Тольяттинский государственный университет представил методику, позволяющую прогнозировать разрушение металлов на сверхранних стадиях, когда традиционные способы контроля ещё не фиксируют дефектов. Учёные обнаружили, что микроскопические изменения на поверхности и внутри материала подчиняются единым математическим закономерностям — фракталам. Пока эти закономерности сохраняются, металл остаётся в безопасной зоне. Как только синхронность нарушается, наступает «точка невозврата», после которой разрушение становится неизбежным.
В основе открытия лежит анализ так называемой геометрии хаоса. Эксперименты с медью и никелем показали, что полосы скольжения на поверхности и дислокационные конфигурации в объёме образуют самоподобные структуры. До определённого момента их фрактальные характеристики коррелируют друг с другом. Перед самым разрушением эта связь разрывается, что служит точным индикатором перехода материала в критическую стадию.
Для выявления этого сигнала исследователи применили методы, зарекомендовавшие себя в других областях: анализ электроэнцефалограмм при эпилепсии и болезни Альцгеймера, оценку волатильности финансовых рынков, прогнозирование землетрясений и диагностику неисправностей механизмов. В частности, метод Хигучи позволил выделить из общего шума деформируемого металла параметры, указывающие на опасную концентрацию внутренних напряжений.
Ведущий научный сотрудник ТГУ Игорь Ясников пояснил, что предложенная методика превращает поверхность металла в своего рода диагностический экран для заглядывания внутрь материала. «Нам удалось установить, что фрактальная сложность поверхности металла является прямым индикатором локализации деформации. До определённого момента внутренние и внешние процессы в металле идут рука об руку, но перед самым разрушением эта гармония нарушается. Мы доказали, что, фиксируя момент исчезновения этой корреляции, можно с высокой точностью рассчитать «точку невозврата» для любой металлической детали. По сути, мы получили инструмент, позволяющий измерять степень «усталости» металла в конкретных физических величинах ещё до того, как на нём появятся первые трещины», — отметил учёный.
Практическое применение разработки способно изменить подходы к промышленной безопасности. Вместо дорогостоящего сканирования внутренних структур инженеры смогут оценивать надёжность критических узлов по состоянию их поверхности и параметрам акустического шума. Это открывает путь к созданию интеллектуальных систем контроля для авиации, атомной энергетики и мостостроения, способных в реальном времени предсказывать остаточный ресурс оборудования и предотвращать аварии. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда.
