механохимические модели. Экспериментальные методики исследования планируется построить на базе промышленного оборудования и промышленных стандартов на испытания металлов в коррозионных средах, измерений содержания водорода, механических испытаний и измерения механических характеристик, для того, чтобы результаты проекта можно было максимально быстро внедрить. Практически все предлагаемые авторами подходы, являются оригинальными, разработаны авторами и уже апробированы при решении других задач, в том числе, и для промышленности.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Григорьева П.М., Вильчевская Е.Н. Влияние выбора модели диффузии на кинетику химической реакции Diagnostics, resource and mechanics of materials and structures (год публикации - 2019)

2. Сеыедкавооси С., Вильчевская Е., Севостьянов И. Randomly Oriented Cracks in a Transversely Isotropic Material International Journal of Solids and Structures, Vol.150, рр. 222-229 (год публикации - 2018)
10.1016/j.ijsolstr.2018.06.013

3. Беляев А.К., Полянский В.А. Some approaches to harmonic wave propagation in elastic solids with random microstructure Proceedings of the International Conference “Days on Diffraction", pp. 38–43 (год публикации - 2018)
10.1109/DD.2018.8553491

4. Полянский В.А., Беляев А.К., Третьяков Д.А., Яковлев Ю.А., Полянский А.М. Averaged equations for bi-continuum material in the long-wavelength approximation Proceedings of the International Conference “Days on Diffraction", pp. 245-250 (год публикации - 2018)
10.1109/DD.2018.8553499

5. Полянский A.M., Полянский B.A., Яковлев Ю.А. Исследование изменения структуры современных конструкционных материалов с помощью анализатора водорода АВ-1 Сборник материалов четвертого междисциплинарного научного форума с международным участием "Новые материалы и перспективные технологии", T.1, с. 760-763 (год публикации - 2018)

6. Фролова К., Вильчевская Е., Полянский В., Алексеева Е. Modelling of a hydrogen saturated layer within the micropolar approach Special Edition "New Achievements in Continuum Mechanics and Thermodynamics" in Advanced Structured Materials, Springer Nature (год публикации - 2019)

7. Морозова А.С., Вильчевская Е.Н., Мюллер В.Х., Бессонов Н.М. Interrelation of heat propagation and angular velocity in micropolar media "Dynamical Processes in Generalized Continua and Structures", series Advanced Structured Materials, Springer International Publishing AG (год публикации - 2019)

8. Григорьева П.М., Вильчевская Е.Н. Выбор модели диффузии и его влияние на кинетику химической реакции Труды IX международной конференции "The problems of interaction of deformable media", с. 133-137 (год публикации - 2018)

9. Арсеньев Д.Г., Беляев А.К., Полянский А.М., Полянский В.А., Яковлев Ю.А. Benchmark study of measurements of hydrogen diffusion in metals Dynamical Processes in Generalized Continua and Structures, series Advanced Structured Materials, Springer International Publishing AG (год публикации - 2019)

10. Морозова А.С., Вильчевская Е.Н. Взаимосвязь распространения тепла и угловой скорости в микрополяных средах Сборник докладов научной конференции с международным участием «XLVII Неделя науки СПбПУ» (год публикации - 2018)

11. Яковлев Ю.А., Третьяков Д.А. Hydrogen in materials obtained using of additive technologies Proceedings of the International Conference on “Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications” (PHENMA 2018) (год публикации - 2018)

12. Полянский В.А., Беляев А.К., Яковлев Ю.А., Полянский А.М., Третьяков Д.А. Influence of skin effect of plastic deformation on hydrogen accumulation in metals AIP Publishing Conference Proceedings (год публикации - 2018)

13. Фролова К.П., Вильчевская Е.Н., Полянский В.А. Моделирование наводороженного поверхностного слоя в рамках теории микрополярных сред Сборник докладов научной конференции с международным участием «XLVII Неделя науки СПбПУ» (год публикации - 2018)

14. Григорьева П.М., Вильчевская Е.Н. Кинетика фронта химической реакции в телах с осевой симметрией в задачах механохимии Сборник докладов научной конференции с международным участием «XLVII Неделя науки СПбПУ» (год публикации - 2018)

15. Варшавчик Е.А., Полянский В.А. Конечноэлементное моделирование насыщения металлов водородом из внешней среды Сборник докладов научной конференции с международным участием «XLVII Неделя науки СПбПУ» (год публикации - 2018)

16. Варшавчик Е.А., Зумберов П.А., Полянский В.А. Вычисление коэффициентов диффузии и энергий активации металлического циркония с помощью модели многоканальной диффузии водорода Сборник докладов научной конференции с международным участием «XLVII Неделя науки СПбПУ» (год публикации - 2018)

17. Вильчевская Е., Левин В., Сеыедкавооси С., Севостьянов И. Replacement relations for a viscoelastic material containing multiple inhomogeneities International Journal of Engineering Science, Vol. 136, P. 26-37 (год публикации - 2019)
10.1016/j.ijengsci.2018.12.006

