Новый способ позволяет определить характеристики, запускающие цепную реакцию разрушения: критический размер трещин, а также время и скорость их формирования. Методика была успешно апробирована на модельном однокомпонентном сплаве. По словам разработчиков, она позволит разрабатывать рабочие материалы для 3D-принтеров. Результаты исследований имеют фундаментальное значение и практическую ценность, они получат дальнейшее развитие в разработках Казанского федерального университета (КФУ).
Процесс формирования трещин нанометрового размера в твердых телах мало изучен из-за отсутствия методов, позволяющих корректно выявлять эти трещины и отслеживать изменение их размера. Сотрудники кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Института физики КФУ разработали численный метод количественной характеризации и отслеживания эволюции пустотных дефектов и наноразмерных трещин в материалах. В качестве объекта исследования они выбрали однокомпонентную аморфную (то есть не имеющую кристаллической структуры атомов) металлическую систему, относящуюся к семейству изотропных твердых тел.
Доцент кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Булат Галимзянов считает важным, что новый метод подходит для случаев формирования пустот.
«Существующие теоретические методы в большей степени применяются для изучения фазовых переходов первого рода, таких, как кристаллизация и конденсация, и эти методы практически не адаптированы применительно к случаю формирования пустот, где нет ни одного атома», — отметил Булат Галимзянов, выполнявший основные численные расчеты.
Исследование помогло прояснить физические процессы, лежащие в основе возникновения очагов разрушения в однородных аморфных материалах, где дефекты возникают совсем не так, как в хорошо исследованных кристаллических металлах. Полученные результаты имеют фундаментальное значение для понимания механизмов формирования и распространения трещин в твердых телах, а также способствуют развитию новых подходов к выявлению потенциальных зон разрушения материалов. В частности, это позволяет найти новые подходы к улучшению их износостойкости, долговечности и прочности.
«На основе полученных данных была развита теоретическая модель, описывающая начальные этапы формирования трещин в этих материалах. Несмотря на то, что мы проводим фундаментальные исследования в области физического материаловедения, потенциальная практическая значимость полученных нами результатов вполне очевидна. В частности, понимание механизмов, приводящих к разрушению того или иного материала, позволяет развивать методы, направленные на улучшение его прочностных характеристик, а также развивать методы управляемого разрушения, что, например, является важным для получения рабочего материала для 3D принтеров», — пояснил руководитель проекта, профессор кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Анатолий Мокшин.
Работа велась по программе Минобрнауки России «Приоритет 2030» (реализуется в рамках национального проекта «Наука и университеты»). Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Physics: Condensed Matter (https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac8462).
