Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов исследования термоактивационных процессов и
механизмов генерации вихревых структур в конденсированных средах

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0221
Организация
ИМЕТ РАН
Руководитель работ
Новиков Иван Иванович

Информация отсутствует

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Рощупкин Владимир Владимирович

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 30.09.2009
Разработан и апробирован новый метод термоактивационного анализа (ТАА) процессов, контролирующих пластические деформации в исследуемых материалах при дилатометрических исследованиях, позволяющий построить функцию распределения энергий активации и рассчитать по ней ее среднее значения в условиях нагрева с постоянной скоростью, при изотермических условиях и при остывании. Метод был использован при проведении дилатометрических исследований на четырех модельных сплавах системы Al-Zn. По результатам этих исследований были построены температурные зависимости энергий активации термоактивируемых пластических деформаций для всех четырех сплавов, а так же концентрационная зависимость энергии активации для заданной постоянной температуры. Для проведения термоактивационного анализа по разработанному методу создано программное обеспечение, которое направлено на отраслевую регистрацию. Применительно к исследованию структурной эволюции материалов образцов для проведения дилатометрических исследований адаптирован и успешно апробирован фотометрический метод анализа структурных изображений. Он был использован для исследования структурной поврежденности тех же модельных сплавов на основе системы Al-Zn и на тех же образцах, на которых были выполнены дилатометрические измерения.
Разработанный метод термоактивационногго анализа является оригинальным. В отличие от известных в настоящее время методов ТАА он позволяет проводить исследования как при постоянных, так и переменных температурах. Фотометрический метод анализа структурных изображений так же ранее не был известен. В настоящее время патентная заявка на него находится на стадии экспертизы по существу в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
  Разработанные методы исследования по сравнению с существующими позволяют резко сократить объем рутинных исследований, сократить их продолжительность и трудоемкость.
  Разработаны компьютерная программа для расчетов термоактивационных параметров процессов пластической деформации по данным дилатометрических исследований и программа для расчетов динамики дислокаций по результатам стандартных механических испытаний. родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Развернуть
2
01.10.2009 - 15.12.2009
Изучены условия генерации акустического излучения регулярными вихревыми структурами на гидродинамическом и газодинамическом стендах, разработаны методики измерений, способы обработки и критерии оценки регистрируемой информации. Разработано программное обеспечение для анализа сигналов акустической эмиссии.
  Получены следующие экспериментальные результаты:
решены методические вопросы, связанные с выделением сигналов на фоне шумов, обусловленных турбулентным режимом течения;
разработана методология экспериментальных исследований на основе комплексного использования манометрического метода и способов визуализации при помощи видео- и фотоаппаратуры, что позволяет выявить определяющие факторы, влияющие на гидродинамику и теплообмен в сложных системах;
проведены измерения полей давления во всей области течения, включая пристенные зоны, с использованием как штатных манометрических систем, так и специальных гидравлических зондов.
Развита теория вихревого движения жидкости в каналах, создана модель вихревой динамики течений жидкости.
Разработан метод математического моделирования топологии внутренних вихревых течений, являющийся теоретической основой физико-математического моделирования исследуемых процессов. Для обоснования метода и замыкания математического описания вихревой модели движения жидкости в каналах теплообменного оборудования привлекаются данные, полученные в модельных экспериментах о структуре потока.
Особое внимание уделено созданию экспериментальной установки и экспериментальному измерению характеристик вихревых структур, возникающих при взаимодействии закрученной импактной струи с препятствием, проведению экспериментов, направленных на изучение природы «вихревого звука» - явления генерации акустических колебаний в жидких и газообразных средах, обусловленного эффектами вихреобразования.
На основе развитых подходов описания устойчивых вихревых структур, возникающих в закрученных потоках, предложен способ экспериментального исследования характеристик движения жидкости, основанный на явлении акустической эмиссии, возникающей при генерации крупномасштабных вихревых образований. Показано, что амплитудно-частотные характеристики акустической эмиссии однозначно связаны, с вихревой структурой течения. Получены новые экспериментальные результаты, уточняющие представления о взаимодействии импактной струи с препятствием.
Разработан аэродинамический стенд, вихревая камера и проведено экспериментальное изучение акустической эмиссии.
Созданы экспериментальные рабочие участки для визуализации вихревых структур возникающих при движении воды в каналах с завихрителями. Начато систематическое изучение акустических явлений при движении воды.
Исследован эффект генерации акустических звуковых колебаний при натекании импактных закрученных струй. Выявлено, что появление звукового резонанса соответствует образованию в щелевом зазоре крупномасштабных устойчивых вихревых структур в форме спирального и тороидального вихрей.
Проведены эксперименты на газодинамическом контуре с использованием сопла Лаваля и суживающегося сопла. Наблюдения показали, что при определённых режимах истечения на выходе из сопла струя приобретает устойчивую регулярную вихревую структуру. Визуализация течения проводилась теневым методом с использованием лазера в качестве источника света.
Для дилатометрических исследований был разработан метод термоактивационного анализа процессов, дающих вклад в пластическую деформацию материала при нагреве с постоянной скоростью и в изотермических условиях. Получено уравнение, описывающее изменение размеров образца при нагреве и остывании. Для вычисления энергии активации по этому уравнению был разработан алгоритм процесса, контролирующего пластические деформации в материале при повышенных температурах. Разработанный алгоритм был положен в основу компьютерной программы, которая в автоматическом режиме анализировала результаты первичных дилатометрических измерений, находила границы стадий, соответствующих нагреву образцов и остыванию, позволяла рассчитать вероятность появления термических флуктуаций с определенными заданными уровнями энергий. Проведены дилатометрические исследования четырех модельных сплавов на основе системы Al-Zn и дуплексной стали 2205MFA, результаты которых обработаны с помощью программного обеспечения. Полученные результаты проанализированы и в настоящее время развернуты работы для усовершенствования компьютерной программы с учетом опыта ее апробации.
Проведено исследование процессов образования и развития пластических неустойчивостей, а также накопления повреждений в процессе статического и циклического нагружения конструкционных сталей, в том числе с субмикрокристаллической структурой.
Получены следующие экспериментальные результаты:
апробировано несколько количественных методов оценки зон пластической нестабильности и поврежденности конструкционного материала в пределах этих зон;
разработан метод оценки поврежденности материала образцов на разных стадиях статического и циклического нагружения;
выделены и количественно описаны основные стадии процесса разрушения до зарождения макротрещины.
Развернуть
3
01.01.2010 - 31.07.2010
Разработан расчетно-экспериментальный метод определения активационного объема в термоактивируемых деформационных процессах, реализуемых при дилатометрических исследованиях. Он был успешно применен с получением термоактивационных характеристик к модельным сплавам на основе системы Al-Zn, к дуплексной стали 2205MFA и наноструктурным материалам на основе системы Fe-Zr-B. Полученные результаты используются для выбора оптимального химического состава разрабатываемых наноструктурных сплавов, отработки технологии их получения и оценки комплекса их физико-механических характеристик. Они находят применение для выбора оптимальных режимов механико-термических обработок мартенситных стареющих сплавов. Разработан новый метод определения внутренних напряжений по данным дилатометрических исследований конструкционных материалов в исследуемом и отожженном состояниях. Метод прошел апробацию на модельных сплавах системы Al-Zn и был успешно применен для выбора оптимальной температуры старения дуплексной стали 2205MFA в процессе ее криомеханического упрочнения. Результаты этих исследований позволили расширить программу исследований по разработке технологий формирования высокопрочного состояния мартенситных стареющих сплавов, которая выполняется в настоящее время совместно с лабораторией конструкционных сталей и сплавов ИМЕТ. Разработанные методы определения термоактивационных параметров деформационных процессов и характеристик фазовых переходов были использованы для исследования комплекса механических и теплофизических свойств наноструктурных материалов и позволили получить эти характеристики на пленках с толщинами 2-0,5 мкм.
Создан экспериментальный лабораторный стенд для изучения условий генерации звуковых волн регулярными вихревыми структурами.
Проведены серии измерений, выявивших условия возникновения акустических резонансов в импактных закрученных течениях.
Получены количественные данные по частотным характеристикам акустических резонансов в зависимости от расхода воздуха в импактном закрученном потоке и геометрии области течения.
Для исследования частотных характеристик трехмерных вихревых структур использованы акустический метод, метод лазерной интерферометрии и различные способы визуализации вихревой структуры течения.
Cозданы оригинальные конструкции рабочих участков, методики экспериментальных измерений, начаты разработки автоматизированного измерительного комплекса, с помощью которого могут быть выявлены топологические особенности сложных вихревых течений, связанные с образованием детерминированной вихревой структуры потока.
Разработан метод математического моделирования топологии внутренних вихревых потоков, являющийся теоретической основой физико-математического моделирования кризисной перестройки поля течения в гидромеханических системах.
