Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Развитые представления о закономерностях критичности стадийности разрушения, основанные на описании коллективного поведения ансамблей дефектов (микротрещин, микросдвигов), применены для разработки моделей деформирования и разрушения, методологии экспериментальных исследований с целью обоснования подходов по прогнозированию ресурса материалов авиационного моторостроения в широком диапазоне интенсивностей нагружения. Установлена связь стадийности развития поврежденности с закономерностями кинетики накопления дефектов и установленными типами коллективных мод дефектов, имеющих природу автомодельных решений эволюционных уравнений для параметра поврежденности. Обоснованы модели деформационного поведения и разрушения сплавов (сплавы титана, алюминия, в том числе с субмикрокристаллической структурой) и композитных материалов, применяемых для создания новых перспективных двигателей. Экспериментально и теоретически исследована дуальность закономерностей перехода от дисперсного накопления повреждений к макроскопическому разрушению, представленная в двухпараметрических критериях разрушения, которая связывается с двумя типами автомодельных решений в твердых телах с дефектами. Стадийность развития разрушения композитных материалов в присутствие двух типов автомодельных решений исследована экспериментально (для стандартных образцов и образцов с концентраторами) в условиях квазистатического и усталостного нагружения и обработкой данных in situ регистрации полевых картин деформации методом корреляции цифровых изображений (DIC) и данных акустической эмиссии. Полученные результаты подтверждают перспективность использования двухпараметрических критериев разрушения для оценки долговечности конструкций из композитных материалов в сочетании с предложенным анализом стадийности поврежденности по данным методов корреляции цифровых изображений и акустической эмиссии. Разработана методология и экспериментальный комплекс для получения новых данных о закономерностях процессов деформирования, стадийности накопления повреждений и разрушения композиционных материалов (ПКМ) при квазистатических и циклических воздействиях с использованием современных испытательных и измерительных систем. Сочетание методов регистрации деформации, корреляции цифровых изображений (система Strain Master) и акустической эмиссии (система AMSY-5) позволило получение данных о флуктуациях полей деформаций, флуктуаций энергии, обусловленных развитием поврежденности. Пространственно-временные данные о флуктуациях полей деформации, ассоциированные с поврежденностью, были использованы для разработки методов оценки стадийности поврежденности и перехода к разрушению на основе двухпараметрических критериев разрушения. Разработана и реализована оригинальная методология «блочного циклического нагружения» для оценки стадийности разрушения и усталостного ресурса слоистых композитных материалов и конструктивно-подобных элементов на основе экспериментального комплекса, включающего испытательную машину Testronic-50, тепловизионной камеры NEC TH9100, системы корреляции цифровых изображений LaVision и системы акустической эмиссии AMSY-6. Достижение критического числа циклов нагружения на последнем блоке нагружения (с максимальным напряжением цикла нагружения) сопровождалось монотонным снижением резонансной частоты. Разработаны и реализованы программы для ЭВМ и алгоритмы кластерного анализа пространственно-временной динамики многомасштабного развития поврежденности композитов по данным акустической эмиссии и флуктуаций полей деформаций. Алгоритмы и программы включают расчет зависимостей флуктуаций поля деформаций от скорости деформации и пространственного градиента, кластерный анализ на основе агломеративного иерархического подхода, мультифрактальный анализ. Проведен анализ данных DIC полей деформаций построением пространственно-временных фазовых портретов с последующим применением кластерного анализа. Установлена мультифрактальность спектров флуктуаций деформаций для однонаправленных композитов в условиях квазистатического и циклического нагружений. Анализ данных DIC полей деформаций в эксперименте на квазистатическое нагружение композита с отверстием установил наличие двух кластеров обнаруживающих комбинацию мульти — и монофрактальных спектров в соответствие с двумя типами автомодельных решений. Обоснован алгоритм дифференцированного анализа пространственно-временных данных акустической эмиссии и DIC полей деформаций методом мультифрактального анализа кластеризующихся данных. Развита методология экспериментального исследования усталостного разрушения сплавов