На основе системного подхода обосновывается концепция физической мезомеханики, согласно которой поверхностный слой в деформируемом твердом теле является самостоятельной подсистемой. С ростом степени деформации в нем развиваются автономные процессы, оказывающие определяющее влияние на стадийность локализации пластического течения и разрушение образца в целом. Ключевую роль в мезомеханике поверхностного слоя играют его «эффективная» толщина и интерфейс с объемом кристалла, на котором распределение напряженно-деформированного состояния имеет вид «шахматной доски».

Проведена серия численных экспериментов, нацеленных на выявление закономерностей формирования возмущений на внутренних границах раздела и поверхностях твердого тела при внешней приложенной механической нагрузке. Применен разработанный авторами стохастический алгоритм, использующий как базовые понятия классической теории упругости на макромасштабном уровне, так и результаты, полученные в рамках вероятностных подходов для более низких масштабных уровней. Обнаружено, что деформационный профиль поверхностного слоя нагруженного твердого тела имеет многоуровневую самоподобную структуру, где форма поверхности фронта возмущений на более высоком масштабном уровне подобна форме фронтов возмущений от концентраторов напряжений на более низких масштабных уровнях. Распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой – подложка» имеет «шахматный» характер.

Представлен обзор работ. выполненных в последние годы в физической мезомеханике по системному подходу к описанию деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. на основе теоретических и экспериментальных исследований обосновывается тезис, что поверхностные слои и внутренние границы раздела в нагруженном материале являются важными функциональными подсистемами. Развиваемый подход является основой конструирования материалов новых поколений и методов их упрочнения в современном материаловедении.

В работе представлены результаты исследований элементного состава, структурно-фазовых состояний, свойств пластичности и прочности тонких поверхностных слоев, сформированных в сплавах на основе TiNi при облучении направленными пучками заряженных частиц — ионов и электронов. На примере сплава Ti49.5Ni50.5 продемонстрирована связь между выявленными в работе микроструктурными свойствами поверхностных слоев, исходных и модифицированных облучением, и закономерностями распространения в таких сплавах деформационного процесса.??.

Проведено исследование процессов пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях при трении и изнашивании конструкционной стали с композиционным упрочняющим покрытием. Показано, что характер пластической деформации на мезомасштабном уровне в композициях с покрытиями характеризуется рядом существенных особенностей, связанных с возникновением иерархии концентраторов напряжений на двух границах раздела: "контртело-покрытие" и "покрытие-основа". Анализ изображений поверхности трения с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC позволил установить, что под действием поперечных составляющих сдвигов, развивающихся в результате релаксации мезоконцентраторов напряжений на границе раздела "контртело-покрытие", создается периодическое чередование зон растяжения и сжатия. Это обусловливает поперечное перераспредление твердых частиц в тонком поверхностном слое и возникновение в нем "строчечной" структуры.

На основе метода частиц предлагается модель шероховатой поверхности твердого тела. Несмотря на то, что в работе размер частиц выбран произвольно, эволюция фактической площади касания и изменение напряжения в пятнах контактов достаточно хорошо согласуется с представлениями, которые вытекают из экспериментальных исследований. Эксперименты показывают, что при сближении двух поверхностей давление на контактах значительно выше номинального, это приводит к пластической деформации поверхностных слоев, которая оказывается много больше объемной деформации. В данной модели наглядно показывается, от чего зависит и как формируется напряженное состояние поверхностного слоя. Модель позволяет рассматривать взаимодействие поверхностей не только в стационарном случае, но и при их относительном перемещении.

Рассмотрен механизм формирования фрагментированной микроструктуры при больших степенях деформации, которые реализуются на поверхности металла при трении. Показано, что размер фрагментов в данных условиях является минимальным и связан с достижением дислокационной плотностью критического значения в предельно деформированном состоянии, выше которого силы междислокационного взаимодействия оказываются больше сил внутреннего трения.

Приведено краткое описание одномерной динамической модели развития сдвиговой пластической деформации в поверхностном слое материала при трении скольжения с обоснованием снижения размерности рассматриваемой задачи от 3D до 1D. Представлены некоторые результаты моделирования, иллюстрирующие особенности режима пластического деформирования под действием двух конкурирующих процессов - деформационного упрочнения и термического разупрочнения за счет фрикционного нагрева. Также приведены экспериментальные данные, на основании которых сделан вывод о возможности течения поверхностного слоя подобно вязкой жидкости. Для оценки возможности турбулизации такого слоя по числу Рейнольдса использованы результаты моделирования.