На основе молекулярно-динамического моделирования исследовалось влияние анизотропии динамического нагружения на процессы пластической деформации и разрушения в кристаллите вблизи свободной поверхности. Показано, что существую пороговые величины деформации. которые определяют раскрытие затравочной трещины и ее последующую остановку. Из результатов моделирования следует, что при нагружении в направлении [100] распространение трещины прекращается, после того как вблизи ее вершины начинает формироваться разупорядоченная область.

Представлена математическая модель для описания напряженно-деформированного состояния конструкций, изготовленных из ортотропных материалов. На ее основе численно моделируется динамическое нагружение конструкций, по траекториям малой кривизны (по классификации А. А. Ильюшина теории упругопластических процессов). Пластическое деформирвание материала описывется в рамках теории течения. Данная модель описывает упругопластическое деформирование ортотропных материалов, имеющих при разрушении остаточные деформации, не более 6%. К таким материалам относятся: бетоны, углеродистые стал в определенном диапазоне низких температур, серые чугуны, а также многие сплавы. Представлены результаты численного моделирования нагружения преграды из транстропного слава Д16Т стальным ударником в диапазоне скоростей ударного нагружения (400-1200) м/с.

Исследовано влияние кристаллографической ориентации монокристаллического полого цилиндра на особенности зарождения и развития в нем пластической деформации в условиях высокоскоростного осесимметричного нагружения. Преимуществом предлагаемой схемы нагружения является одновременная реализация всех вариантов нагружения в рамках выбранной кристаллографической плоскости основания цилиндра, а также достижения различных степеней деформации вдоль сечения образца. С использованием молекулярно-динамического моделирования показано различие в деформационных свойствах нагружаемого образца в зависимости от выбранной кристаллографической ориентации плоскости основания. Результаты исследования могут быть использованы для понимания основных механизмов пластического деформирования кристаллических тел.

В работе рассматривается задача ударного нагружения анизотропных алюминиевых преград изотропным стальным ударником при скоростях нагружения 200 м/с, 300 м/с и 600 м/с. Исследуется влияние учета анизотропии упругих, пластических и прочностных характеристик материала преграды на изменение волновой картины ее напряженного состояния. Задача решается численно методом конечных элементов в трехмерной постановке. Деформирование стального изотропного ударника происходит согласно модели упругопластического течения Прандтля-Рейсса. деформация анизотропного материала преграды рассчитывается по обобщенному закону Гука в области упругой деформации, на основе теории течения - в области пластической деформации. В качестве критерия разрушения анизотропного материала преграды используется критерий разрушения Мизеса-Хилла. Численным моделированием процесса деформации преграды из алюминиевого сплава Д16Т показано влияние учета сниженных механических свойств преграды по толщине по сравнению с прочностными характеристиками в плоскости проката.

Приведены результаты расчетов численного моделирования разрушения анизотропных материалов (на примере алюминиевого сплава Д16Т) при динамическом нагружении с использованием изотропного и анизотропного критериев разрушения. Рассмотрено разрушение преграды из анизотропного материала под действием ударника. Показано, что при использовании анизотропного критерия разрушение концентрируется вокруг ударника, а в случае применения критерия Мизеса - Хилла оно распространяется вглубь преграды.

В работе моделируется численным методом разрушение преград из алюминиевого сплава, характеризующегося высокой степенью анизотропии предельных деформаций при разрушении. Разрушение материала преград моделируется в трехмерной постановке при ударном нагружении стальными ударниками со скоростями 200-600 м/с. Применяется критерий разрушения анизотропного материала преграды, записанный с использованием предельных накопленных пластических деформаций при растяжении и сдвиге. Получены отличия между распределением зон разрушения в анизотропном и изотропном материалах преграды. Показано формирование дополнительных зон разрушения в преградах из анизотропных материалов, по сравнению с изотропным материалом преграды, с увеличением начальной скорости ударного нагружения.

В работе представлен анализ нелинейных особенностей поведения горных пород, которые наблюдаются на диаграммах нагружения, но в рамках традиционных моделей упругопластических сред, как правило, игнорируются. Рассмотрены начальный этап деформирования и разгрузка образцов горных пород. Нелинейность поведения на данных этапах нагружения интерпретируется с позиции частичного закрытия трещин, которые образовались в ходе деформировании за пределом упругости или за предыдущую историю нагружения. Предложены феноменологические соотношения, позволяющие учесть указанные нелинейные особенности при численном моделировании. Рассмотрен этап запредельного деформирования, соответствующий стадии локализации деформации и образования магистральных трещин, и предложены поправки для более корректного определения параметров моделей.

