Міцність вибуху

Використання ударних хвиль різної інтенсивності дозволило створити принципово нові технологічні процеси обробки металів.

У 1966 році Радянський Союз із офіційним візитом відвідав президент Франції Шарль де Голль. Він побував у всесвітньо відомому Новосибірському академмістечку, яке щойно відзначило своє десятиліття. Його створювач академік Михайло Лаврентьєв з учнями, серед яких був і молодий аспірант Ростислав Дідик, зробили де Голлю незвичайний подарунок — тришаровий металевий сувенір кольорів французького прапора. Три зовсім різних метали були з’єднані за допомогою нової технології — зварювання вибухом. Президента Франції тоді вразило ноу-хау радянських учених.

Минули роки. Сьогодні Ростислав Петрович Дідик — заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри технології гірничого машинобудування Національного гірничого університету (м. Дніпро­петровськ). Його наукові ідеї, які народилися в стінах суто «земного» ВНЗ, успішно реалізовані в космічних проектах при створенні ракет-носіїв і космічних апаратів «Циклон», «Зеніт», «Зеніт-8», «Океан».

А в 1997 році за досягнення в галузі науково-технічної діяльності Ростислав Дідик став одним із переможців у номінації «500 лідерів світової науки».

— Ростиславе Петровичу, то чому триметалевий сувенір-прапор здивував Шарля де Голля?

— Мені здається, французького президента вразив сам факт використання вибуху в нетрадиційній для цього галузі. Розповім про цю технологію докладніше. Освоєння космосу й глибинних надр землі, розвиток атомної енергетики та інших найважливіших галузей вимагають надтвердих матеріалів, які сполучають високу міцність і пластичність. Для їхнього виробництва та обробки наявного обладнання недостатньо. Нагрівання металу до температур близько 3000—4000°С і тисків 300—500 тис. атмосфер — верхня планка.

Чи досягнуто межу міцності матеріалів, чи обмежені можливості створення нових? На перший погляд, сама природа поставила нездоланний бар’єр у досягненні цієї мети. Як обробити матеріал і надати йому нових властивостей, якщо в умовах надвисоких тисків вузли агрегатів деформуються? Як нагріти його до надвисоких температур, якщо за температури вище 4000°С відбувається оплавлення нагрівальних пристроїв? Чому ж ми акцентуємо увагу на надвисоких тисках і температурах як визначальних умовах структурних перетворень і способів обробки матеріалів? Та тому, що саме за такого впливу відбуваються фундаментальні перетворення в структурах матеріалів і виникають широкі перспективи їхньої обробки.

— Хто автор технології зварювання вибухом, як давно вона привернула увагу дослідників і в чому її суть?

— Зварювання вибухом (ЗВ) — результат ефекту кумуляції, який проявляється під час схлопування металевих оболонок різних геометричних обрисів. Автор теорії кумуляції, визнаної класичною, — видатний учений XX сторіччя, чудовий математик і організатор науки академік Михайло Олексійович Лаврентьєв.

Подальший розвиток робіт із ЗВ — дослідження в галузі моделювання, структурних перетворень, оцінки міцності сполук і можливостей їхньої технологічної обробки. Ці роботи в різний час велися в Росії, Україні, Білорусі. Перші зразки біметалевих труб отримані в Дніпропетровську на початку 60-х років. Це стало побічним результатом експериментів із дослідження фізики ударних хвиль у лабораторії фізики вибуху Гірничого інституту (нині Національний гірничий університет).

Загальну фізичну модель зварювання металів вибухом можна представити як процес злиття двох потоків рідини, взаємодії металевих «струменів» (таке уявлення справедливе в межах прийнятих допущень, що дозволяють розглядати поводження металу як рідини).

При цьому рух верхнього струменя відбувається за дотичною траєкто­рією щодо нижнього шару. Створюються умови «ковзання» верхнього шару рідини поверхнею нижнього. За такого «косого» зіткнення в умовах дії високих градієнтів тисків і швидкостей навантаження в прикордонному шарі створюються необхідні умови для утворення міцного зв’язку на атомарному рівні.

— Де найефективніше використовується вибух?

— У руках учених-дослідників вибух перетворився на тонкий, чутливий інструмент, і це слід розглядати як одне зі значних досягнень останніх років у галузі науки і техніки.

Сьогодні енергія вибуху ефективно використовується у формотворних операціях обробки матеріалів тиском, різання, зварювання та зміцнення. За допомогою вибуху відтворюються найтонші візерунки на металі, прискорюються процеси полі­меризації, синтезуються алмази, створюються високощільні компакти з порошкових матеріалів, стимулюються процеси хіміко-термічної обробки матеріалів, регулюються величини залишкових напруг складних механічних конструкцій.

— А як на практиці відбувається процес обробки металу керованою ударною хвилею вибуху?

— Наведу один із показових прикладів. Якось ми одержали замовлення на виготовлення гофрованих компенсаційних труб для ракетних двигунів. Заготівки — рівні труби діаметром 1 метр — треба було перетворити на гофровані. Відразу відзначу, що зробити «гофри» механічно неможливо — немає таких інструментів. Ми користувалися методом безінструментальної обробки.

