Разработан инновационный метод прогнозирования разрушения металлов

Ученые Тольяттинского государственного университета (ТГУ) разработали инновационный метод прогнозирования разрушения металлов, основанный на анализе их фрактальных характеристик. Исследование позволяет выявлять скрытые предвестники техногенных катастроф на ранних стадиях, когда традиционные методы контроля еще не фиксируют дефекты. В основу открытия легло изучение «геометрии хаоса» — уникальных математических закономерностей, возникающих на поверхности и в объеме металлов при нагрузках.

Многочисленные экспериментальные исследования показывают, что процесс пластической деформации металлов сопровождается эволюцией дефектов кристаллического строения как в их объеме (дислокационные конфигурации), так и на поверхности (полосы скольжения). При этом возникающие как в объеме, так и на поверхности структуры могут быть описаны современными методами нелинейной динамики с использованием фрактальных или самоподобных характеристик.

Физики ТГУ высказали и доказали гипотезу о том, что существуют интервалы пластической деформации, на которых объемные и поверхностные фрактальные характеристики находятся во взаимной корреляции друг с другом.

Экспериментируя с медью и никелем, исследователи установили, что микроскопические дефекты внутри материала и неровности на его поверхности образуют самоподобные структуры — фракталы. Главная научная ценность работы заключается в обнаружении момента, когда внешние изменения рельефа и внутренние процессы в металле перестают быть синхронными. Этот разрыв математической связи служит точным индикатором того, что материал вступил в критическую стадию предразрушения.

«Нам удалось установить, что фрактальная сложность поверхности металла является прямым индикатором локализации деформации. До определенного момента внутренние и внешние процессы в металле идут рука об руку, но перед самым разрушением эта гармония нарушается. Мы доказали, что, фиксируя момент исчезновения этой корреляции, можно с высокой точностью рассчитать «точку невозврата» для любой металлической детали. По сути, мы получили инструмент, позволяющий измерять степень усталости металла в конкретных физических величинах еще до того, как на нем появятся первые трещины», — рассказал один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник НИИ прогрессивных технологий ТГУ Игорь Ясников.

Для поиска этого «сигнала тревоги» ученые применили комплекс сверхчувствительного оборудования и алгоритмы, которые успешно используются в медицине (анализ электроэнцефалограмм при эпилепсии и болезни Альцгеймера), финансах (оценка волатильности рынка), геофизике (прогнозирование землетрясений), технической диагностике (выявление неисправностей механизмов) и физике (изучение турбулентности). В частности, метод Хигучи позволил физикам ТГУ выделить из общего шума деформируемого металла конкретные параметры, указывающие на опасную концентрацию внутренних напряжений.

По словам ученых, предложенная методика позволяет превратить поверхность металла в своего рода «диагностический экран» для «заглядывания» внутрь материала. Вместо дорогостоящего сканирования внутренних структур, с ее помощью инженеры смогут оценивать надежность критических узлов по состоянию их поверхности и параметрам акустического шума. Такой подход открывает путь к созданию интеллектуальных систем контроля для авиации, атомной энергетики и мостостроения, способных в режиме реального времени предсказывать остаточный ресурс оборудования и предотвращать аварии за счет сверхранней диагностики критических состояний материалов.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации