ИССЛЕДОВАНИЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ФАКТОРОВ И ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ПЛАСТИЧНЫХ И ХРУПКИХ МАТЕРИАЛОВ, В ТОМ ЧИСЛЕ ВБЛИЗИ ИДЕАЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ И В МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СОСТОЯНИЯХ. РАЗРАБОТКА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПРИНЦИПОВ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ. (промежуточный отчет) Раздел III Технические науки Пункт 23. Механика деформирования и разрушения материалов, сред, изделий, конструкций, сооружений и триботехнических систем при механических нагрузках, воздействии физических полей и химически активных сред

Интенсивные импульсные воздействия на конденсированные вещества вызы-вают различные быстропротекающие процессы, изучение которых имеет суще-ственное научное и практическое значение. Недостаток фундаментальных знаний о механизмах и кинетических закономерностях этих процессов и потребность про-гнозирования действия импульсных нагрузок, ударных и взрывных волн, взрыва, импульсных лазерных, пучковых и других интенсивных воздействий на материалы, конструкции и природные объекты обусловил необходимость и актуальность дан-ных работ. Целью данной работы является получение новых научных результатов мирового уровня по теме «Исследование определяющих факторов и основных за-кономерностей деформирования и разрушения пластичных и хрупких материалов, в том числе вблизи идеальной прочности и в метастабильных состояниях. Разра-ботка фундаментальных принципов получения новых материалов» (номер государ-ственной регистрации ГР АААА-А-19-119030590034-7) в соответствии с утвер-жденным планом НИР ОИВТ РАН на 2019-2021 гг. .В практическом плане резуль-таты исследований могут быть использованы для разработки новых технологий по-лучения новых материалов, решения задач безопасности, в том числе – сейсмиче-ской безопасности, а также для создания новой оборонной техники. Объектами экспериментальных и теоретических исследований в 2020 г. были металлы и сплавы, пористые и гетерогенные среды, смеси твердых окислителей и металлов, различные модификации углерода. Для реализации целей работы в 2020 г. был выполнен цикл эксперименталь-ных и теоретических исследований. Проведено исследование прочностных характеристик различных твердых ма-териалов при динамических импульсных воздействиях. Расширен диапазон состоя-ний, экспериментально доступных для описания процессов высокоскоростной де-формации и разрушения твердых тел. По новым методикам проведены ударно-волновые эксперименты при нормальной и повышенной температурах. В 2020 г. получены новые экспериментальные данные о динамической прочности сплава свинца с сурьмой (2.77%) после термообработки по различным режимам. Выявлен оптимальный режим термообработки сплава (закалка до 250 °С), обеспечивающий наилучшие прочностные характеристики в условиях действия взрыва или высоко-скоростного удара. После закалки сплав проявляет более высокий динамический предел упругости и более высокую откольную прочность, чем чистый свинец. По-лученные зависимости откольной прочности от скорости деформации и динамиче-ского предела упругости для свинца и его сплава с сурьмой будут использованы для построения расчетных моделей и определяющих соотношений. Разработана мезомасштабная модель и программное обеспечение для расче-тов многофазных реагирующих течений в трещиновато-пористой среде с химиче-ски активным скелетом. В ходе проведенных исследований показана возможность неустойчивости фронта реакции с выделением газовой фазы в трещиноватой пори-стой среде с химически активным скелетом вследствие запаздывания скорости ре-акции относительно изменения концентраций реагентов. Неустойчивость приводит к развитию автоколебательного режима данного реагирующего течения. Разрабо-тан новый гибридный метод расчета композиционной неизотермической многофаз-ной фильтрации, сочетающий в себе элементы метода линий тока и конечно-объемного метода. Проедено исследование процессов в различных фазах углерода под воздей-ствием лазерных импульсов. Получена законченная картина фазовых превращений в алмазе при сверхвысоких температурах и в области стабильности графита на фа-зовой диаграмме углерода. Показано, что нагрев вызывает растрескивание и фраг-ментацию алмаза, поверхность трещин графитизируется. За счет поверхностной графитизации, сублимации графита и выноса пара по сети внутренних каналов на поверхность алмаза и путем перколяции через графит внутри алмаза образуется свободный объем. В процессе нагрева каналы расширяются, а алмазные частицы приобретают форму наноразмерных консолей. Под действием термонапряжений консоли изгибаются, заполняя полученный свободный объем. Уточнены параметры плавления и определен критический угол изгиба, вызывающий плавление. Полу-ченные данные могут быть востребованы при анализе строения углеродсодержа-щих метеоритов, при исследованиях пластичности алмаза и фазовых превращений. Проведено экспериментальное изучение импульсного электроискрового ини-циирования реакции в механоактивированных смесях окислитель-горючее. Иссле-довано влияние пористости, энергии электроискрового инициирования и диаметра линейного канала на формирование волны горения в термитных смесях Al+CuO и Al+Bi2O3. Зафиксирована пространственная неоднородность излучения области го-рения. В ряде экспериментов, до установления постоянного значения скорости, ди-намика фронтальной части области горения носит экспоненциальный характер раз-вития. Динамика электропроводности во фронте волны горения носит колебатель-ный характер на фоне роста ее значения, который также может быть аппроксимиро-ван экспоненциальной функцией. При малых токах через инициирующую искру или малом диаметре канала происходит коллапс горения. Повышенная пористость сме-си в канале увеличивает скорость фильтрации горячих полупродуктов, но увеличи-вает вероятность коллапса горения. Методом лазерной интерферометрии проведено экспериментальное исследо-вание тонкой структуры фронта ударной волны в синтактических пенах. Синтакти-ческие пены - это легкие композиционные материалы, состоящие из полимерных матриц, заполненных полыми микросферами. Изучение поведения синтетических пенопластов при ударном нагружении важно в связи с их использованием в раз-личных элементах космических и летательных аппаратов, которые могут подвер-гаться высокоскоростному удару. В работе получены профили скоростей ударных волн со сложной двух волновой конфигурацией в диапазоне напряжений 0,28 – 0,7 ГПа. Установлено, что динамические пределы упругости составляют 0,12 и 0,22 ГПа для 55 об. % и 27 об. % пены, соответственно. Эти значения сопоставимы с ко-нечными напряжениями, достигаемыми за фронтом волны уплотнения, что под-тверждает важность учёта влияния волны-предвестника в расчетах адиабат и мо-жет привести к значительной погрешности расчетных схем без их учета. С целью развития лабораторных методик исследования сейсмических процес-сов в земной коре выполнена модернизация системы измерения акустической эмис-сии (АЭ) в межблочной контактной зоне, позволяющая выявлять зоны кластериза-ции очагов (АЭ) перед динамическим срывом подвижного блока (лабораторным "землетрясением") на пружинно-блочной модели сейсмогенного разлома земной коры. Впервые получены результаты по инициированию "землетрясения" при ин-жекции флюида в зоны модельного разлома земной коры с различной концентра-цией очагов АЭ. Показано, что минимальное количество флюида, инициирующее динамический срыв, должно подаваться в зону максимальной кластеризации очагов АЭ, при этом оно на порядок меньше количества флюида, требуемого для инициа-ции лабораторного "землетрясения, подаваемого в зону без источников АЭ. Приве-дены результаты регистрации АЭ и электромагнитной эмиссии (ЭЭ) на установках, предназначенных для физического моделирования деформирования горных пород и разломов земной коры. Показано, что при больших напряжениях сжатия модель-ного образца горной породы или при динамическом срыве в условиях больших нормальных напряжений наряду с ростом АЭ существенно возрастают частота по-явления электромагнитных (ЭМ) сигналов и их амплитуда. Это согласуется с выво-дом, сделанным ранее многими авторами о том, что рост ЭЭ может рассматривать-ся как один из предвестников макроразрушения горной породы. Методами атомистического моделирования рассмотрена задача диффузии наноразмерных полостей в металлах. Цель работы – построить и обосновать теоре-тико-вычислительную модель для расчетов коэффициентов диффузии наноразмер-ных полостей в металлах и провести расчеты для молибдена и железа. В процессе работы проводились расчеты на основе неравновесных молекулярно-динамических подходов и использованием верифицированных моделей межатомного взаимодей-ствия для молибдена и железа. В результате работы впервые были рассчитаны ко-эффициенты диффузии нанометровых полостей в молибдене и железе для разных размеров полостей и различных температур. Полученные определяющие соотно-шения для коэффициентов диффузии наноразмерных полостей могут быть исполь-зованы в кинетических кодах, описывающих накопление радиационных поврежде-ний в сплавах на основе молибдена и железа Полученные результаты могут стать основой как для расчета различных кон-струкций, так и для разработки научных основ технологии получения новых мате-риалов, предназначенных для использования при интенсивных импульсных воздей-ствиях в широком диапазоне длительностей нагрузки и температур, а также при прогнозировании протекания сейсмических процессов в земной коре.