Замовлення виконувалося на експериментальному полігоні в Харківському авіаційному інституті, де є спеціальний басейн глибиною близько 4 метрів. У спеціальну розсувну матрицю, що відображає форму виробу, який необхідно одержати, вставляли заготівку. Унизу в центрі матриці кріпили спеціальну вибухову речовину (ВР). Кран опускав всю конструкцію в басейн. Сплеск води в центрі басейну (так званий «султан») свідчив про те, що вибух відбувся. «Гофри», а точніше деформація металевих рівних труб, вийшли в результаті ударної хвилі.

У таких умовах навіть інертні матеріали демонструють незвичайні властивості. У нашому випадку метал, залишаючись у твердому агрегатному стані (зі структурою, характерною для твердого тіла), поводиться за високошвидкісного деформування як «псевдорідина». Це пояснюється тим, що тиски, генеровані детонацією ВР, звичайно в багато разів перевершують межу плинності металів, але недостатні для помітної зміни їхньої густини.

У моїй практиці був і інший випадок. Дніпропетровський машзавод замовив виготовити 100 днищ із латуні. На Павлоградському хімзаводі є експериментальний майданчик, але капітального басейну немає. Тому ми заливали воду у звичайні пластикові мішки. Ці одноразові «басейни» використовували для формування. Виконали замовлення за тиждень. Ефективність і мобільність — навіч, оскільки не потрібний громіздкий прес. Зрозуміло, перед початком роботи був розрахований сейсмічний ефект і сила ударної хвилі. За 40 років роботи я не пам’ятаю жодного випадку травматизму.

Звичайно, безбасейновий метод годиться тільки для виготовлення невеликих партій. Перевага такого формування в тому, що відразу одержуємо суцільну конструкцію. Приміром, днище цистерни для перевезення нафтопродуктів залізницею раніше  зварювали з окремих металевих пелюсток. Але за високої рідкоплинності небезпечна найменша деформація. А штампування вибухом дозволяє одержати суцільне днище.

— Так і напрошується запитання: чи можна, використовуючи ці технології, «зварити» всі метали таблиці Менделєєва?

— Сучасна техніка ґрунтується на застосуванні багатофункціональних матеріалів, які поєднують у собі високу міцність, жаро- і корозійну стійкість, малу питому вагу, електро- і теплопровідність… Крім величезної економії дефіцитних, дорогих чорних і кольорових металів та сплавів, весь цей комплекс властивостей може бути інтегрований в одному матеріалі. Прикладів використання таких «шаруватих пирогів» у промисловості цілком достатньо.

Скажімо, прокатні валки — «серце» прокатного стану. До їхньої експлуатації висувають жорсткі вимоги: робоча поверхня повинна мати стійкість проти стирання, а внутрішня частина валків — високий ресурс тривалої міцності. Сполучити ці властивості в одному металі складно, а іноді просто неможливо. Виробництво двошарових валків істотно підвищує якість прокатної продукції та збільшує ресурс роботи обладнання.

Якщо сталеву трубу вкрити тонким шаром корозійно-стійкого сплаву, її життєвий цикл можна збільшити в 50 і більше разів. У ракетно-космічній техніці декілька конструктивних елементів виконані з різних за властивостями матеріалів, кожен з яких має певні функціональні властивості. Тому ефективність ідеї використання поліметалевих композицій у різному їхньому наборі очевидна.

— Які перспективи розвитку цих технологій в Україні?

— Упевнений, що майбутнє в них є. Але необхідно створювати відповідні умови. Насамперед, відновити перервані наукові зв’язки й відновити повно­масштабне співробітництво з колегами з Росії та Білорусі. Крім того, створити в Україні координаційну раду з проблеми високоенергетичної обробки матеріалів. І, нарешті, організувати підготовку науково-технічного персоналу на рівні вузівських програм і курсів підвищення кваліфікації. Приміром, у нас в університеті для студентів машинобудівних спеціальностей уже читається курс «Спеціальні технології».

Незважаючи на безліч високотехнологічних рішень, реалізованих у промисловості вже сьогодні, ідея використання екстремальних температур і тисків себе не вичерпала. Один із прикладів — дослід­ження структурних перетворень у зоні зіткнення однорідних металів під час ЗВ. Вони становлять інтерес у разі подальшого температурного впливу й ініціюють утворення структури нанорівня, роль яких у формуванні комплексу властивостей конструкційних матеріалів важко переоцінити.

Штрихи до портрету

Ростислав Дідик — відомий у світі фахівець у галузі створення технологій використання високомодульних джерел енергії для обробки матеріалів. Дійсний член Нью-Йоркської академії наук (США), академік Академії інженерних наук України, член Міжнародної академії відкриттів і винаходів.

За монографію «Біметалеві труби» в 1976 р. визнаний гідним премії ім. академіка Є. Патона. Лауреат премії Ленінського комсомолу за цикл робіт з теорії та практики використання вибухових та імпульсних технологій для обробки металів.

Автор наукового відкриття в галузі пластичності металів (2001 р.).

За підготовку інженерно-технічних кадрів для гірничого машинобудування нагороджений почесними знаками «Шахтарська слава» трьох ступенів.