авиационного моторостроения при переходе от много- к сверхмногоцикловым режимам нагружения, оценки ресурса и формулировки моделей стадийности разрушения. Проведен сравнительный анализ усталостных свойств сплава ВТ-6 в крупно-кристаллическом, субмикрокристаллическом состояниях, а также образцов из конструктивно подобных элементов. Разработана методология исследования деформационного поведения и разрушения жаропрочных сплавов авиационного моторостроения при динамическом нагружении с использованием оригинальной установки, позволяющей проведение высокотемпературных испытаний. Предложена модель динамического деформирования и разрушения материалов, учитывающая эффекты деформационного и скоростного упрочнения, влияние температуры и адаптированная к стандартным пакетам, используемым для моделирования поведения элементов конструкций (лопаток вентиляторов) при динамическом нагружении, включая соударение с посторонними предметами (foreign object damage). Проведены экспериментальные и теоретические исследования механизмов деформирования и разрушения адиабатическим (локализованным) сдвигом с приложениями к материалам и конструкциям авиационного моторостроения для прогнозирования прочности элементов конструкций авиационных двигателей (лопаток вентиляторов) при случайном соударении с посторонними предметами и последующем резким снижением усталостного ресурса (foreign object damage problem). Развит подход, снимающий противоречия традиционных представлений к описанию механизмов разрушения «адиабатическим сдвигом» как эффекта термического разупрочнения, и связывающий механизмы неустойчивости пластического течения и локализации поврежденности, как критические явления в ансамблях дефектов, с механизмами структурной релаксации и разрушения. Эксперименты проведены применительно к динамическому нагружению сплава АМг6 для специальной формы «скошенных - declined» цилиндрических образцов на установке Гопкинсона – Кольского. Форма образцов позволяет реализовать сложное напряженное состояние – сочетание сжатия и сдвига, проведение расширенных широкодиапазонных испытаний, перекрывающий диапазон динамических нагрузок, характерных для критически опасных ситуаций соударения лопаток вентиляторов с посторонними предметами. Результаты динамических экспериментов используются для верификации широкодиапазонных определяющих уравнений, моделирования поведения элементов конструкций в сочетании со структурными исследованиями материалов, подвергнутых динамическому деформированию. Исследования закономерностей разрушения при повышенных интенсивностях нагружения проводились с использованием импульсной баллистической установки на базе лазера Beamtech SGR-Extra-10, совмещенной с регистрацией параметров ударно-волнового импульса методом допплеровской интерферометрии (лазерный измеритель скорости FDVI Mark IV VISAR) . Постановка эксперимента позволяет изучение поведения материала в диапазоне интенсивностей нагружения, характерных для ситуаций случайного соударения лопаток вентиляторов с посторонними предметами и упрочнения лицевой поверхности материала воздействием ударно-волнового импульса. Структурный анализ образцов-мишеней в направлении распространения ударно-волнового импульса, инициированного лазерным воздействием, установил возможность реализации двух режимов: режима ударно-волновой проковки лицевой поверхности мишеней и формирования областей поврежденности, соответствующих разрушению «адиабатическим сдвигом» в объеме мишеней. Формирование областей разрушения «адиабатическим сдвигом» в объеме материала может приводить к резкому снижению усталостного ресурса элементов конструкции (лопаток вентиляторов). Влияние динамического и ударно-волнового нагружения (включая проковку, инициированную лазерным воздействием) на усталостный свойства материала существенно определяется типом материала, характером воздействия (амплитуда, время нагружения) и предполагает детальные структурные исследования материала, подвергнутого ударно-волновому воздействию, при последующих усталостных (много- и гигацикловых режимах) нагружения. Разработана методология оценки усталостного ресурса и надежности рабочей лопатки вентилятора из полимерных композиционных материалов в условиях многоцикловой усталости, обоснованы математические модели в сопоставлении с результатами лабораторных усталостных испытаний на натурных конструкциях и конструктивно подобных элементах. Применительно к замковому соединению рабочей лопатки вентилятора из композитных материалов разработаны методики экспериментального исследования закономерностей усталостного разрушения; проведены экспериментальные исследования по определению закономерностей усталостного разрушения; получены характеристики усталостной прочности конструктивно подобных элементов. Ссылка на интернет ресурс по проекту РНФ: https://conf.icmm.ru/e/SSRMKDD-2021.