Сотрудники кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Института физики Казанского федерального университета разработали численный метод количественной характеризации и отслеживания эволюции пустотных дефектов и наноразмерных трещин в материалах. Он был успешно апробирован на модельном аморфном однокомпонентном сплаве.

Работа велась в рамках проекта «Теоретические, симуляционные и экспериментальные исследования физико-механических особенностей аморфообразующих систем с неоднородными локальными вязкоупругими свойствами», поддержанного грантом Российского научного фонда. Руководитель проекта – заведующий кафедрой вычислительной физики, профессор Анатолий Мокшин.  

Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Physics: Condensed Matter.

Процесс формирования трещин нанометрового размера в твердых телах является малоизученным, в первую очередь, из-за отсутствия методов, позволяющих корректно выявлять эти трещины и отслеживать изменение их размера.

«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. В нашем исследовании мы показываем, что выбор подходящей методики идентификации этих пустот позволяет адаптировать существующие теоретические методы, например классическую теорию нуклеации, для описания процессов формирования трещин. Тем самым мы можем правильно определить такие важные характеристики, как критический размер трещины, превышение которого запускает цепную реакцию разрушения материала, а также время и скорость формирования трещин», – пояснил один из авторов статьи, выполнявший основные численные расчеты, доцент кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Булат Галимзянов.  

В качестве объекта исследования была выбрана однокомпонентная аморфная металлическая система, относящаяся к семейству изотропных твердых тел. В таких твердых телах появление дефектов сводится к минимуму.

«Полученные нами результаты проясняют физические процессы, лежащие в основе возникновения очагов разрушения в однородных аморфных материалах. Разрушение этих материалов протекает совершенно иным образом, нежели кристаллических, которые ранее достаточно детально исследовались. 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», – проинформировал профессор кафедры вычислительной физики и моделирования физических процессов Анатолий Мокшин.   

Полученные учеными Казанского университета результаты имеют фундаментальное значение для понимания механизмов формирования и распространения трещин в твердых телах, а также для развития соответствующих подходов к выявлению потенциальных зон разрушения материалов при их эксплуатации. Эти научные результаты в настоящее время находят развитие в исследованиях, осуществляемых лабораторией «Информационные технологии в физическом материаловедении» в рамках программы «Приоритет-2030».