Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Произведен многоуровневый расчет разрушения ледовой матрицы, модифицированной базальтовой фиброй, с учетом неравномерности распределения волокон и неидеальной адгезией фибры с ледовой матрицей, путём введения поправок в модели Фойгта и Рейсса для эффективного модуля упругости. Расчёт на макроуровне произведен на конечно-элементном комплексе ANSYS. Также по данным о диаметре и длине базальтовых волокон и их случайном распределении в упрочненном слое намороженного материала выполнен расчёт по стохастической модели роста трещин на микроуровне. Получено удовлетворительное согласие скорости роста трещины для чистого льда и композита на различных масштабах, в том числе с измеренными в натурном эксперименте с применением датчиков акустической эмиссии 2. С позиций современной физики и термодинамики фазовых переходов уточнен механизм низкотемпературного вязко-хрупкого перехода в повреждённых поликристаллических материалах с ОЦК-решеткой, претерпевающих фазовый переход II или более высокого порядка, когда на субмикроскопическом уровне процессы нагромождения дислокаций в отдельных плоскостях скольжения, как на большеугловых границах зерен, так и на включениях, микропорах, полях напряжений, приводит к возникновению зародышевой микротрещины. Образовавшиеся таким образом микротрещины далее растут в поле напряжений и сливаются между собой, формируя магистральную трещину на макроуровне, которая достигает критического размера и провоцирует разрушение (потерю прочности, фрагментацию). Реализация подобного механизма для различных материалов подтверждена экспериментальными данными и реализована в виде стохастического алгоритма роста трещины в поле случайно распределенных микродефектов случайной ориентации и заданного разброса размеров. 3. Показано, что, исходя из теоретических квантово-механических предпосылок, низкотемпературный ВХП является фазовым переходом. С помощью подхода флуктуационной теории фазовых переходов и аппарата статистической физики оценены вклады колебаний решетки и электронного газа в общую энергию для -железа и сталей на его основе, обладающих, в частности, выраженным низкотемпературным ВХП в области отрицательных температур. При этом наряду с фононным спектром в дефектных металлах при деформации возможно существование солитонов и бризеров, сохраняющих энергию деформации в локальных неравновесных зонах. Кинетика хрупкого разрушения при фазовом переходе описана путём введения параметра порядка в виде амплитуды скорости дислокационной пластичности, и решения уравнения Верхульста для активационной динамики возникновения дислокационных и недислокационных дефектов на различных структурных уровнях. Тем самым определяется темп накопления повреждений и вероятность достижения предельного состояния с последующим разрушением. 4. Показано, что введение в состав бетонных смесей оксида графена и флэш-графена является перспективным направлением для улучшения теплотехнических и механических характеристик бетона. Благодаря высокой теплопроводности и способности укреплять микроструктуру материала, эти добавки способствуют повышению прочности и долговечности бетонных конструкций, а также существенно снижают теплопотери. Таким образом, графен и его производные могут значительно повысить энергоэффективность и эксплуатационные качества современных бетонных материалов, открывая новые возможности их применения в условиях холодного климата Арктики. 5. Исследовано влияние графена на электропроводность и механические свойства бетонных композитов с целью разработки передовых материалов для конструкционных применений. Образцы бетона были подготовлены с использованием графена с минимальным окислением (MOG) в количестве 0,2% и 0,5% от массы цемента. Для характеристики взаимодействия графена с цементной матрицей использовались спектроскопические методы, включая Рамановскую и инфракрасную спектроскопию. Результаты показали, что добавление MOG приводит к снижению электрического сопротивления, причем для образца с 0,2% сопротивление уменьшилось примерно с 600 Ом до 550 Ом при сжатии. Предел текучести составил около 40-50 кН, при этом наблюдалось резкое снижение сопротивления при данной нагрузке. Испытания на сжатие показали увеличение прочности на 48% при содержании всего 0,05% оксида графена. Характер разрушения образцов указывает на хрупкое разрушение без пластической деформации. Форма трещин позволяет нам оценить напряженно-деформированное состояние образцов при разрушении. Трещины распространяются перпендикулярно направлению приложенной сжимающей нагрузки, что соответствует законам механики разрушения хрупких материалов. Отсутствие криволинейных или наклонных трещин указывает на изотропность свойств бетона в разных направлениях. С помощью стохастической модели осуществлено моделирование разрушения композиционного материала, модифицированного оксидом графена, которое показало высокую чувствительность скорости роста трещины к содержанию высокопрочных включений. Для оценки изменения электрических и теплофизических свойств требуется разработка специального метода. 6. На основе исследований образцов из стали бандажа локомотивного колеса после эксплуатации в экстремальных климатических условиях Центральной Якутии методами испытаний на ударный изгиб и сканирующей туннельной микроскопии поверхностей разрушения выявлен микромеханизм вязко-хрупкого перехода и определена критическая температура хрупкости, зависящая от степени накопленных повреждений. Микроструктурный анализ изломов образцов из стали локомотивного колеса, испытанных на ударный изгиб, осуществлен методами сканирующей растровой (Hitachi СМ-3030) и сканирующей тоннельной (СММ-2000) электронной микроскопии. Около концентратора и в зоне долома образцов наблюдались ручьистые ветвления, свойственные микродеформации сдвига, выявлена неоднородная морфология поверхности в переходных зонах, свидетельствующая о существенных различиях механических свойств, зависящих от накопленных повреждений. 7. Оценка шероховатости поверхности разрушения образцов, испытанных на ударный изгиб при температуре -60°С, и результаты их фрактального анализа в зоне долома, количественно свидетельствуют об уровне неоднородности, и позволяют провести сравнительный анализ с субмикронным разрешением, основные выводы по которому согласуются с экспериментальными измерениями in situ тензоров градиента упругой деформации поля трещины, полученные с помощью дифракции электронов обратного рассеяния высокого углового разрешения.