Наука - практике

Циклу работ "Нейтронная фурье-дифрактометрия для исследования внутренних механических напряжений в объемных промышленных изделиях и новых перспективных материалах" (авторы А.М.Балагуров, Г.Д.Бокучава, Е.С.Кузьмин, В.В.Сумин, А.В.Тамонов, Ю.В.Таран, Ю.Шрайбер) была присуждена вторая премия ОИЯИ за 2005 год. Редакция попросила Анатолия Михайловича БАЛАГУРОВА подробнее рассказать о ведущихся исследованиях.

Слова о том, что наука должна служить благу общества, а то и самоокупаться, уже стали трюизмом. Ученые вроде не против, хотя практика показывает, что большинство из них не торопится заняться чем-нибудь таким, что действительно напрямую связано с производством. Не углубляясь в причины этой ситуации (они наверняка фундаментальные!), хочу сообщить о том, что в Лаборатории нейтронной физики имени И.М.Франка, по крайней мере, одна из тем, ведущихся на реакторе ИБР-2, уже давно приобрела коммерческие черты. Еще в начале 1990-х годов нами было осознано, что нейтронные дифракционные спектры, измеряемые на фурье-дифрактометре высокого разрешения (ФДВР), могут быть проанализированы с точки зрения наличия в образце (изделии) остаточных внутренних напряжений (их принято называть стрессами), знание которых во многих случаях исключительно важно для инженеров, то есть и для практики.

Суть метода предельно проста. При наличии стрессов дифракционные пики немного смещаются относительно номинальных позиций. Измеряя эти смещения и используя известные константы вещества типа модуля Юнга и коэффициента Пуассона, можно получить информацию о стрессах. Для строгости, надо упомянуть, что речь идет о так называемых стрессах первого рода или макрострессах, которые приводят к смещениям пиков. Существуют напряжения других типов, например, микрострессы, которые проявляются только в уширении дифракционных пиков. Формируя с помощью диафрагм узкий нейтронный пучок и сканируя им объем образца, можно измерить распределение стрессов в материале. Основным преимуществом нейтронов перед другими типами излучений является их огромная проникающая способность - как правило, сантиметры, вместо долей миллиметра для рентгеновских лучей.

Первая наша работа на эту тему (ее основным автором был Ю.В.Таран) со скромным название "Возможное использование ФДВР для измерения стрессов" появилась в 1993 году. А уже в 1995 году вышла первая работа с конкретными результатами измерения стрессов в холоднокатаных стальных дисках. К тому времени к этим делам подключился профессор Ю.Шрайбер из Дрездена, при активном участии которого тема стала быстро развиваться. Благодаря Ю.Шрайберу, мы получили финансирование от BMBF и INTAS, которое позволило закупить и создать необходимое оборудование (нагрузочную машину, многоосный гониометр, печь и т.д.) и начать регулярные эксперименты.

За прошедшие годы в отделе нейтронных исследований конденсированных сред ЛНФ постепенно сформировалась группа физиков, занимающихся стрессами (сейчас в нее входят доктора наук В.В.Сумин и Ю.В.Таран, кандидат наук Г.Д.Бокучава, а также А.В.Тамонов, С.Г.Шеверев, И.В.Папушкин), отлажена методика, выполнены многочисленные эксперименты. Приведу названия нескольких завершенных работ, которые говорят сами за себя: "Исследование стрессов в аустенитных сталях с разной степенью усталостности", "Измерение стрессов в градиентном материале W/Cu", "Изучение стрессов в ударнике перфоратора", "Измерение стрессов в биметаллическом переходнике реактора РБМК". О возможном практическом выходе можно судить, например, по работе с ударником перфоратора, которая была выполнена по коммерческому контракту с Тульским машиностроительным заводом. В присланном нам акте, подписанном техническим директором завода, говорится, что выполнение рекомендаций, сформулированных на основе проведенных измерений стрессов, позволило увеличить время наработки детали на отказ в два с половиной раза.

Наши работы вызвали интерес во многих организациях. Начиная с 2000 года, они поддерживаются некоторыми предприятиями Росатома, с департаментом науки которого каждый год заключается государственный контракт. В самое последнее время устанавливаются связи с Липецким металлургическим заводом. Вместе с Институтом физики металлов в Екатеринбурге мы создаем специализированный нейтронный дифрактометр для изучения стрессов в облученных материалах и изделиях.

Насколько мне известно, в своей рецензии на цикл наших работ по применению дифракции нейтронов к изучению внутренних напряжений, представленных на конкурс ОИЯИ, член-корреспондент РАН Б.Г.Гощицкий отметил, что они являются хорошим примером применения достижений фундаментальной науки для решения практических задач промышленности и материаловедения. Он выразил надежду, что эти работы получат дальнейшее развитие в ОИЯИ. Мы тоже на это надеемся и в целом оцениваем ситуацию как благоприятную, но следует признать, что проблем, которые необходимо решить, чтобы эта методика действительно начала широко применяться, еще довольно много.