В работе численно моделируется на основе уравнений механики сплошной среды динамическое нагружение металлической транстропной преграды стальными ударниками различной формы, но одинаковой массы. Скорости нагружения преграды составляют 300 и 600 м/с. Проведен анализ изменения в различных направлениях пределов текучести материала преграды в процессе его упругопластического деформирования при использовании модели изотропного упрочнения. Ключевые слова: пластичность, динамическое нагружение, упрочнение, численное моделирование, анизотропия.

В работе исследуется влияние содержания и характера распределения частиц нановключений в основе высокопрочного мезо-композита на особенности его пластического деформирования в условиях динамического нагружения. В экспериментах образцы мезокомпозита в форме полого толстостенного цилиндра нагружали по схеме «сдвиг + сжатие» с использованием взрывчатого вещества. Установлено, что величина однородной деформации уменьшается с ростом объемного содержания нановключений. Показано влияние механической текстуры, создаваемой распределением нановключений при производстве прутков мезокомпозита, на механизм деформации и развитие трещин. Влияние структуры также исследовано с использованием компьютерного моделирования, возможности которого выявили проявление ротационного характера развития пластической деформации в мезокомпозите с хаотическим распределением структуры.

The paper studies the effect of the amount and distribution pattern of nanoinclusions in a high-strength mesocomposite matrix on its plastic deformation under dynamic loading. The study is performed on mesocomposite specimens shaped as hollow thick-walled cylinders subjected to combined shear/compression loading with an explosive. It is found that homogeneous strain decreases with the growing volume fraction of nanoinclusions. The mechanical texture formed by the distribution of nanoinclusions in mesocomposite bars is shown to influence the deformation and cracking mechanisms. Additionally, the influence of structure is studied by computer simulation. The simulation has revealed that plastic deformation is rotational in the mesocomposite with chaotic structural distribution.

Предложен подход к многоуровневому описанию деформации и разрушения хрупких пористых сред с одним максимумом на гистограмме распределения пор по размерам в рамках метода подвижных клеточных автоматов. Подход основан на определении эффективной функции отклика клеточного автомата прямым моделированием представительного объема пористой среды. Разработана иерархическая модель механического поведения керамики на основе ZrO2 с размером пор соизмеримым со средним размером зерна при сдвиговом нагружении и одноосном сжатии. Исследованы возможности разработанного подхода по учету неоднородности пространственного распределения прочностных свойств пористых сред путем изменения параметров межавтоматного взаимодействия по стохастически выбранным направлениям. Показано, что такой способ учета неоднородности открывает широкие перспективы для многоуровнего описания пористых сред с иерархической структурой порового пространства.

В работе рассмотрено влияние анизотропии упругих и прочностных характеристик материала преграды на результаты численного моделирования ударного нагружения стальным деформируемым ударником. Расчеты выполнены методом конечных элементов в трехмерной постановке. Проведено сравнение результатов расчетов деформирования и разрушения ортотропных материалов и изотропного материала с изотропными свойствами при различных скоростях ударного нагружения. Показано, что усреднение упругих и прочностных свойств анизотропного композиционного материала приводит к уменьшению объема разрушенного материала при растяжении и сжатии по сравнению с объемами разрушения при учете анизотропных свойств.

Методами атомно-силовой и оптической микроскопии исследованы процессы пластической деформации и разрушения тонких пленок Ag и Ti при термическом и механическом нагружении. Показано, что данные процессы развиваются последовательно и самосогласованно на различных масштабных уровнях. При термическом отжиге пленок Ag изменения рельефа поверхности регулируются двумя конкурирующими процессами: ростом зерен и агломерацией материала в более крупные структуры, с последующим формированием отдельных островков. Пластическое течение тонких пленок Ti при одноосном растяжении сопровождается формированием на их поверхности двойных спиралей локализованной деформации. Разрушение пленок происходит в результате образования поперечных и продольных трещин.????.

Исследуются особенности развития упругой и пластической деформации в материале непосредственно после прекращения активной фазы нагружения. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что в зависимости от величины деформации, достигнутой на этапе активного нагружения, релаксация кристалла может развиваться различными путями. Так, в работе выявлен интервал значений деформации, особенностью которого является состояние неустойчивого равновесия кристаллической решетки, когда небольшие изменения степени сжатия приводят к существенному изменению характера формирования полос локализации атомных смещений. Полученные результаты могут иметь существенное значение при изучении влияния "инерционности" процесса структурных изменений материала на развитие пластической деформации.

В монографии рассматриваются основные закономерности процессов деформирования и накопления повреждений в конструкционных материалах (металлах и их сплавах) при различных (квазистатических и динамических) режимах термосилового нагружения и математические модели указанных процессов. Приводится экспериментально-теоретическая методика определения материальных параметров и функций данных математических моделей. Даются результаты численного моделирования процессов деформирования и накопления повреждений металлов и ряда конструкционных сталей при квазистатических и динамических термосиловых воздействиях. Особое внимание уделяется вопросам моделирования процессов упругопластического деформирования и накопления усталостных повреждений для сложных процессов деформирования конструкционных сталей, сопровождающихся вращением главных площадок тензоров напряжений и деформаций. Монография представляет интерес для широкого круга научных работников, инженеров, аспирантов, специалистов в области механики деформируемого твердого тела.

В монографии представлены результаты многолетних исследований автора. В первой части изложены основных закономерности деформирования и разрушения при однократном, мало-, многоцикловом, длительном статическом и длительном циклическом нагружении. В качестве базовых использованы деформационные критерии разрушения. Отмечена важность детального анализа перераспределения упругих и упругопластических деформаций в зонах концентрации напряжений и в зонах трещин. Достижение предельных состояний определяется по условиям линейного суммирования квазистатических и усталостных повреждений. При оценках прочности и ресурса учтено действие поверхностных контактных нагрузок и влияние среды. Книга предназначена для исследователей, конструкторов, технологов, преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области механики деформируемого твердого тела, динамики, прочности, надежности и безопасности машин и конструкций.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование зарождения и развития пластической деформации в кристаллите титана при одноосном растяжении. Межатомное взаимодействие описывалось в рамках метода погруженного атома. Изучены особенности генерации локальных структурных перестроек в кристаллите в зависимости от скорости растяжения. Показано, что существует пороговое значение деформации, при достижении которого в кристаллите начинают зарождаться локальные структурные перестройки. Зарождение пластической деформации в кристаллите сопровождается скачкообразным уменьшением потенциальной энергии. Вследствие инерционности аккомодационных процессов пороговое значение деформации увеличивается с ростом скорости нагружения.

На основе компьютерного моделирования рассмотрен налет двух частиц на тонкую пластину. Исследовалось влияние возбуждаемых в результате соударения волн на взаимодействие частиц с поверхностью. Показано, что волновые возбуждения в пластине приводят к существенному динамическому изменению поверхностного отклика. проанализировано распределение повреждений и пластической деформации, генерируемых в результате соударений, обнаружена корреляция этого распределения со структурой волны.

В книге изложены расчетные модели, описывающие особенности деформирования и разрушения стали и сплавов при переменных нагрузках и повышенных температурах. Деформирование конструкционных материалов рассмотрено на основе теории пластического течения и ползучести с анизотропным упрочнением, а также теории упругого нелинейно-вязкого тела с независимыми (параллельными) механизмами деформирования. Проанализирована специфика разрушения металла при однократном и циклическом нагружениях, а также в условиях ползучести. Модифицированы критерии сопротивления малоцикловой усталости и длительной циклической прочности. Проведено подробное экспериментальное обоснование предлагаемых расчетных моделей. Дано обобщение моделей на случай сложного напряженного состояния и изложена методика их применения в расчетах конструкций. Книга предназначена для специалистов по проектированию и техническому диагностированию энергетического и нефтехимического оборудования. а также для исследователей, занимающихся вопросами высокотемпературного деформирования и разрушения материалов. Она может быть использована при разработке компьютерных программ для расчета на прочность современных конструкций.

В работе на примере алюминиевых сплавов, обладающих начальной анизотропией упругих и пластических свойств, проведено численное моделирование ударного нагружения анизотропной преграды с использованием различных условий пластичности. Упругопластическое деформирование анизотропной преграды моделируется в трехмерной постановке методом конечных элементов на основе теории течения. Показано, что с увеличением скорости нагружения с 300 до 600 м/с влияние выбора условия пластичности на результаты расчетов напряженно-деформированного состояния анизотропной преграды возрастает.