Выявлен эффект критического истечения, сопровождающийся появлением дополнительной низкочастотной составляющей резонансного спектра акустических колебаний.
Для импактного закрученного течения предложена физическая модель, позволяющая определить критические параметры гидромеханической системы, соответствующие появлению стоячего звукового поля.
Развернуть
4
01.08.2010 - 15.12.2010
Создана лабораторная установка для исследования вихревой структуры внутренних потоков жидких теплоносителей бесконтактным способом с регистрацией параметров акустической эмиссии, характеризующих степень неоднородности текущей среды. Установка оснащена приборным измерительным комплексом, позволяющим выявлять структурные особенности сложных вихревых течений одновременно с помощью визуализации (фото- и видеосъемки) и регистрации акустических сигналов с их компьютерной обработкой в режиме реального времени.
Сконструированы и изготовлены сменные рабочие участки с различной конфигурацией завихрителей. Проведены наладочные работы и поверочные испытания.
Разработана специальная схема измерений, основанная на применении низкочастотного акустического датчика при регистрации крупномасштабных вихреобразований в каналах сложной геометрии.
На основании использования акустического метода и различных способов визуализации вихревой структуры потока выявлены топологические особенности импактных закрученных течений.
Продолжены исследования эффекта генерации резонансных звуковых колебаний при истечении импактных закрученных струй.
Исследовалось влияние геометрии самой гидромеханиеской системы, обладающей собственными частотами колебаний, а также влияние материала конструкции на амплитудно-частотные характеристики генерируемых течением акустических колебаний.
  На специально созданной экспериментальной установке для исследования структуры струйного течения жидкости, его стратификации и устойчивости проведены опыты по визуализации структуры свободной струи при различной конструкции сопел в дозвуковом режиме истечения.
Создана лабораторная экспериментальная установка по изучению механизмов вихреобразования в электропроводных жидкостях, к которым относятся жидкометаллические теплоносители ЯЭУ.
Для теоретического обобщения полученных экспериментальных результатов использовался предложенный на предыдущем этапе метод математического моделирования топологии внутренних вихревых потоков, являющийся теоретической основой физико-математического моделирования кризисной перестройки поля течения в гидромеханических системах.
  Модернизирована высокотемпературная вакуумная печь и измерительная ячейка для исследованиия процессов плавления и кристаллизации аюминиевых сплавов.
  Проведено исследование процессов плавления и кристаллизации трех литейных алюминиевых сплавов АЛ9 (АК74), ВАЛ 10 (АМ 4,5Кд) и ВАЛ5 (АЛ34, АК8) с использованием метода акустической эмиссии (АЭ). Измерения сигналов акустической эмиссии проводились как при плавлении, так и при кристаллизации. Было выполнено измерение при двух скоростях изменения температуры – 10 град/мин и 25 град/мин. При низком темпе нагрева и охлаждения фиксация площадок фазовых переходом имела хорошую воспроизводимость при каждой серии измерений.
  Выявлен эффект снижения активности акустических сигналов при повторных циклах плавления и кристаллизации. Это свидетельствует о том, что формирование структуры не заканчивается сразу же после охлаждения слитка. Период времени, через который происходит восстановление активности акустических сигналов, может быть критерием старения материала. При большом темпе изменения температуры фиксация площадок плавления компонентов сплава менее явна, чем при малом темпе изменения температуры. При охлаждении сплава ВАЛ10 с темпом изменения температуры около 40 градусов в минуту фиксация площадок фазовых переходов данной регистрирующей аппаратурой оказалась затруднительной.
  Замечено для всех исследуемых сплавов, что интенсивность АЭ сигналов при затвердевании существенно выше, чем при плавлении. Это, на наш взгляд, соответствует, вероятно, первой стадии кристаллизации – дендритному росту и быстрому увеличению количества твердой фазы. Длительность первой стадии невелика и составляет примерно 1% от длительности всего процесса кристаллизации. Вторая стадия процесса заключается, на наш взгляд, в том, что переохлажденном расплаве, находящемся в междендритном пространстве, выпадает твердая фаза в форме дополнительных дендритных образований либо мелкодисперсных глобулярных кристаллитов. Широкое распространение в природе глобулярной кристаллизации, при которой кристаллы зарождаются перед фронтом, показывает, что в реальных условиях более вероятным является зарождение кристаллов перед фронтом, а не рост кристаллов, находящихся на фронте кристаллизации.
  Спроектирован и изготовлен измерительный акустический комплекс для исследования акустических (скорость распространения и затухания звука) и акустико-эмиссионных свойств в широком интервале температур, как в вакууме, так и в различных газовых средах.
