Николай Скляров
Профессор ГНЦ РФ «Всероссийский институт авиационных материалов»

Николай Скляров

Р

ассматривая эволюцию конструкционных материалов, нередко условно говорят о преимущественном положении какого-либо из них. Так, первую половину прошлого столетия можно назвать «веком стали», учитывая ее ведущую роль по сравнению с другими материалами. Затем мир последовательно проходил через «эпоху алюминия»(или легких сплавов), пластиков, конструкционной керамики, композитов и т.д. При всей условности такого подхода следует признать, что, во-первых, главным достижением прошлого века явилось разнообразие и возможность широкого выбора конструкционных материалов. Во-вторых, весьма динамичный рост их разновидностей и качественных характеристик явился одним из важнейших факторов относительно устойчивого развития и структурных преобразований мировой экономики. В нынешнем столетии проблема конструкционных материалов, очевидно, сохранит свое фундаментальное значение как один из базовых элементов развития промышленной цивилизации, основа формирования новой инновационной экономической модели.

Об авторе
	С именем Николая Митрофановича Склярова связаны крупнейшие достижения отечественного авиационного материаловедения, прежде всего, в решении проблем прочности и эксплуатационной надежности, создания принципиально новых сплавов и композиций, методов их испытаний и контроля. Во Всероссийском институте авиационных материалов он трудится с 1934 года. Профессор Н.М.Скляров внес огромный вклад в исследование поведения материалов в экстремальных условиях, изучение термоусталости, прочности при динамическом нагреве, научно-прикладных основ использования титановых сплавов и поверхностно-активных веществ в авиаракетной технике. Выдающийся ученый, лауреат Ленинской и Государственных премий и сегодня продолжает научную деятельность в ВИАМ. В свои 95 лет он анализирует творческие достижения научных школ института, на основе которых формируются основные направления стратегии исследований.     Динамика изменения удельной прочности (весовой эффективности) конструкционных материалов

