Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основной целью проекта является разработка теоретических и экспериментальных основ метода акустоповрежденности для оценки прочности и долговечности элементов конструкций в процессе их изготовления и эксплуатации. Исследования проводились по двум основным направлениям - акустическая и водородная диагностики, причем как экспериментальными методами, так и теоретическими подходами. Анализ корреляции полученных результатов был проведен. Была проведена диагностика элементов ответственных конструкций в термоядерной энергетике методами акустоупругости и акустоповрежденности. Диагностика была проведена на реальных элементах, изготовленных из наноструктурированного карбида кремния, конкретно на двух типах образцов, полученных промышленным методом спекания: на макете зеркала системы сбора света проектируемого термоядерного реактора ITER, а также образце-обломке крепления конструкции реактора, разрушенной под действием вибрационных нагрузок. Анализ полученных результатов подтвердил возможность применения метода акустоповрежденности к обнаружению дефектов структуры и оценке поврежденности композитных конструкций из наноструктурированного карбида кремния. Были проведены исследования акустической анизотропии и пространственно-энергетического распределения концентраций растворенного водорода образцов монокристаллических материалов различной кристаллографической ориентации, подвергнутых циклическому воздействию, приводящему к малоцикловой усталости. Выполненные теоретические исследования охватили широкий класс задач, включая учет усталостной трещины, и были подтверждены конечно-элементным расчетом. Было выполнено исследование изменений пространственно-энергетического распределения концентраций растворенного водорода при малоцикловом усталостном нагружении стальных образцов с периодической модификацией поверхности за счет механической обработки. Целью данной части работы стало выяснение характера пространственно-временной неравномерности распределения водорода, как по глубине, так и по длине объекта исследований. Исследования проводились параллельно теоретически и на установках. Были определены качественные признаки, позволяющие идентифицировать накопление пластических деформаций и микродефектов в элементах ответственных конструкций на основании угловых диаграмм акустической анизотропии. Основной целью данной части проведенной работы было выяснение роли факторов, влияющих на акустическую анизотропию, среди которых анизотропия упругих свойств материала, действующие или остаточные напряжения, пластические деформации и внутренние или поверхностные дефекты. Анализ эволюции угловых диаграмм акустической анизотропии обеспечил дополнительную информацию при определении природы и разделении вкладов различных факторов. Было реализовано конечно-элементное моделирование влияния поверхностных микротрещин на скорость прохождения ультразвуковых волн в материалах. Это исследование необходимо для построения численного двойника промышленного прибора, реализующего идею акустоупругости. С этой целью была построена двумерная конечно-элементная модель прохождения упругих волн, инициируемых пьезоактуатором, в образцах, содержащих сеть микротрещин в тонком поверхностном слое, на основе двуслойной гетерогенной аппроксимации. Был разработан аналитический подход к описанию распространения высокочастотных волн в упругих средах со случайным распределением упругих и массовых характеристик с целью учета пространственной неоднородности, микроструктуры, поврежденности и микротрещин в рамках единого подхода. Данная часть проекта продиктована необходимостью выяснения значимости неидеальности материала в результаты других теоретических и симуляционных частей проекта, выполненных в предположении об идеальных материалах. В результате проведенных исследований были получены следующие основные научные результаты. • Результаты экспериментального исследования полей акустической анизотропии композитного зеркала системы сбора света из поликристаллического карбида кремния позволили получить и провести анализ поля распределения главных значений тензора поврежденности в конструкции зеркала. • Установлена корреляция между акустической анизотропией, главными значениями тензора поврежденности и концентрациями растворенного водорода для различных режимов нагружения стандартных компактных монокристаллических образцов из жаропрочных сплавов на никелевой основе. • Получены параметры моделей транспорта водорода, необходимые для идентификации пространственных параметров поврежденности образцов при циклическом нагружении, и параметров бикомпонентной модели материала, содержащего водород, для дальнейшего использования при моделировании эффектов акустоповрежденности. • Разработаны математические модели материала, содержащего водород, для дальнейшего использования при моделировании эффектов акустоповрежденности, а также математические модели для вычисления главных значений тензора