  Усовершенствовано аппаратурное оформление измерительной системы АКПАР, предназначенной для измерения скорости распространения и затухания ультразвука в твердых телах при высоких температурах, в направлении повышения точности регистрации, накопления и анализа зондирующих и эхоимпульсов.
  Усовершенствована система автоматического регулирования температуры внутри измерительной ячейки путем замены тиристорного регулятора мощности, создающего помехи в акустическом тракте регистрирующей аппаратур, на однофазный регулятор напряжения с сервоприводом.
  Модернизирована измерительная ячейка акустико-эмиссионного комплекса в направлении облегчения и ускорения замены образцов.
  На основе универсальной диагностической АЭ системы СДС1008 разработана и изготовлена 2-х-канальная версия этой системы, адаптированная для проведения научных исследований.
  Доработано программное обеспечение «Маэстро» АЭ системы СДС1008 с учетом требований научно-исследовательских работ.
  Проведены измерения акустических и АЭ свойств трех титановых сплавов. Исследована возможность использования акустических методов для контроля качества однофазных a (ВТ5), псевдо–α (ВТ20) и двухфазных a+β (ВТ23)–титановых сплавов. Получены температурные зависимости акустической эмиссии (АЭ), скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука, а также дилатометрических параметров в образцах сплавов ВТ5, В20 и ВТ23 в исходном и отожженном состояниях в интервале 20-1000 0С. Основное внимание уделялось поведению этих свойств в процессе и после отжига, а также вблизи полиморфного a→β–превращения. Кроме того, сплав ВТ23 был исследован в процессе и после различных термических упрочнений (закалка + старение, закалка + отжиг).
  Показано, что АЭ существенно зависит от структурного состояния исследованных сплавов. Это открывает широкие возможности для анализа кинетики структурных эволюций и полиморфных превращений при различных технологических воздействиях.
Развернуть
5
01.01.2011 - 15.05.2011
Разработан метод определения внутренних напряжений по данным дилатометрических измерений и результатам построения температурной зависимости скорости звука для исследуемого материала в заданном интервале температур. Метод экспериментально опробован на дуплексной стали 2205MFA.
  Проведен патентный поиск новых нетрадиционных методов определения структурных параметров и теплофизических характеристик материалов по данным дилатометрических измерений. Выбраны примеры нетрадиционного использования данных дилатометрических экспериментов для определения критических точек фазовых превращений в многофазных конденсированных системах, для оценки термоактивационных параметров, контролирующих кинетику фазовых превращений и для измерения кинетических характеристик структурных и фазовых превращений в металлах и сплавах. Разработан метод построения зависимости, связывающей эффективную энергию активации усталостного разрушения конструкционных материалов с параметрами их структурной повреждаемости под действием циклических нагрузок. Установлено, что для малоуглеродистой стали 08КП процессы усталостной повреждаемости материалов имеют место при напряжениях меньших их пределов усталости.
Установлены основные закономерности и физические особенности сложных вихревых и закрученных течений и выделены основные факторы, влияющие на гидродинамику и теплообмен в сложных гидромеханических системах, что позволяет сделать заключение, что такие распространенные в каналах сложной формы эффекты, как кризис обтекания, образование вихрей Тейлора, Тейлора-Гертлера, спиральных вихрей в криволинейных каналах и др. носят пороговый характер и определяются критическими безразмерными параметрами, значения которых в большинстве случаев получены эмпирически.
Процесс генерации крупномасштабных вихревых структур может подчиняться фликкер-шумовой флуктуационной зависимости, когда спектр мощности на низких частотах становится обратно пропорциональным частоте.
Для исследования механизмов генерации крупномасштабных вихреобразований во внутренних течениях разработана конструкция лабораторного стенда и приборного комплекса, позволяющих выявлять наличие структурных особенностей сложных вихревых течений одновременно с помощью визуализации (фото- и видеосъемки) и регистрации акустических сигналов с их компьютерной обработкой в режиме реального времени. Разработана специальная схема измерений, основанная на применении низкочастотного акустического датчика при регистрации крупномасштабных вихреобразований в каналах сложной геометрии.
Исследовано влияние геометрических и режимных параметров гидромеханической системы на генерацию звуковых колебаний.
  Для выявления механизма генерации спиральности в электропроводной жидкости, помещенной в магнитное поле, создана экспериментальная установка. Проведены серии экспериментов по изучению взаимосвязи электрического, магнитного и вихревого полей в жидкой электропроводной среде.