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведены экспериментальные и теоретические исследования закономерностей деформирования и разрушения материалов авиационного моторостроения (композитов, сплавов) в широком диапазоне интенсивностей нагружения для обоснования подходов к моделированию поведения элементов конструкций перспективных двигателей ПД-14 и ПД-35 и оценке ресурса с учетом особенностей полетного цикла и нештатных ситуаций. Методы основаны на современных подходах оценки долговечности материалов, учитывающих закономерности критичности в развитии разрушения, обусловленных нелинейной кинетикой дефектов. Принципиальное значение имеет обоснование моделей разрушения материалов, верифицированных широкодиапазонными лабораторными экспериментами и структурными исследованиями, устанавливающими связь условий нагружения, стадийность развития разрушения и количественными структурными параметрами. Установленные в работах авторах закономерности критичности в развитии поврежденности, верифицированные в широком диапазоне интенсивностей нагружения с использованием уникальной экспериментальной базы и методологии структурных исследований, явились основой для проведенных исследований по фундаментальным и прикладным аспектам деформирования и разрушения перспективных материалов авиационного моторостроения. - Получены экспериментальные данные по закономерностям разрушения ПКМ (применительно к конструкции лопатки вентилятора газотурбинного двигателя ПД-35) при квазистатических и динамических нагружениях Результаты: 1. Установлено уменьшение трещиностойкости по степенному закону при квазистатическом и циклическом нагружении. 2.Получена кривая усталости конструктивно-подобных элементов (КПЭ) при совместном действии статического растяжения и циклического трехточечного изгиба, - Получены данные по стадийности развития разрушения методами DIC и АЭ в композитных образцах с концентраторами напряжений. Результаты: 1.Методом DIC обнаружены очаги повреждений при циклическом деформировании; подготовлены образцы-пробы для анализа на томографе ИЯФ СО РАН. 2. Реализована схема механических испытаний ПКМ с записью сигналов акустической эмиссии пьезоэлектрическими преобразователями и с использованием оригинальной оптоволоконной системы. - Проведены эксперименты по измерению скорости звука для определения влияния повреждений на упругие свойства, верификация модели разрушения композита. Результаты: 1. Моделированием ячейки периодичности ПКМ определены эффективные упругие модули в зависимости от повреждений. 2. Модель верифицирована по данным измерения скорости звука, получено соответствие экспериментам по деградации продольного модуля упругости. -Разработана методология кластерного анализа поврежденности ПКМ по данным АЭ и DIC для обоснования закономерностей критичности стадийности разрушения. Результаты: 1. Методом DIC и АЭ получены пространственно-временные фазовые портреты компонент полей деформаций для различных стадий разрушения образцов ПКМ с круговыми концентраторами. 2. Проведен сравнительный анализ пьезо- и оптоакустических данных кинетики разрушения. - Получены с использованием методов анализа изображений интегральные характеристики структуры композиционного материала по данным томографии. Результаты: 1. Установлены значения средних величин фактора дисперсности дефектов из областей с различной интенсивностью нагружения образцов ПКМ с концентратором. 2.Определены параметры «структурной восприимчивости» в моделях, определяющих кинетику перехода к разрушению. - Изучены структурные закономерности усталостного разрушения сплавов при сверхмногоцикловых нагружениях; определены масштабные инварианты и структурно-чувствительные параметры в моделях стадийности разрушения. Результаты: 1.Показано, что предельное напряжение разрушения образцов, вырезанных из имитаторов лопаток, соответствует переходной области от много- к сверхмногоцикловому разрушению. 2. Установлены масштабные инварианты и структурные масштабы характерных зон поверхности разрушения, определяющие стадийность разрушения. - Исследована кинетика роста усталостных трещин в сплавах алюминия при гигацикловой усталости предварительно динамически нагруженных образцов. Результаты: 1.Предложено обобщение уравнения Батиаса-Пэриса для описания кинетики роста малых трещин и трещин Пэриса с учетом структурных параметров, определяющих масштабы характерных зон поверхностей разрушения. 