поврежденности в начально анизотропном материале на основе данных о скоростях распространения волн различной поляризации. • Получены зависимости акустической анизотропии от кристаллографической ориентации монокристаллических образцов до и после испытаний на усталость. • Получены угловые диаграммы акустической анизотропии в случае сложного многоосного напряженно-деформированного состояния образцов, прошедших усталостные испытания, и в случае ступенчатого одноосного нагружения образцов вплоть до больших пластических деформаций и разрушения. • Установлена зависимость времени прохождения волны от плотности распределения микротрещин в тонком поверхностном слое. Также получены выражения для скорости прохождения упругих волн в материале образца для случая прямого моделирования сети поверхностных трещин и для моделирования их наличия гомогенным слоем с измененным модулем сдвига, соответствующим рассматриваемой плотности распределения поверхностных микротрещин. • В результате решения задачи о распространении волны в упругой среде со случайным распределением упругих и массовых характеристик были получены в замкнутой форме выражения для среднего поля и дисперсии распространяющейся гармонической волны для характерных случаев неоднородностей в материалах.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Основной целью второго года проекта являлась разработка экспериментальных и теоретических основ метода акустоповрежденности для мониторинга процессов разрушения пористых материалов и элементов конструкций при экстремальных термомеханических нагрузках. Исследования проводились по двум основным направлениям и включали в себя анализ анизотропии упругих свойств, пористости и поврежденности кернов из нефтесодержащих пород и моделирование процесса разрушения монокристаллических жаропрочных сплавов в условиях высокотемпературной ползучести. Также была продолжена разработка метода акустоповрежденности к оценке напряженного состояния, остаточных пластических деформаций и поврежденности широко распространенных в промышленности конструкционных материалов, к числу которых относится стальной и алюминиевый прокат. Была проведена диагностика физико-механических свойств и пористости кернов из песчаника, добытого из нефтяной скважины глубиной 4 км. Полученные результаты указывают на возможность получения не только качественной, но и количественной оценки анизотропии механических свойств нефтесодержащих геоматериалов с помощью метода акустоповрежденности. Это имеет большое значение для разведки нефтяных месторождений, поскольку позволяет предсказывать последствия бурения и гидроразрыва пласта. Были проведены экспериментальные исследования пространственно-энергетического распределения концентраций водорода и акустической анизотропии в монокристаллических образцах из жаропрочных сплавов на никелевой основе, разрушенных в ходе испытаний на высокотемпературную ползучесть. Анализ результатов позволил разделить влияние кристаллографической ориентации от влияния ползучести на величину акустической анизотропии, что может быть использовано для оценки ресурса, долговечности и надежности рабочих и направляющих лопаток газотурбинных установок. Был исследован характер эволюции угловых диаграмм акустической анизотропии при одноосном упруго-пластическом растяжении элементов конструкций из металлического проката в диапазоне деформаций вплоть до предела временного сопротивления. В результате исследований была предложена технология оценки анизотропного характера распространения поперечных ультразвуковых волн в различных направлениях поляризации, которая может повысить точность стандартной методики оценки напряженно-деформированного состояния металлических конструкций с помощью акустической анизотропии. Было проведено исследование пространственно-энергетического распределения концентраций растворенного водорода в стальных образцах после испытаний на монотонное растяжение вплоть до предела временного сопротивления. Предложенные в рамках работы рекомендации к модификации поверхности образцов позволили улучшить их механические характеристики и увеличить их несущую способность. Было реализовано конечно-элементное моделирование процессов прямого и обратного пьезоэлектрического эффекта путем возбуждения и приема поперечных волн пьезодатчиком в материале с дефектами, заполненными газообразным водородом. Полученные результаты электромеханического анализа лежат в основе будущей модели численного двойника анализатора акустической анизотропии, используемого для исследования водородной хрупкости металлов. Был разработан аналитический подход к распространению высокочастотных волн в существенно неоднородных средах со случайным распределением упругих и массовых характеристик. Он позволил преодолеть недостатки разработанных ранее статистических подходов путем введения новых независимых и зависимых динамических переменных. Проведенные исследования дали следующие основные научные результаты: • Ультразвуковые измерения в различных направлениях ориентации системы ортогонально поляризованных поперечных волн позволили проанализировать анизотропный характер полной меры поврежденности в различных сечениях керна из нефтенасыщенного песчаника и построить угловые диаграммы акустической анизотропии и поля скоростей ультразвуковых волн в пределах керна. • Разработана математическая модель для вычисления акустической анизотропии в монокристаллическом материале с кубической сингонией после накопления повреждений вследствие ползучести при одноосном и многоосном напряженном состоянии, верифицированная экспериментально для кристаллографических направлений [100] и [101]. • Экспериментально обнаружен новый эффект, заключающийся в определяющем влиянии кристаллографической ориентации на акустическую анизотропию монокристаллических образцов, более чем на порядок превышающий вклад ползучести в акустическую анизотропию, что согласуется с теоретическими оценками, полученными в первый год выполнения проекта. • Установлены три основных энергетических состояния водорода и его критические концентрации в монокристаллических образцах после термомеханических испытаний путем анализа экспериментальных зависимостей потока водорода от температуры экстракции и результатов численного моделирования процесса многоканальной диффузии водорода. • Получены корреляционные зависимости между акустической анизотропией и значениями мер тензора поврежденности для различных схем симметризации тензора эффективных напряжений и предложены соотношения для прогнозирования величины акустической анизотропии по результатам расчета главных поврежденностей на основе экспериментальных значений скоростей упругих волн. • Получены зависимости времени и скорости распространения поперечных волн в среде с сетью микротрещин, наполненных водородом, по результатам прямого численного моделирования и подхода, основанного на гомогенизации поврежденного слоя в материале с системой поверхностных трещин. • Получены аналитические выражения для коэффициента пространственного затухания высокочастотной волны, распространяющейся в среде со случайными упругими и массовыми характеристиками, для случая существенно неоднородной упругой среды.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В результате работ, проведенных по проекту выяснилось, что пластическое деформирование и накопление усталостных повреждений при малоцикловой и многоцикловой усталости имеют одну общую черту, которая может быть условно охарактеризована как поверхностный эффект при накоплении поврежденности металла. Поверхностный эффект заключается в том, что вся поврежденность, включая микротрещины, поры нано-, микро- и мезо-масштабов, структурные дефекты, а также накопление водорода, сосредоточены в поверхностном слое толщиной 1-2 размера зерна (около 100 мкм). Для пластической деформации этот эффект известен с начала 20 века, более того, у монокристаллов при пластической деформации также наблюдается накопление повреждений в слое толщиной 40-50 мкм. Для усталостных повреждений и накопления водорода, связанного с усталостью и пластическими деформациями, этот эффект обнаружен и систематически исследован в результате работ по проекту. Проведенные нами комплексные исследования позволили обосновать, что во многих типах сплавов и в ряде композитных материалов при пластической деформации и усталости образуется тонкий поврежденный поверхностный слой, в случае металлов - насыщенный водородом по механизму «насыщения металлов водородом при разрушении», впервые исследованном А. Ю. Хрусталевым. Метод акустоповрежденности, основы которого были заложены в работах В.И. Ерофеева и Е.А. Никитиной, устанавливает связь скорости звука с поврежденностью металла. Вместе с тем, практически применить результаты измерения абсолютных значений скорости звука оказалось затруднительно, так как на нее с близким по величине результатом влияет множество факторов. В том числе, механические напряжения, внутренняя структура металла, температура, химический состав сплава. В результате проекта экспериментально установлено и теоретически обосновано, что акустическая анизотропия является устойчивым параметром, который зависит в основном от начальной анизотропии, внутренних механических напряжений и поврежденности металла. Важно, что величина акустической анизотропии, связанная с поврежденностью, характерной для малых и средних пластических деформаций, связанного с ними насыщения металлов водородом и развитой усталости металлов, - примерно на порядок больше, чем величина, связанная с механическими напряжениями. Тем самым нам удалось раскрыть и обосновать новое содержание метода акустоповрежденности. В результате осуществления проекта показано, что можно, при величине акустической анизотропии порядка единиц процентов, практически всю ее связывать с начальной акустической анизотропией и поврежденностью. С другой стороны, вследствие открытого нами поверхностного эффекта, путем механического удаления в месте измерения слоя металла