Научный сотрудник лаборатории автоматизации измерений ИПМА КБНЦ РАН Виктор Нарожнов по просьбе «КБП» рассказывает о своём изобретении – приборе, способном определить такое свойство материала, как «упругость», причём сделать это методом, ранее не применявшимся, к тому же без последствий для исследуемого материала.
В прошлом году Виктор Нарожнов был удостоен премии Главы КБР в области науки и инноваций для молодых учёных. Получил он её за «принципиально важные теоретические и экспериментальные исследования нелинейных колебаний с соударениями». На основе полученных теоретических результатов Виктор Нарожнов со своим научным руководителем – доктором физико-математических наук Серго Шотовичем Рехвиашвили – разработали оригинальный прибор. На изобретение авторы получили патент РФ.
Согласно патенту прибор называется «Стенд для исследования вязкоупругих свойств металлов и сплавов c помощью зондового акустического метода». Предназначен он для так называемой неразрушающей диагностики вязкоупругих свойств металлов и других твёрдых тел. Ключевое слово тут – неразрушающей: именно в этом заключается его отличие от традиционно применяющихся для этого методов.
– На практике работа прибора выглядит так: исследуемый образец металла закрепляется на специальной станине стенда, – объясняет учёный. – На него направляется зонд. Он очень прочный, поскольку изготовлен из корунда. Затем мы включаем генератор и подаём электрический ток на катушку индуктивности, магнитное поле которой двигает зонд, заставляя его наносить удары по поверхности исследуемого материала. В результате на поверхности образца образуются акустические волны, которые датчик передаёт на осциллограф, где они отображаются на экране в виде затухающих сигналов. По их амплитуде и частоте мы можем определять упругие свойства исследуемого материала, поскольку в разных веществах акустические волны, проще говоря – звук, распространяются по-разному. Если волны, к примеру, затухают относительно медленно, то упругость у материала высокая.
Почему необходимо определять упругие свойства материалов? Ответ простой: это своего рода часть «проверки на прочность» для материалов, применяемых в таких областях, как металлургия, строительство, машиностроение, авиакосмическая промышленность, словом – везде, где рабочий процесс часто сопровождается соударением частей, деталей и узлов, либо вибрацией, в результате чего материал, из которого эти детали изготовлены, может быть деформирован или повреждён. Поэтому и важно знать свойства используемых материалов.
– Особенно это актуально в тех случаях, где имеют место высокая рабочая скорость и лёгкие материалы, – уточняет Виктор Нарожнов. – В таких случаях колебания, которые возникают в материалах, могут быть нелинейными. Что такое линейность и нелинейность простыми словами? Например, колебания с малой амплитудой таких объектов, как длинные мосты, крылья самолётов и лопасти вертолётов, небольшие покачивания судов в спокойной воде, простейшие вращательные движения гибких валов и тому подобное хорошо описываются с помощью линейной теории колебаний. А вот взаимодействие мостов с их опорами, крыльев-лопастей с воздухом, кораблей и волн, валов с подшипниками и так далее уже является нелинейным. Вот такие нелинейные колебания и возникают в механических системах в таких областях, как уже упомянутое машиностроение, железнодорожный транспорт, судостроение, авиация и реактивная техника. Ведь именно в них используются более высокие рабочие скорости механизмов в сочетании с более лёгкими и тонкими конструкционными материалами, а это является одной из причин частого возникновения нелинейных колебаний. Соответственно, к качеству применяемых конструкционных материалов в данном случае предъявляются особые требования. Поэтому внедрение методов исследования и приборов диагностики и контроля вязкоупругих свойств материалов может оказать значительное влияние на развитие промышленной и машиностроительной отраслей. Да и нелинейный эффект на сегодняшний день плохо изу-чен, в отличие от линейного. Мы же с помощью нашего прибора можем данный эффект исследовать.
Что касается существующих сегодня в мире аналогов «стенда для исследования вязкоупругих свойств», то они чреваты тем, что исследуемый материал неизбежно получает повреждения. В нашем случае этого не происходит.
В качестве основания для прибора использован корпус биологического микроскопа. Сапфировый зонд очень тонкий, его радиус составляет всего 100 микрометров. Фактически это очень тонкая иголка. Также в приборе имеется балка с зондом, колеблемая образуемым в катушке магнитным полем.
– Предложенная методика исследования – качественно новая, а соответствующие приборы на рынке технологий отсутствуют, – заключает Виктор Нарожнов. – Прибор может быть востребован не только в перечисленных нами отраслях, но и в научно-исследовательских и учебных лабораториях, а также в производстве конструкционных и строительных материалов. Производство его можно наладить в КБР.
Теперь, когда учёные убедились, что прибор работает на металлах и сплавах, его планируется использовать для тех же целей, но с другими материалами. Например, с деревом или керамикой. Для республики, где сегодня активно разворачивается строительство, это будет не менее актуально.
Асхат Мечиев.
