Пластическая деформация твердых тел рассматривается как процесс формирования и распространения автоволн различного типа при нагружении образцов из пластичных материалов. Показано, что каждому типу автоволн отвечает определенный тип активной среды ( возбудимой или автоволновой), которые различаются природой и масштабом структурных неоднородностей, создающихся в процессе пластического течения. Прослежена эволюция активных сред и соответствующих им волновых режимов в твердых телах с различной природой пластической деформации. Приведены количественные оценки параметров автоволн, таких как длина и скорость распространения. Показано, что автоволновые картины расширяют возможности анализа кинетики процессов, ответственных за пластическое течение и локализацию деформации.

Предложен и обсужден автоволновой механизм локализации пластической деформации. Показано, что эффект локализации является общим для всех металлов и сплавов в моно- и поликристаллическом состояниях и проявляется на всех стадиях пластического течения независимо от типа кристаллической решетки и механизма деформации (дислокационного скольжения, двойникования, деформации за счет фазового превращения). обсуждаются величина и природа таких характеристик автоволн, как скорость распространения, дисперсия и длина волны. Формулируются основные представления о механизме генерации автоволн в системах, расслаивающихся на информационную и динамическую подсистемы.

Исследована кинетика развития очагов локализованной пластической деформации в поликристаллическом Al. Установлено, что на стадии линейного деформационного упрочения такие очаги синхронно движутся, а на стадии параболического упрочнения неподвижны. Определены количественные характеристики (длина волны, скорость распространения) деформационных волн, возникающих на стадии линейного упрочнения. Найдена связь количественных характеристик процесса локализации деформации с размером зерна. Исследовано перераспределение локальных деформаций при переходе от одной стадии течения к другой. Предложена модель, объясняющая возникновение крупномасштабных структур локализованной пластической деформации.

Деформируемый материал рассматривается как диссипативная бистабильная среда, описываемая нелинейным уравнением реакционно-диффузионного типа для параметра порядка. Коэффициенты указанного уравнения зависят от температуры и напряжений. Показано, что на стадии легкого скольжения пластическая деформация осуществляется путем распространения волны переключения. Проанализировано влияние температуры на критическое напряжение сдвига и протяженность стадии легкого скольжения при квазистатическом нагружении.

Предложен и обсужден автоволновой механизм локализации пластической деформации. Показано, что эффект локализации является общим для всех металлов и сплавов в моно- и поликристаллическом состояниях и проявляется на всех стадиях пластического течения независимо от типа кристаллической решетки и механизма деформации (дислокационное скольжение, двойникование, деформация фазового превращения). Обсуждаются величина и природа таких характеристик автоволн, как длина волны, скорость распространения волн и закон дисперсии. Формулируются основные представления о механизме генерации автоволн в системах, расслаивающихся на информационную и динамическую подсистемы.

Сопоставлены параметры макролокализации пластической деформации и параметры соотношения Холла-Петча для напряжения течения в образцах их поликристаллического алюминия с размером зерна от 0.008 до 5 mm. Установлено существование двух вариантов зависимости длины автоволны локализованной деформации от размера зерна с одной стороны и двух вариантов соотношения Холла-Петча с другой в исследованном диапазоне размеров зерен. Прослежена связь картин локализации пластического течения с соотношением Холла-Петча.

Рассмотрен общий характер локализации пластической деформации на стадии линейного деформационного упрочнения ГЦК-, ОЦК- и ГПУ-моно- и поликристаллов чистых металлов и сплавов. Подтверждена универсальность ранее установленного линейного закона, связывающего скорость распространения автоволны локализованной деформации и обратное значение коэффициента деформационного упрочнения. Установлен квадратичный закон дисперсии волн локализации пластического течения. Обсуждена возможность введения гипотетической квазичастицы, соответствующей автоволне локализованной деформации, и определены ее характеристики.

Рассмотрена природа крупномасштабных корреляций в расположении очагов пластического течения при деформации кристаллических твердых тел. Показано, что закономерности рождения и развития таких очагов могут быть описаны как различные типы автоволн, возникающих за счет процессов самоорганизации. приведены примеры экспериментально наблюдаемых при деформации моно- и поликристаллов металлов и сплавов автоволновых процессов типа волн возбуждения и фазовых волн. Оценены некоторые численные параметры автоволновых процессов.