толщиной порядка 50-100 мкм и стандартного учета начальной анизотропии возможно выделить акустическую анизотропию, связанную с внутренними напряжениями, и использовать методики ГОСТ для акустической тензометрии. Важными результатами работ по проекту являются: теоретическое обоснование сильного влияния поврежденности тонкого поверхностного слоя на акустическую анизотропию плоских металлических образцов; формула, связывающая главные компоненты тензора поврежденности и величину акустической анизотропии; получение распределения величины компонент тензора поврежденности по глубине плоского образца на основании экспериментальных измерений акустической анизотропии металлических образцов. Принципиальным новым результатом является также доказанная теоретически и подтвержденная экспериментально на образцах из монокристаллического жаропрочного сплава возможность проводить измерения методом акустоповрежденности при большой начальной анизотропии материала (порядка 30-45%). Такая анизотропия, связанная с анизотропией модулей упругости, характерна для монокристаллических жаропрочных сплавов и многих других композитных и нанокомпозитных материалов. Таким образом, в результате выполнения проекта обоснована возможность акустической диагностики и акустического контроля качества на микро и наноуровне металлических и неметаллических композитов и нанокомпозитов, что чрезвычайно важно для современной техники, в которой композитные материалы применяются все более широко. Независимое применение могут найти отдельные элементы проведенного комплексного исследования: новые методики измерения акустической анизотропии (методы измерения угловых диаграмм акустической анизотропии), результаты исследования методом угловых диаграмм геологических кернов, методики измерения пространственно-энергетического распределения водорода в металлах, методы конечноэлементного моделирования распространения акустических волн в сплошной среде, модели накопления повреждений эволюционного типа, учитывающие анизотропию свойств монокристаллического материала. методы моделирования пьезоэлектрических генераторов звуковых волн и конечно-элементного моделирования их взаимодействия с вязкоупругой сплошной средой, модели динамического перераспределения водорода в поверхностном слое нагруженного металла, построенные на основании общей модели би-континуального материала, модели распространения волн в средах случайной структуры основанные на стохастическом анализе, новые модели эффекта локализации пластической деформации. Результаты проекта могут быть использованы непосредственным образом как фундаментальная основа методик для технической диагностики деталей и узлов машин и конструкций для контроля прочности и надежности. 1. Обоснована возможность использования измерений акустической анизотропии для определения степени поврежденности металлов, в том числе поврежденности, связанной с усталостью, большими пластическими деформациями и водородной деградацией. Таким образом, могут диагностироваться самые часто встречающиеся виды деградации механических свойств и разрушения металлических деталей, в том числе подверженных коррозии. 2. Обоснована возможность использования измерений акустической анизотропии для определения ориентации главных осей анизотропии механических модулей упругости, а также определения механических напряжений и поврежденности у металлов и неметаллов с большой начальной анизотропией. На этом фундаменте возможны: * Быстрый неразрушающий контроль правильности ориентации главных осей в детали, что может быть использовано при производстве лопаток газовых турбин и различных деталей из композитных материалов (в том числе - полимерных); * Контроль механических напряжений под рабочей нагрузкой в деталях машин и конструкций; * Техническая диагностика накопления поврежденности на уровне рафтинга наноструктурных элементов в лопатках газовых турбин, появления значительных концентраций микродефектов в деталях и изменения степени адгезии и роста пористости в композитных материалах. Во всех этих случаях возможна разработка методик как неразрушающей диагностики при входном и выходном производственном контроле, так и диагностики в процессе работы машин и конструкций. После дополнительной разработки возможно применение результатов проекта в петромеханике и геологии, особенно в части определения микропористости и анизотропии подземных пластов, что особенно важно при разработке месторождений и расчетах параметров гидроразрыва. Результаты проекта имеют и более опосредованные последствия. Прежде всего, их внедрение обеспечит безопасность функционирования всех важнейших объектов промышленности, энергетики и транспорта. Они также будут увеличивать экономическую эффективность самого современного производства с использованием наноструктурных и композитных материалов за счет сокращения издержек на бракованную продукцию и возможности настройки эффективных технологических режимов производства с учетом результатов неразрушающего контроля.