Развернуть
6
16.05.2011 - 15.08.2011
Разработаны конструкции гидро- и газодинамических стендов и приборного комплекса для физических исследований и визуализации вихревых структур внутренних потоков жидких и газообразных теплоносителей. Сконструированы и изготовлены рабочие участки различной геометрии. Проведены наладочные работы и поверочные испытания.
Усовершенствована методика измерений амплитудно-частотных характеристик вихревых потоков, основанная на применении низкочастотного акустического датчика при регистрации крупномасштабных вихреобразований в каналах сложной геометрии.
В результате проведенных исследований установлено, что механизм генерации звуковых колебаний в импактных закрученных течениях носит различный характер для случаев натекания потока на фиксированную (жестко закрепленную) поверхность или преграду и свободную, незакрепленную преграду. В первом случае акустические эффекты возникают за счет резонансного совпадения частот вращения в генерируемых крупномасштабных вихреобразованиях. Во втором случае с незакрепленной преградой наблюдается генерация акустических колебаний высокой интенсивности в низкочастотном диапазоне спектра с последующей перестройкой вихревого поля течения, приводящей к резонансам на собственных частотах гидромеханической системы.
Полученные в опытах результаты о влиянии интенсивности завихренности на формирование крупномасштабных вихревых структур позволили более точно сформулировать постановку задачи для расчета течения в коллекторной системе корпусного ядерного реактора. Проведенные численные расчёты тестовых задач показали качественное соответствие предложенного описания сложных вихревых течений однофазного теплоносителя в коллекторных системах корпусных ядерных реакторов.
Разработан новый метод испытания на высокотемпературную ползучесть и длительную прочность малогабаритных образцов конструкционных материалов, в котором применен высокоскоростной дилатометр, позволяющий использовать его преимущества для получения точной информации о кинетике этих процессов. Среди этих преимуществ следует особо отметить: 1) высокую точность измерения деформаций (инструментальная погрешность измерений не превышает 1 мкм.); 2) высокая точность поддержания параметров установленного режима испытания; 3) непрерывная регистрация физических переменных, описывающих процесс с периодичностью в 3 секунды, что обеспечивает большой объем измеряемой информации; 4) возможность испытаний в вакууме и контролируемой атмосфере; 5) возможность проведения экспериментов в программированных условиях. Наличие этих преимуществ дает возможность использовать полученные измерения для определения структурной поврежденности материалов и термоактивационных параметров, контролирующих процесс деформирования и разрушения в условиях ползучести. Это открывает большие возможности для использования кратковременных высокоточных измерений физических параметров изучаемых процессов для прогнозирования долговечности конструкционных материалов. Проведенный патентный и информационный поиск показал полное отсутствие аналогов такого использования дилатометрии.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2005, 2 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Организация
ИБХФ РАН
профинансировано
Тема
Экспериментально-теоретические исследования эрозионных процессов в условиях стохастического инициирования и схлопывания кавитационных каверн в вихревом турбулентном потоке.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 14 мес.
Бюджетные средства
12 млн
Количество заявок
2
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Тема
Исследование теплофизических, оптических и транспортных характеристик плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава в условиях интенсивных радиационных, электромагнитных и ударно-волновых нагрузок. Исследование физики нового класса сильноточных излучающих плазмодинамических разрядов экстремальной плотности тока и радиационно-плазмодинамических механизмов генерации, нагрева и ускорения гиперзвуковых потоков плотной плазмы сложного химического и ионизационного состава. Фундаментальные исследования нелинейных радиационно-плазмодинамических эффектов взаимодействия ускоренных потоков излучающей плотной плазмы с конденсированными, газовыми и плазменными средами на установке: "Научно-исследовательский экспериментально- диагностический стенд на основе сильноточного магнито-плазмодинамического ускорителя экстремальной плотности мощности (ЛУЧ СО1) (рег. № 06-17)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Количество заявок
1
Тема
Изучение новых морских природных соединений, выделение, структура, биосинтез и биологическая активность. Изучение ферментов из морских макро- и микроорганизмов. Изучение молекулярных основ иммунных процессов, в том числе антибактериального и антиопухолевого иммунитета.Изучение биологической активности и механизма действия природных и синтетических соединений. на установке: "Научно - исследовательское судно "Академик Опарин". (рег. № 2-1.7)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,5 млн
Количество заявок
1
Тема
Влияние автоколебательных процессов на формирование наноразмерных элементов структуры при лазерном воздействии на материалы.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Спектроскопия атомов, молекул и конденсированных сред.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1