2. Проведена верификация предложенной обобщенной модели с учетом структурных параметров, определяющих масштабы характерных зон поверхностей разрушения. - Изучены закономерности критичности разрушения адиабатическим сдвигом применительно к оценке ресурса элементов конструкций двигателей семейства ПД-14. Результаты: 1. Изучение масштабно-инвариантых характеристик динамически нагруженных образцов установило коррелированное поведение дефектов, инициирующих механизм локализованного сдвига. 2.Результаты численного моделирования в сопоставлении с данными экспериментов по нагружению образцов по схеме «сдвиг-сжатие» установили существенную роль как сдвиговых, так и нормальных компонент тензора деформации. - Изучены закономерности развития разрушения «адиабатическим сдвигом» н структурные механизмы локализации деформации для верификации моделей применительно к условиям динамического нагружения лопаток вентилятора двигателя ПД-14. Результаты: 1.Установлены значения максимальных температур ~1700С, полученные «in-situ» инфракрасным сканированием образцов в процессе динамического деформирования, что подтверждает вывод о ведущей роли структурно-обусловленных механизмов инициирования разрушения адиабатическим сдвигом. -Разработаны методы и экспериментальный комплекс для прогнозирование усталостной долговечности алюминиевых сплавов в условиях комбинированного ударно-волнового и гигациклового нагружения Результаты: 1. Впервые реализован метод последовательного ударно-волнового и усталостного нагружения материалов авиационного моторостроения с получением образцов из массивной мишени с известной историей ударного нагружения и контролируемой стадийностью кинетики поврежденности при циклическом нагружении. 2. Установлено снижение на ~34% предельного напряжения разрушения для предварительно нагруженного плоской ударной волной сплава АМг6. -Экспериментально изучена стадийность процесса разрушения титанового сплава ВТ6 при динамическом и усталостном нагружении, влияние динамического, ударно-волнового нагружения на усталостный ресурс материалов. Результаты 1. Экспериментальное исследование в переходных режимах много- и сверхмногоцикловой усталости установило снижение предельного напряжения разрушения для предварительно динамически нагруженных образцов до 70%. 2. Сравнительный количественный анализ морфологии поверхности разрушения образцов при динамических и гигацикловых режимах нагружения позволил обосновать обобщенный закон Пэриса кинетики роста трещин при последовательных динамических и сверхмногоцикловых нагружениях. - Выявлены закономерности усталостного разрушения конструктивно-подобных элементов (КПЭ) замка рабочей лопатки вентилятора авиационного двигателя из ПКМ при растяжении с циклическим изгибом; получены экспериментальные данные для верификации математических моделей усталостного разрушения и прогнозирования усталостного ресурса. Результаты: 1. Разработана методика экспериментального исследования закономерностей усталостного разрушения КПЭ замкового соединения рабочей лопатки вентилятора двигателя ПД-35 из ПКМ. 2.Установлено, что развитие расслоений на второй стадии носит скачкообразный характер: скачкообразное продвижение трещины (расслоения) происходит после накопления определенного уровня повреждений в матрице. 3. Сформулированы рекомендации при проектировании лопаток вентиляторов РЛВ с использованием методик усталостных испытаний КПЭ замкового соединения.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Исследования проводились в соответствии с Планом работ отчетного этапа Лабораторией Физических основ прочности ИМСС УрО РАН с участием Лаборатории динамической прочности авиадвигателей ПНИПУ, Института физики металлов УрО РАН и соглашениями с АО «ОДК-Авиадвигатель» (индустриальный партнер). Результаты опубликованы в 17 изданиях, включая WoS (опубликовано 14 статей). Представлены 29 докладов на международных и российских конференциях, получен 1 патент. Проведена Школа «Неравновесные переходы в ансамблях дефектов, релаксационные свойства и разрушение материалов при интенсивных (динамических и ударно-волновых) нагружениях» для молодых ученых с пленарными лекциями 15 ведущих специалистов, число участников Школы — 232, включая 161 молодых ученых. В исследованиях принимало участие 2 привлеченных специалиста на позиции «постдока». Направления исследований и результаты проекта по предложению РНФ отражены в статье-интервью в газете «Поиск» (№7 (1757) I 17 февраля 2023 www.poisknews.ru). По предложению СО РАН исполнители проекта принимали участие в разработке подходов и методическом обеспечении станций синхротрона СКИФ, проводя исследования по тематике проекта. Результаты исследований представлены на сайтах: на сайте Российской академии наук https://new.ras.ru/activities/news/rentgenovskaya-tomografiya-dlya-otsenki-resursov-materialov-aviatsionnogo-motorostroeniya/; на сайте "Аргументах недели" https://argumenti.ru/science/2023/10/863029; на сайте СМИ TODAY https://www.smi.today/ru_smi/2683252-uchenye-issledovali-primenenie.htm. Для реализации целей проекта за счет средств субсидии и средств софинансирования приобретено экспериментального оборудования на сумму 13,7 млн.