В XX столетии ведущие страны последовательно проходили через "эпохи" сначала стали, затем алюминия и иных легких сплавов, потом пластиков, конструкционных керамик и т.д. А недавно, анализируя достижения соответствующих научных школ, международный промышленный журнал "Металлы Евразии" подчеркнул: из упомянутых выше веществ ныне в число важнейших включены именно последние, связанные с совершенствованиями и структурными преобразованиями в мировой экономике и, как следствие, с дальнейшим развитием промышленной цивилизации. Об этом подробно рассказал доктор технических наук Н. М. Скляров, с 1934 г. работающий во Всесоюзном (сейчас - Всероссийском) институте авиационных материалов (ВИАМ; Москва). Именно здесь около 40 лет назад впервые родился признанный впоследствии специалистами термин "конструкционные материалы".

Кстати, их достаточно долго рассматривали как вещества постоянного состава с равновесной структурой, набором относительно стабильных свойств, работающих в заданном режиме. Но в дальнейшем все оказалось сложнее. Росли требования к механическим, тепловым, коррозионным, радиационным нагрузкам этих материалов. В результате в них формировались многокомпонентные фазы различной природы, причем в метастабильном состоянии. Позже определили: вместо образцов, характеризующихся неизменной кристаллической решеткой, на самом деле они полны микродефектами-дислокациями, складывающимися под действием напряжений. У их границ образуются локальные нарушения пространственной сплошности, возникает так называемая холодная ползучесть (когда остаточная деформация увеличивается даже при комнатной температуре), растет микроструктура в конструкции и рано или поздно она разрушается.

Разумеется, реакция ученых на складывающуюся ситуацию не заставила себя ждать. Так, в ВИАМе, по сообщению Н. М. Склярова, выдвинули принципиально новый подход к надежности авиационных конструкций. Причем предложили нечто парадоксальное: если раньше в самолетах всячески боролись с трещинами, то теперь допускают их даже не в микроструктурах, а в хорошо видимых невооруженным глазом. И это несмотря на то, что максимальную безопасность полетов никто не отменял...

В очередных исследованиях выявили: микронесовершенства - дислокации кристаллической решетки - объективный природный фактор. И исключить их образование материаловеды никогда не смогут. Поэтому правильнее не бороться с недостатком, а попытаться управлять им, т.е. регулировать его рост, не допуская критического предела. Для чего важно изучать кинетику образования трещин. К идее, как часто бывает, подтолкнул случай, рассказанный автором статьи.

Во время предполетного испытания лайнера, готовящегося для полета Председателя Совета Министров СССР Н. С. Хрущева в США, были обнаружены трещины в алюминиевом сплаве мотогондолы. Начались проверки, которые возглавили заместитель начальника ВИАМа академик С. Т. Кишкин и начальник одной лаборатории института И. Н. Фридляндер (впоследствии - академик). Стоял вопрос: дадут ли они данному лайнеру 100%-ную гарантию безопасности на весь предстоящий маршрут? Проверив характеристики соответствующих конструкций, ученые решили: обнаруженные в самолете напряжения непосредственно к полету отношения не имели. А непредвиденные события были вызваны многократными запусками двигателей в аэропорту - они то нагревали, то охлаждали мотогондолу, что и спровоцировало рост трещин.

Этот пример и ряд последующих показали: надежность материалов в основном зависит от двух факторов. Прежде всего от того, насколько медленно развиваются трещины, и одновременно - как организован контроль за ними. Наряду с этим важно создавать конструкции из отдельных отсеков, чьи границы служат преградой друг другу - тогда и трещинам сложнее распространяться до критических размеров. Вместе с тем были установлены базовые показатели для обоих моментов. Речь идет о высокой вязкости разрушения (для стали - 250 кгс/мм ^3/2 , титана - более 300, для алюминиевых сплавов - свыше 120 кгс/мм ^3/2 ) и низкой скорости распространения усталости (около 0,1 - 0,2 мм/килоцикл).

Итак, пишет Н. М. Скляров, сегодня проблемы прочности вещества отступают на второй план, а на пер-

стр. 34

вый выдвинута надежность. Далее. Если ранее инженеры отдавали преимущество металлам, т.е. силе связи атомов в кристаллической решетке, то теперь вперед выдвигают энергию активации химических связей. Например, в начале XX в. удельная прочность алюминиевого сплава, вертикально подвешенного в проволоке, колебалась от 14 до 16 км, а современные композиты, созданные в ВИАМе, имеют прочность около 150 км. Или взять матрицы и легирующие компоненты. Долгое время их выполняли из отдельных металлов - алюминия, никеля, титана и др. Теперь же внимание обращено на интерметаллидные соединения типа никеля с алюминием или титаном, титана с алюминием и т.п., причем их применяют в качестве как упрочняющих компонентов, так и матриц. Правда, возникает одно "но": до середины минувшего столетия в машиностроении на упругие напряжения приходилось 0,2 - 0,3%, и, как правило, специалисты это легко учитывали. Теперь же соответствующие деформации могут достигать 12% и более. В итоге металл становится как бы резиновым, что вызывает колоссальную концентрацию напряжений в узлах соединений, креплений и т.д. Учитывать это необходимо, и особые возможности пока открывают лишь материалы на основе химических соединений углерода - углеволокна или борволокна.

И конечно, резюмирует Н. М. Скляров, нельзя игнорировать достижения науки конца XX в. - речь идет о термической обработке поверхности материалов, использующей в качестве теплового источника концентрированные потоки энергии в плазменных, ионных, индукционных, лазерных процессах. Необходимо учитывать нанотехнологии, представляющие естественное развитие направленной кристаллизации и монокристаллического литья, перевод формирования микроструктуры материала на атомный уровень. Впрочем, всего не перечислить. Развитие науки продолжается.

Скляров Н. М. Конструкция сплава. - Журнал "Металлы Евразии", 2003, N 4.

Материал подготовил В. Б. ГОЛЬДМАН

Permanent link to this publication: