Наука - практике

Одним из последних экспериментов, проведенных в прошлом году на реакторе ИБР-2 перед его закрытием на модернизацию, были облучения образцов на Фурье-стресс-дифрактрометре (ФСД).

Наш эксперимент был выполнен в тесном сотрудничестве с профессором Юргеном Шрайбером, заместителем директора Дрезденского филиала известного Саарбрюкенского Института неразрушающих методов контроля (ИНМК). Профессор Шрайбер специально приехал на неделю, чтобы лично принять участие в последнем эксперименте на ИБР-2.

Позади 15 лет плодотворного сотрудничества ЛНФ и ИНМК. Велик научный, технический и финансовый вклад ИНМК в ФСД, а также в первый Фурье-дифрактометр высокого разрешения (ФДВР), созданные под руководством В.Л.Аксенова и А.М.Балагурова, за что они получили Государственную премию России. Цикл прикладных работ, выполненных на этих установках в 1995-2005 гг., был удостоен премии ОИЯИ за 2005 год.

Своим последним экспериментом на ФСД мы сделали принципиальный шаг в развитии нового направления исследований усталостных свойств материалов методом нейтронной дифракции. Конкретно эксперимент был сделан с нержавеющей сталью (НС). Наверное, все знают, что такое НС, но, возможно, не все знают об аустенитной НС (АНС). А между тем в мире ее производят сотнями миллионов тонн из-за ее выдающихся качеств. Особенно широко эта сталь применяется в ядерной и химической промышленности. И важнейшим является вопрос о допустимом сроке эксплуатации изделий, узлов и машин из этого металла.

Сталь, как и любой материал, в процессе эксплуатации испытывает усталостную деградацию и теряет свои замечательные свойства. Продление времени жизни материала только лишь вдвое будет иметь колоссальный экономический эффект. Исследование усталостных свойств материалов актуально в течение многих десятилетий. Важнейшей причиной усталостной деградации являются неизбежные эксплуатационные механические нагрузки сложной многоосевой конфигурации. Чтобы ускорить процесс исследования, инженеры стали искусственно воздействовать на материал. Вначале использовалось только одноосное циклическое растяжение - сжатие. Затем пошли в ход различные многоосевые комбинации растяжения, сжатия, кручения, изгиба и т.д.

Шаг за шагом специалисты приближались к реальной эксплуатационной ситуации. Для таких испытаний создавались специальные циклирующие нагрузочные машины. Исследование свойств материалов, подвергнутых усталостному циклированию, производилось традиционными механическими методами и частично методом рентгеновской дифракции. Однако механическими методами можно определять только усредненные характеристики материалов, которые зачастую являются многофазными сплавами. Рентгеновские лучи обладают слабой проникающей способностью, и исследование возможно только вблизи поверхности материала, где свойства могут существенно отличаться от глубинных.

Нейтроны являются проникающим излучением. С помощью нейтронной дифракции (НД) может быть исследован материал на глубинах до 10 см (в зависимости от его сорта). Важнейшим качеством дифракции является ее фазовая чувствительность, то есть характеристики каждой фазы в сплаве могут быть изучены независимо. Эти два качества НД, известные с давних пор, приобрели решающее значение, когда интенсивности нейтронных источников резко выросли. За последние 15 лет практически во всех мировых нейтронных центрах были созданы специализированные стресс-дифрактометры для практических исследований. Инженеры под патронажем ученых стали широко использовать эти установки.

Выпускник Тульского университета, инженер-физик Станислав Шеверев готовит нагрузочную машину к эксперименту с циклированной нержавеющей сталью на стресс-дифрактометре ФСД.
Лаборатория нейтронной физики ОИЯИ последние несколько лет реализует свой проект - времяпролетный стресс-дифрактометр ФСД на импульсном реакторе ИБР-2. Скудное финансирование не позволило его полностью реализовать, но с тем, что было создано, уже можно проводить эксперименты с приемлемым уровнем точности.

В чем же новизна нашего эксперимента? Дело в том, что до сих пор методом НД исследовались только одноосно циклированные материалы. В частности, наш коллектив провел серию экспериментов с АНС на лучшем в мире нейтронном стресс-дифрактометре в Резерфордовской лаборатории. Были обнаружены новые фазовые свойства циклированной АНС, изучена ее мартенситная трансформация, измерены остаточные механические напряжения с помощью нового метода, предложенного нашей группой.

Следующим логическим шагом в приближении к реальной эксплуатационной ситуации является переход к изучению стали, подвергнутой двухосному циклированию. Этот шаг еще несколько лет назад был невозможен из-за отсутствия необходимых машин. Сейчас этот пробел стал заполняться. Корпорация ИНСТРОН разработала и запустила в серию двухосную планарную циклирующую машину. Конечно, нашему Институту она недоступна из-за стоимости в один миллион долларов, но Европа понемногу начинает их приобретать. На одной из таких машин (в Бремене) нами была отциклирована серия образцов из АНС. Только один образец удалось исследовать на ФСД ввиду ограниченности пучкового времени, но получена совершенно новая информация. Впереди - ее интерпретация и математическое моделирование методом конечных элементов, а также попытки в течение четырехлетнего отсутствия собственной базовой установки пробиться на европейские стресс-дифрактометры для продолжения исследований.

В наше время открытых границ науку можно делать везде, где созданы современные установки, нужны только предложения мирового уровня, интересные и важные не только для заявителя, но и для более широкого инженерно-физического контингента. Тогда их обязательно примут, если, конечно, повезет.

Ю. ТАРАН, фото автора.