    Сам термин «конструкционные материалы»введен в научную практику в 60-х годах в одноименном энциклопедическом издании, подготовленном учеными Всесоюзного института авиационных материалов. Это неудивительно, так как ВИАМ на протяжении своей 70-летней истории являлся ведущим отечественным подразделением в области разработки теоретических основ и практического создания новых конструкционных материалов.
    Современный уровень развития техники, характеризующийся повышением разнообразия и интенсивности эксплуатационных режимов машин и оборудования, способствовал формированию новой комплексной концепции (или парадигмы, по современной научной терминологии) конструкционных материалов, их выбора и технологий изготовления. Научной основой этой парадигмы являются, прежде всего, результаты фундаментальных исследований, существенно изменивших многие традиционные представления о материалах и принципах их обработки и использования.
    Еще сравнительно недавно материал рассматривался как вещество постоянного состава с равновесной структурой и некоторым набором относительно стабильных свойств, работающее в заданных режимах. Нынешние материалы эксплуатируются в более трудных условиях механической, тепловой, коррозионной и радиационной нагруженности. Они имеют сложную многокомпонентную структуру из фаз различной природы, находящихся в метастабильном равновесии. Во второй половине прошлого века установлено, что принимавшаяся за образец постоянства кристаллическая решетка вещества на самом деле полна микродефектов – дислокаций, рождающихся под действием напряжений. Дислокации имеют сложную кинетику, перемещаются и концентрируются по определенным закономерностям у границ фаз, зерен, блоков с образованием в местах концентрации микротрещин – локальных нарушений пространственной сплошности. Перемещение дислокаций приводит также к возникновению холодной ползучести – нарастанию остаточной деформации даже при комнатной температуре. В материале под напряжением могут происходить изменения тонкой микроструктуры, которые резко ускоряются при циклических напряжениях, создающих условия для возникновения так называемой много- и малоцикловой усталости. В результате постепенно нарастающие нарушения сплошности уменьшают несущее сечение материала вплоть до его окончательного разрушения.
    Исходя из этих представлений, современный материал сопротивляется действию напряжений подобно сложной конструкции. Эта особенность наглядно проявляется в композиционных материалах, в которых взаимное расположение, химический состав и долю компонентов (армирующие волокна и связующие) можно рассматривать в качестве конструктивных элементов, выполняющих определенные функции.
    Но и обычный металл являет собой не менее сложную конструкцию, так как его структурные фазы взаимодействуют между собой и матрицей, превращая ее в нелинейную систему. Кстати, в современном материаловедении наблюдается интенсивный переход к использованию материалов в метастабильном (неравновесном) состоянии.
    Отсюда весьма существенно возрастает роль современной технологии по сравнению с другими составляющими небезызвестной триады «состав – технология (структура, конструкция) – свойства». Постепенно уходят в прошлое традиционные методы создания материалов на основе диаграмм Ле Шателье – Курнакова («состав-свойства»), отводившие технологии лишь второстепенную функцию формообразования, то есть превращения материала в конкретный полуфабрикат или изделие заданной формы и размеров – отливку, поковку, лист, пруток, ленту и т.д. Стандартные технологические приемы (плавка, разливка, деформация, термообработка, обработка резанием и др.), как правило, строились на одних и тех же основах для подавляющего большинства материалов и за исключением особых случаев не были обусловлены требованием получения определенной структуры в качестве первоочередной задачи.
    В материалах нынешнего столетия технологический фактор, как ключевое условие получения заданных строения и структуры материала (полуфабриката, изделия), вступает в действие уже на стадии обработки расплава. Например, важнейшее значение приобрело управление процессом кристаллизации – направленная кристаллизация, когда оси кристаллов конгруэнтны (сонаправленны) осям напряжений. Предельным вариантом направленной кристаллизации является монокристаллическое литье, в котором используется неодинаковость показателей прочности по различным осям кристаллов и при этом выбирается направление, наиболее соответствующее напряженному состоянию полуфабриката, детали и даже изготовленной из них конструкции.
    Еще большее значение приобретает другая, по-видимому, наиболее важная составляющая парадигмы – новый подход к методам обеспечения надежности материала. Примером может служить широко применяемый ВИАМ принцип безопасной повреждаемости при создании новых конструкционных материалов для техники самого ответственного назначения. Этот подход принципиально нов. Он предлагает решения, кажущиеся по меньшей мере парадоксальными, так как допускает наличие в конструкции самолета трещин и даже не микротрещин, таящихся в недрах микроструктуры, но хорошо видимых невооруженным глазом. Трещины в самолете, от совершенства которого зависит жизнь сотен людей! Действительно, парадокс, и это еще мягко сказано!
    Строгое рассмотрение ситуации показывает следующее. Микронесовершенства – дислокации кристаллической решетки – это объективный природный фактор. Исключить их образование и дальнейшую сложную кинетику материаловеды не властны. Дислокации неизбежно будут концентрироваться, порождать очаги микротрещин со всеми вытекающими последствиями. Не лучше ли признать их, суметь ими управлять, регулировать рост, накопление, не допуская перехода к критическому пределу?
    Крупнейшим достижением материаловедов-прочнистов явилось детальное исследование кинетики трещинообразования как физико-химической механики разрушения. Были установлены критерии и свойства материалов, позволяющие рассчитывать динамику трещинообразования, установить константу конкретного материала, ответственную за связь напряжений и размеров трещины, определить условия, когда размер трещины достигнет критического значения, после которого начинается быстрое развитие трещины без повышения нагрузки (так называемый лавинный рост).
    На основе метода определения скорости медленного докритического развития трещины сотрудникам ВИАМ удалось создать новое поколение металлических сплавов со значительно увеличенным показателем вязкости разрушения К_1с = s/Ö2l, где s – напряжение, 2l – длина трещины и наоборот, со значительно сниженным показателем скорости медленного нарастания трещины СРТУ = l/n, где l – длина трещины, n – число циклов.
    Путь к созданию и применению принципа безопасной повреждаемости был не прост. Не раз приходилось сталкиваться с проблемой: как быть – допускать эксплуатацию ответственнейшей конструкции с обнаруженной трещиной или нет. Одним из наиболее впечатляющих был случай перед полетом Н.С.Хрущева в США. Во время предполетной проверки обнаружились трещины в изготовленной из алюминиевого сплава мотогондоле самолета. Вызвали заместителя начальника ВИАМ академика С.Т. Кишкина и начальника алюминиевой лаборатории И.Н. Фридляндера. О принципе безопасной повреждаемости в то время еще никто не знал. Ученым предстояло принять ответственное решение: можно ли дать стопроцентную гарантию безопасности в случае разрешения полета. Изучение характера и положения трещины показали, что она вызвана не напряжением конструкции самолета при полете, а исключительно термическими напряжениями от нагрева гондолы работающим двигателем. Дальнейший рост трещины связан не с силовыми нагрузками, которые могут возникнуть в полете, а исключительно с дальнейшими многократными запусками двигателя и, следовательно, в предстоящем перелете вероятность ее критического развития чрезвычайно низка.
    Можно привести пример с другим исходом. Типичным было разрушение первого советского сверхзвукового пассажирского самолета Ту-144 во время показательного полета в Ле Бурже. При вынужденном маневре (уход от вошедшего в зону французского истребителя), резко повысившего напряжения в конструкции, возник очаг трещины крыла, которое было изготовлено целиком из многометровой монолитной панели. Не встречая препятствий, трещина лавинно распространилась по всему несущему сечению, что привело к немедленной аварии. Конечно, внешний фактор – вторжение истребителя в зону полета – сыграл важную роль, но можно предположить, что если бы в проекте самолета был учтен принцип безопасной повреждаемости и крыло было бы не монолитным, а имело бы отсеки, то, возможно, что разрушения не случилось бы даже в такой экстремальной ситуации.