Методом лазерной двухэкспозиционной спекл-фотографии регистрировались пространственно-временные распределения локальных компонент тензора дисторсии при активной деформации сжатием квазипластичных материалов - горных пород. Получены картины локализации деформации, рассмотрены особенности макроскопической неоднородности деформации при неупругом поведении материала. Произведено сравнение полученных результатов медленных волновых процессов при деформировании соляных пород и ионных кристаллов. Установлен автоволновый характер развития локализованной пластической деформации при сжатии образцов из горных пород (сильвинита, мрамора и песчаника) и щелочно-галоидных кристаллов (NaCl, KC, LiF), деформирующихся за счет различных микромеханизмов. Полученные результаты подчеркивают сходство картин локализации в моно- и поликристаллах металлов и сплавов. Скорость распространения автоволн, возникающих в образцах при сжатии, близка к скорости медленных волн, наблюдающихся в земной коре после землетрясений или горных ударов. Обнаружение медленных волновых процессов пластически деформируемых соляных горных пород и ионных кристаллов, связанных с процессами самоорганизации в деформируемых средах, должны учитываться при интерпретации геологических явлений: формировании сбросов, разломов, складок.

Исследованы закономерности генерации макроскопических фазовых автоволн локализации пластического течения на линейных стадиях деформационного упрочнения. Показано, что характеристики упругих и пластических волн образуют инвариантную величину. Существование упругопластического инварианта деформации определяется закономерностями изменения энтропии системы при формировании таких автоволн. Рассмотрены следствия из существования упругопластического инварианта и оценены его роль и возможности в описании закономерностей развития локализованного пластического течения.

С целью исследования напряженно-деформированного состояния циркониевого сплава в очаге холодной прокатки рассмотрены процесс эволюции автоволн локализации деформации и изменения скорости распространения ультразвука. Установлено, что на участке перехода от зоны осадки к зоне редуцирования происходит значительное исчерпание запаса пластичности материала, поэтому на указанном участке наиболее вероятно разрушение. Показано, что с помощью традиционных способов оценки запаса пластичности по механическим характеристикам выявить такой участок невозможно, необходим комплексный анализ картин макролокализации пластической деформации и результатов акустических измерений.

Пластическая деформация рассматривается как неравновесное структурное превращение, характеризуемое параметрами порядка. Параметры порядка определяют пластическую часть тензора деформации. Получены нелинейные кинетические уравнения реакционно-диффузионного типа для их определения с коэффициентами, зависящими от температуры и напряжений. Проведен расчет указанных коэффициентов в случае, когда пластическая деформация описывается одним параметром порядка.

На основе уравнений полевой теории дефектов с использованием кинематических тождеств для упругого континуума с дефектами и динамических уравнений калибровочной теории рассмотрены закономерности распространения плоских гармонических волн в вязкоупругих и упруговязкопластических средах. Определены скорости распространения волн, показатели преломления и поглощения. Проанализированы структура волн и особенности корреляции волн смещений и волн поля дефектов, определяющих пластическую деформацию.

Рассмотрены условия формирования автоволн локализованного пластического течения в деформируемых металлах при распространении полос Людерса, эффекте Портевена—Ле Шателье и формировании шейки с учетом различия микроскопических механизмов пластической деформации для этих явлений. Исследованы закономерности развития локализованного пластического течения металлов и их роль в развитии этих эффектов. Установлено, что особенности деформации, характерные для обсуждаемых явлений, определяются различием свойств активных сред, формирующихся в исследованных материалах при пластической деформации. Рассмотрены механизмы генерации различных автоволновых мод локализованного пластического течения при деформации Людерса, эффекте Портевена—Ле Шателье и формировании шейки в деформируемых активных средах разной природы.

Макролокализация, которая сопровождает процесс пластического деформирования начиная с предела текучести и до разрушения, определяется стадийностью диаграмм нагружения материалов. В рамках этой концепции проанализирована эволюция типов картин локализации при пластическом течении ОЦК ванадиевого сплав, ПГУ магниевого сплава, тетрагонального олова и ГЦК субмикрокристаллического алюминия.

Представлены результаты исследования особенностей деформации и разрушения ультрамелкозернистых сплавов титана ВТ1-0 и циркония Э110. Показано, что пластическая деформация обоих материалов протекает локализованно на макроскопическом уровне и имеет автоволновую природу. Общим для них является тот факт, что коллапс автоволны локализованной деформации (стадия предразрушения) развивается в основном после потери глобальной устойчивости пластического течения. В ультрамелкозернистом титане локальная и глобальная потеря устойчивости пластического течения полностью совпадают. В циркониевом сплаве стадия предразрушения начинается до момента достижения максимального значения деформирующего напряжения. В зоне разрушения ультрамелкозернистая структура материалов не претерпевает существенных изменений.??The paper presents research results on peculiarities of deformation and fracture of ultrafine-grained VT1-0 titanium alloy and E110 zirconium alloy. It is shown that plastic deformation of both materials proceeds as a localized macroscale autowave process. A common feature for the materials is that collapse of the strain localization autowave (prefracture stage) occurs mostly when plastic flow loses its global stability. In the titanium alloy, plastic flow loses its local and global stability at a time. In the zirconium alloy, prefracture begins before the point of reaching maximum deforming stress. In the fracture zone, the ultrafine-grained structure of the materials is little affected.

Представлены результаты экспериментальных исследований локализации пластической деформации при одноосном растяжении образцов стали 40X13 в исходном состоянии и после электролитического насыщения водородом в электрохимической ячейке в течение 6 ч. Методом двухэкспозиционной спекл-фотографии получены эволюционные картины распределения очагов локализации макродеформации, которые на стадии линейного упрочнения реализуются в виде автоволн локализованной пластичности. Проведен сравнительный анализ характерных автоволновых параметров до и после наводороживания.

Численно исследовано напряженно-деформированное состояние в алюминиевых образцах с неразъемным соединением, полученным сваркой трением с перемешиванием, при растяжении и сжатии. Краевая динамическая задача решалась численно методом конечных разностей в постановке плоского деформированного состояния. Проведены расчеты на макро- и мезоуровнях. Структурная неоднородность сварного шва учитывалась явно посредством задания различия в механических свойствах материалов в различных зонах СТП соединения. На макроуровне в каждой зоне задавалась своя функция деформационного упрочнения, полученная на основе обработки экспериментальных кривых течения. На мезоуровне параметры функции упрочнения в локальных областях материала зависели от размера зерна поликристаллической структуры в соотношении Холла-Петча. Выявлена общая закономерность локализации напряженно-деформированного состояния в структурно-неоднородной среде.

Методом рентгеновской топографии Фудживара измерены локальные развороты субструктурных элементов непосредственно в процессе деформации крупнозернистого алюминия. На начальной стадии деформации наблюдается резкое изменение углов разворотов, что согласуется с экспериментально измеренными поворотами лазерной спекл-интерферометрией. Данная методика позволяет изучать природу пластической деформации непосредственно на мезоуровне.

Рассмотрены процессы упругой и пластической деформации металлических, оксидных и полупроводниковых пленок в процессе роста, термического отжига и механического нагружения. Показано, что при сжатии тонких пленок на податливой подложке на их поверхности формируются складки и происходит когерентная деформация подложки. В случае жесткой подложки сжимающие напряжения приводят к упругому изгибу пленки с локальным либо периодическим отслаиванием от подложки. Процесс пластической деформации тонких пленок определяется конкуренцией между изменениями их поверхностной энергии и энергии деформации. Выявлена фундаментальная роль периодического распределения напряжений и деформаций на границе раздела двух сред, лежащего в основе механизмов деградации тонких пленок при различных внешних воздействиях.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации на микроструктуру и свойства металлических материалов на примере алюминиевого сплава А85, подвергнутого равноканальному угловому прессованию и циркониевого сплава Г110, подвергнутого ковке с переменой осей осаживания. Установлено, что при деформациях в сплавах формируется промежуточная мелкозернистая структура с бимодальным распределением зерен по размерам. При растяжении образцов из материалов с такой структурой происходит быстрая локализация деформации и образование шейки, способной к значительному утонению.

Рассмотрены закономерности, сопровождающие развитие локализованной пластической деформации твердых тел. На примере анализа локализованного пластического течения металлов и неметаллов обнаружена корреляция произведений линейных и скоростных параметров процессов ynpyroй и пластической деформации. На этом основании высказана гипотеза о взаимосвязи характеристк упругой и пластической деформации. Обнаружена связь закономерностей пластического течения с квантово-механическими характеристиками.

Рассмотрены особенности локализации пластического течения на стадиях линейного и параболического деформационного упрочнения, а также на стадии предразрушения. Показано, что макроскопическая локализация пластического течения на этих стадиях может рассматриваться как процесс самоорганизации. На стадии линейного упрочнения в образце возникает автоволновой процесс локализации течения, которому в соответствие может быть поставлена квазичастица. На стадии предразрушения автоволновой процесс коллапсирует с формированием макрошейки и последующим зарождением вязкой трещины.

Рассмотрены особенности макролокализации пластического течения в зависимости от стадийности деформационного упрочнения. Показано, что макроскопическая локализация пластического течения на этих стадиях может рассматриваться как автоволновой процесс самоорганизации. Установлено, что основные характеристики автоволн могут быть получены из инварианта упругой и пластической деформации.

Получены зависимости временного сопротивления и напряжения течения от размера зерна в поликристаллах алюминия. Установлено существование граничного значения размера зерна 0.08...0.15 mm, которому соответствует скачкообразное изменение механических характеристик и параметров автоволн локализованного пластического течения. При граничном значении размера зерна в поликристаллическом алюминии скачкообразно меняются коэффициенты соотношения Холла-Петча, временное сопротивление, скорость распространения автоволн локализованной пластичности, характер кривой пластического течения, зависимость длины автоволны от размера зерна, а также скорость распространения ультразвука. Предложено объяснение взаимосвязи прочностных и автоволновых характеристик поликристаллического материала.

В книге изложены фундаментальные основы механики процессов пластического деформирования сплошных сред и конструкционных материалов при сложном нагружении и базовые экспериментальные исследования. Книга адресована научным работникам, преподавателям вузов, инженерам-исследователям, аспирантам - всем тем, кто специализируется в области механики деформируемого твердого тела и теории пластичности.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования связи локализации пластической деформации твердых тел на различных масштабных уровнях с концентраторами напряжений соответствующих масштабов, которые возникают в поверхностных слоях и на всех внутренних границах раздела. Сделано заключение, что локализованное пластическое течение всех видов может зарождаться и распространяться только в зонах растягивающих нормальных напряжений, где возникают сильно неравновесные состояния. В пространстве междоузлий в условиях избыточного атомного объема появляются виртуальные узлы более высокоэнергетической структуры и происходит локальное структурное превращение путем коллективных атом-вакансионных конфигурационных возбуждений. Описать природу локализации пластического течения можно только на основе представления деформируемого твердого тела как многоуровневой системы.

Проведены механические испытания и исследована структура циркония и алюминия, предварительно деформированных на 450% посредством ковки с переменой оси осаживания (КПО) и равноканального углового прессования (РКУП) соответственно. При растяжении образцов из указанных сильнодеформированных сплавов наблюдалась их повышенная склонность к образованию шейки, однако пластичность материалов в шейке намного превосходила пластичность в шейке исходных крупнозернистых материалов. По результатам экспериментов сделано предположение. что закономерным этапом пластического течения твердых тел при интенсивной пластической деформации (ИПД) является формирование ячеисто-полосовой структуры и локализации деформации в полосах с мелким зерном. Это существенно замедляет процессы дальнейшего деформационного измельчения структуры посредством ИПД, а также является причиной быстрого образования шейки разрушения в материалах с такой структурой.