18. Григорьева П., Вильчевская Е.Н., Мюллер В.Х. Stress and Diffusion Assisted Chemical Reaction Front Kinetics in Cylindrical Structures Contributions to Advanced Dynamics and Continuum Mechanics. Advanced Structured Materials, Vol. 114, P. 53-72 (год публикации - 2019)
10.1007/978-3-030-21251-3_4

19. Зумберов П., Колесов С., Полянский В., Варшавчик Е. Calculating the activation energies of nickel, manufactured using 3D printing technology, with multichannel hydrogen diffusion model E3S Web of Conferences, Vol. 121, 04017 (год публикации - 2019)
10.1051/e3sconf/201912104017

20. Алексеева Е.Л., Беляев А.К., Полянский А.М., Полянский В.А., Варшавчик Е.А., Яковлев Ю.А. Surface vs diffusion in TDS of hydrogen E3S Web of Conferences, Vol. 121, 01012 (год публикации - 2019)
10.1051/e3sconf/201912101012

21. Полянский В.А., Беляев А.К., Алексеева Е.Л., Полянский А.М., Третьяков Д.А., Яковлев Ю.А. Phenomenon of skin effect in metals due to hydrogen absorption Continuum Mechanics and Thermodynamics, Vol. 31, No. 6, P. 1961–1975 (год публикации - 2019)
10.1007/s00161-019-00839-2

22. Седова Ю., Полянский В., Попов И. HEDE model vs inner pressure model in calculating the strength of hydrogenated metals Proceedings of the International Summer School–Conference APM-2019 (год публикации - 2020)

23. Вильчевская Е.Н. Моделирование структурных превращений в микрополярных средах XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник трудов в 4 томах, Т. 3, C. 1042-1044 (год публикации - 2019)

24. Фролова К.П. Моделирование неравномерного распределения водорода в металлах в рамках микрополярной теории упругости Неделя науки СПбПУ (год публикации - 2019)

25. Седова Ю.С. Особенности применения модели HEDE к описанию разрушения материалов, содержащих водород Неделя науки СПбПУ (год публикации - 2019)

26. Седова Ю.С., Полянский В.А. Модель HEDE против модели внутреннего давления в расчетах прочности наводореженных металлов Сборник трудов конференции МНТК (год публикации - 2020)

27. Григорьева П.М. Выбор модели диффузии для описания транспорта водорода из внешней среды под влиянием механических нагрузок Неделя науки СПбПУ (год публикации - 2019)

28. Варшавчик Е.А., Полянский В.А., Чеврычкина А.А. Конечноэлементное моделирование диффузии и перераспределения водорода в металлах Неделя науки СПбПУ (год публикации - 2019)

29. Варшавчик Е.А., Полянский В.А., Чеврычкина А.А. Моделирование процесса диффузии водорода в цилиндрических образцах железа Сборник трудов конференции МНТК (год публикации - 2020)

30. Фролова К.П., Вильчевская Е.Н., Полянский В.А., Яковлев Ю.А. Modeling the skin effect associated with hydrogen accumulation by means of the micropolar continuum Continuum Mechanics and Thermodynamics, С. 1-15 (год публикации - 2020)
10.1007/s00161-020-00948-3

31. Седова Ю., Полянский В., Попов И. HEDE model vs inner pressure model in calculating the strength of hydrogenated metals Advanced Problems in Mechanics. APM 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, С. 206-212 (год публикации - 2020)
10.1007/978-3-030-49882-5_20

32. Седова Ю.C., Полянский В.А. Модель HEDE против модели внутреннего давления в расчетах прочности наводореженных металлов Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики., С. 1519-1524 (год публикации - 2020)

33. Седова Ю.С., Полянский В.А., Бессонов Н.М. Features of applying HEDE model to description of the destruction of materials induced by hydrogen International Summer School-Conference “Advanced Problems in Mechanics” (год публикации - 2021)

34. Григорьева П.М., Вильчевская Е.Н., Полянский В.А. Influence of linear elastic stresses on hydrogen diffusion into metals Advances in Hydrogen Embrittlement Study. Advanced Structured Materials, Springer Nature Switzerland AG (год публикации - 2021)

35. Зумберов П.А., Яковлев Ю.А., Полянский В.А. Calculation of the Activation Energies of Hydrogen in Titanium Manufactured with 3D Printing Technology by Means of a Multichannel Diffusion Model Advanced Problems in Mechanics. APM 2019. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Springer, Cham, С. 256-263 (год публикации - 2020)
10.1007/978-3-030-49882-5_25

36. Полянский В.А., Беляев А.К., Чеврычкина А.А., Варшавчик Е.А., Яковлев Ю.А. Impact of skin effect of hydrogen charging on the Choo-Lee plot for cylindrical samples International Journal of Hydrogen Energy (год публикации - 2020)

Публикации