    Эти примеры наглядно иллюстрируют два основных элемента принципа безопасной повреждаемости: обеспечение медленного регулируемого развития трещины и создание конструкций из отдельных отсеков, границы которых составляют непреодолимую преграду для ее распространения. Для конкретного материала принцип безопасной повреждаемости опирается на два базовых показателя: высокое значение вязкости разрушения, которое составляет для стали более 250 кгс/мм^3/2, для титана – более 300 кгс/мм^3/2 , для алюминиевых сплавов – более 120 кгс/мм^3/2 , и низкое значение скорости распространения усталостной трещины (СРТУ) – около 0,1 – 0,2 мм/килоцикл, а также гарантию того, что трещина будет обнаружена своевременно, для чего конструкция должна быть составлена из элементов с границами, непреодолимыми для трещин и имеющих такие размеры, когда при имеющейся СРТУ трещина не дойдет до критического размера за время, установленное для контроля.
    Проблемы надежности отодвинули на второй план значение прочности, которая на протяжении веков являлась главным критерием при создании конструкционных материалов. Ее предел для современных металлических материалов достиг рекордных показателей, однако запас прочности, как правило, не используется. Металлические связи, то есть сила связи атомов в кристаллической решетке, в инженерной практике считались наиболее эффективной основой создания прочных материалов. Однако они значительно уступают по энергии активации химической связи, использование которой открывает новые перспективы в повышении весовой эффективности, или удельной прочности материалов. Напомню, что показатель весовой эффективности представляет длину (в км) проволоки определенного сечения, которая, будучи подвешена в вертикальной плоскости, отрывается под действием собственного веса. Если для алюминиевых сплавов в начале ХХ века удельная прочность составляла 14 – 16 км, то для современных композитов, разработанных ВИАМ, – около 150 км. Если раньше матрицей и легирующими компонентами сплава были отдельные металлы – алюминий, никель, титан и др., то теперь внимание материаловедов обращено к интерметаллидным соединениям Ni₃Al, Ni₃Ti, Ti₃Al и т.п. при использовании их и как упрочняющих компонентов, и как матриц.
    К сожалению, использование этих возможностей значительно усложняется одним, до последнего времени мало значимым обстоятельством: при напряженном состоянии, типичном для конструкций машиностроения в начале ХХ века, упругие напряжения были на уровне 0,2 – 0,3 % и легко учитывались, хотя и становились в ряде случаев (аэроупругость, явление флаттера, шимми) предметом особых забот конструкторов. С повышением прочности упругие деформации могут достигнуть 12 % и более в соответствии с известным выражением s_в/E = e_упр, где s_в – предел прочности при растяжении, e_упр – упругая деформация, E – модуль упругости. Металл становится, образно говоря, «резиновым», упругие деформации при длине 1 м могут превысить 10 мм, создав колоссальную концентрацию напряжений в узлах соединений, креплений и т.д. Необходимо одновременно повышать и модуль упругости. Поэтому становится более перспективным повышение весовой эффективности e_в/d не за счет числителя e_в, а за счет снижения плотности d. Особые возможности здесь дает применение материалов на основе химических соединений углерода – углеволокон или борволокон.
    Нынешний век ставит перед материаловедением более сложные задачи, чем минувший. Для их решения принимаются на вооружение принципиально новые пути и методы. В конце прошлого века появились новые высокоэффективные методы термической обработки поверхности материалов, использующих в качестве теплового источника концентрированные потоки энергии в плазменных, ионных, индукционных, лазерных процессах. Практическое применение получили так называемые интеллектуальные материалы и технологии их изготовления, способные к самодиагностике и самовосстановлению, что позволяет исключить деградацию свойств в процессе эксплуатации изделий. Необходимо упомянуть нанотехнологии, которые представляют естественное развитие направленной кристаллизации и монокристаллического литья, переводя управление формированием микроструктуры материала на атомный уровень. Буквально необъятные возможности являют композиты, позволяющие в принципе конструировать материалы с любыми заданными свойствами.
    Реализация новых возможностей выбора конструкционных материалов позволит существенно снизить материалоемкость изделий при улучшении их эксплуатационных характеристик. Новая парадигма предполагает развитие технологических процессов качественно иного уровня, особенностями которых является ограниченное количество основных операций, обеспечивающих безотходность массового производства, при котором достигаются радикальные изменения структуры и свойств материалов. Эффект новых путей многократно усиливается компактной техникой, властно вторгающейся в технологию. Все эти новации дают твердую уверенность в том, что в новом столетии прогресс в развитии конструкционных материалов сохранит значение важного фактора мирового экономического развития.