руб, включая 3,8 млн. руб. в 2023 г. Экспериментальные и теоретические исследования посвящены изучению закономерностей деформирования и разрушения материалов авиационного моторостроения (композитов, сплавов, керамик) в широком диапазоне интенсивностей нагружения (усталостные, динамические и ударно-волновые) для обоснования подходов к моделированию поведения элементов конструкций двигателей ПД-14 и ПД-35 и оценке ресурса. Исследования Этапа 2023 г. отражают методологическую преемственность с предшествующими Этапами 2021-2022 гг. в разработке экспериментальных и теоретических подходов по исследованию свойств композитных материалов, керамик и сплавов авиационного моторостроения, стадийности переходов к макроскопическому разрушению с учетом особенностей полетного цикла и нештатных ситуаций. Методы основаны на современных подходах оценки долговечности материалов, учитывающих закономерности критичности в развитии разрушения, обусловленные нелинейной кинетикой поврежденности. Принципиальное значение имеет обоснование моделей разрушения материалов с использованием уникальных экспериментальных комплексов, созданных научным коллективом, и совмещенных с системами регистрации высокого пространственно-временного разрешения. Результаты позволили предложить и реализовать впервые оптоакустический метод оценки стадийности разрушения как способ мониторинга состояния и ресурса конструкций авиационного моторостроения, методы регистрации стадийности поврежденности с использованием оптической и электронной микроскопии, 3D рентгеновской томографии (ускоритель VEPP-3, ИЯФ СО РАН). Основные результаты: 1. Обоснование и экспериментальная верификация структурно-феноменологической модели деформирования и разрушения композитных ламинатов (применительно к конструкции лопатки вентилятора газотурбинного двигателя ПД-35). 2. Разработка методических основ изучения деформационного поведения и разрушения композитных материалов (керамических композитов, композитных ламинатов), моделей при интенсивных (ударно-волновых) нагружениях для идентификации структурных механизмов, определяющих состояние материалов и конструкций газотурбинных двигателей при случайных динамических воздействиях и тепловом ударе (применительно к конструктивным элементам газотурбинных двигателей ПД-14, ПД-35). 3. Обоснование на основе анализа данных рентгеновской томографии полевых характеристик поврежденности композитных ламинатов и композитной керамики, подвергнутых динамическому и ударно-волновому нагружению для разработки моделей прочности и прогнозирования ресурса. 4. Применение развитых авторами подходов для оценки «диссипативной емкости» керамик в широком диапазоне интенсивностей нагружения с целью оптимизации структуры по данным пространственно-временной динамики и статистики фрагментации, «in situ” данных динамики фрактолюминесценции. 5. Разработка методических основ изучения деформационного поведения и разрушения керамических материалов и керамических композитов для идентификации структурных механизмов, определяющих состояние материалов и конструкций при динамических воздействиях и тепловом ударе (применительно к конструктивным элементам газотурбинных двигателей ПД-14, ПД-35). 6. Определение структурных факторов и механизмов, характеризующих кинетику развития поврежденности в режимах «усталость с выдержкой»; обоснование модели для оценки долговечности, учитывающей роль структурных факторов и механизмов развития поврежденности при комбинированных режимах ползучести (выдержки), мало- и многоцикловой усталости. 7. Разработка методологии прогнозирования усталостной долговечности материалов авиационного назначения (титановые и жаропрочные сплавы) в условиях комбинированного динамического и последующего гигациклового нагружения как основы оптимизации структуры и прогнозирования ресурса при соударении лопаток вентиляторов газотурбинных двигателей с посторонними предметами. 8. Выявление закономерностей теплового состояния и усталостного разрушения конструктивно подобных элементов мотогондолы из ПКМ; получение экспериментальных данных для разработки методики ускоренной оценки характеристик сопротивления КПЭ разрушению от многоцикловой усталости.