На основе неравновесной термодинамики развита методология описания деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. Делается заключение о единой природе всех механизмов пластической деформации и разрушения твердых тел как локальных структурных превращений в зонах концентраторов напряжений различного масштаба. Все типы деформационных дефектов зарождаются в локальных зонах гидростатического растяжения около концентраторов напряжений, где необходимо рассматривать локальный неравновесный термодинамический потенциал Гиббса. Показан корпускулярно-волновой дуализм пластического сдвига и рассмотрена его специфика на различных структурно-масштабных уровнях пластической деформации. Проведен термодинамический анализ возникновения субмикро- (нано-) кристаллической структуры в твердых телах в условиях интенсивной пластической деформации. Ключевые слова: деформация, масштабные уровни, термодинамический подход.

Предложено описание многоуровневой дефектной подсистемы в шейке деформируемого твердого тела на основе полевой теории дефектов. Ведущий механизм пластической деформации в шейке связан с самоорганизацией двух макрополос локализованных сдвигов, ориентированных по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. Их материальные повороты компенсируются на мезомасштабном уровне фрагментацией материала в шейке как аккомодационный механизм кристаллографических поворотов. Дислокационная деформация на микромасштабном уровне описывается калибровочной теорией дефектов. Полевая теория дефектов позволяет описать известные механизмы пластической деформации в шейк на различных масштабных уровнях.

Изучено явление макролокализации деформации для широкого круга материалов (стали, сплавы, чистые металлы, керамика) с различной кристаллической структурой. С помощью акустического комплекса были получены координаты источников сигналов акустической эмиссии. Методом эволюционного распределения полей координат показано, что на всех стадиях пластической деформации наблюдается периодичность координат источников сигналов акустической эмиссии. Измерены скорости перемещения полос макролокализации для некоторых видов сталей. Предложенный метод позволяет экспериментально исследовать кинетику процессов локализации непосредственно в процессе деформации.

Исследованы закономерности макролокализации пластической деформации на параболической стадии деформационного упрочнения циркониевых сплавов Э635 и циркалой-2. Обнаружена неустойчивость пластического течения, которая проявляется в периодическом изменении пространственно-временной картины распределения локальных деформаций, наблюдаемой с использованием метода спеклинтерферометрии. Полученные результаты обсуждаются в рамках синергетической модели эволюции пластического течения на его завершающей стадии.

Исследовали структурно-механические особенности пластической деформации фольг монокристалла алюминия {100}<001>, наклеенных на плоские образцы алюминиевого сплава, которые деформировали в режиме малоцикловой усталости. Установлено, что пластическая деформация начинается после латентного периода на лицевой поверхности и с ростом числа циклов нагружения распространяется через толщину фольги. Специфический поверхностный рельеф, образующийся на обратной стороне фольг алюминия, подобен рельефу, наблюдающемуся на лицевой поверхности фольг. Показано, что наиболее важной причиной зарождения пластической деформации на лицевой поверхности и распространения ее через всю толщину фольги является действие моментных напряжений, которые возникают в поперечном сечении фольги в результате внецентренного приложения нагрузки к фольге. Сделан вывод, что влияние моментных напряжений необходимо учитывать при нанесении на фольги защитных и функциональных покрытий, особенно при их значительной толщине и работе в условиях циклического растяжения.

В работе предложен способ оценки характера распределения деформации на различных глубинах. Численное моделирование упругопластической деформации горизонтальных слоев среды осуществлялось с использованием аналитического решения упругой задачи для задания нагрузки. Показано влияние глубины и прочности среды на расстояние между полосами локализованной деформации.

Методами лазерной спеклинтерферометрии и профилирования поверхности исследованы закономерности макролокализации пластической деформации при одноосном растяжении циркониевых сплаво с гексагональной плотноупакованной структурой. Установлено, что возникновение колебательной неуйстойчивости на параболической стадии пластического течения сплавов циркония обусловлено локальным неоднородным изменением формы деформируемого образца. Показано, что кинетика процесса определяется колебательным изменением деформаций сужения и удлинения в очаге макролокализации в режиме упрочнения-разупрочнения.