В работе рассмотрено влияние на результаты численного моделирования ударного нагружения алюминиевой преграды стальным деформируемым ударником анизотропии упругих и пластических характеристик материала преграды. Результаты расчетов получены методом конечных элементов в трехмерной постановке. Показано, что анизотропия упругих и пластических свойств материала проявляется в различной степени в зависимости от кинематических и геометрических параметров нагружения.

В настоящей работе исследуется напряженно-деформированное состояние, возникающее при поверхностном нагружении в приповерхностном слое материала, толщина которого существенно превышает средний размер шероховатостей поверхности. Для расчета напряженно-деформированного состояния используется конечно-разностный метод решения системы уравнений, описывающих механическое поведение объема материала при динамическом нагружении. Применен подход физической мезомеханики для моделирования напряженно-деформированного состояния. Показано образование полос локализованной деформации и формирование блочной структуры пластического течения.

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.

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.

В монографии представлены результаты исследований кинетики, основных закономерностей деформирования и разрушения теплостойких сталей при статических, циклических и динамических условиях нагружения. Основное внимание уделено масштабным уровням накопления повреждений, механизмам локализации деформации и их взаимосвязи. Проведен анализ стадийности процессов деформации, протекающих на различных масштабных уровнях. Для описания процессов накопления повреждений под действием температурно-силовых факторов использованы подходов механики разрушения и физической мезомеханики. Показаны общие закономерности и различие носителей деформации на различных масштабных уровнях. Книга предназначена для специалистов в области физической мезомеханики, механики разрушения, технической диагностики, металловедения, исследователей, научных работников и работников заводских лабораторий, а также специалистов занимающихся изучением механических свойств материалов, аспирантов и инженеров, работающих в данном направлении.

С использованием метода молекулярной динамики проведено моделирование поведения большеугловой границы зерен в бикристалле меди в условиях сдвигового нагружения. В качестве объекта исследований выбрана граница S = 5 (210)[001]. Показано, что зернограничное проскальзывание может сопровождаться движением межзеренной границы в направлении, перпендикулярном приложенной нагрузке. Исследования проведены как для границы с идеальной симметричной структурой, так и для границы, имеющей сложную структуру. Для обоих рассмотренных случаев анализируются особенности атомистических механизмов зернограничного проскальзывания. Отмечается влияние структуры границы на динамику такого движения. Кроме того, в работе выявлена зависимость скорости движения границы зерен от величины приложенного нагружения. Обнаруженное поведение межзеренной границы в условиях сдвиговой деформации может оказывать существенное влияние на изменение микроструктуры материала и, как результат, на его свойства и особенности поведения под нагрузкой.

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.

В работе рассмотрены физически обоснованные модели пластической деформации и разрушения. Иерархическое моделирование подразумевает явный учет внутренней структуры композита как возможности введения масштабного фактора, введение различных моделей механического поведения пластичных матриц и подложек, хрупких и квазихрупких включений и т.д. для описания разных физических процессов и их взаимовлияния. Проведена серия численных экспериментов по нагружению металлов и сплавов, которые используются в качестве подложки и матрицы при разработке материалов с покрытиями и композитов на металлической основе, в широком диапазоне температур и скоростей деформирования. Предложен критерий разрушения типа Хубера, который учитывает различия в критических величинах для разных типов локальных состояний: растяжение и сжатие. Исследованы процессы разрушения мезообъемов композита Al–Al2O3 и материалов, поверхностно упрочненных методами электронно-лучевой наплавки и диффузионного борирования, в том числе с градиентным подслоем. Показано, что комплексное механическое поведение композиции как целого контролируется взаимосвязанными процессами формирования полос локализованного сдвига в матрице/подложке и растрескивания включений/покрытий.

В рамках полевой теории дефектов получено соотношение, описывающее эволюцию пластической деформации под действием приложенных напряжений, которое использовано для анализа закономерностей деформирования при циклическом знакопеременном нагружении. Исследовано влияние амплитуды приложенных напряжений, частоты нагружения и коэффициента асимметрии цикла на процесс деформирования при одноосном нагружении. Рассмотрены особенности эволюции пластической деформации в случае устойчивого процесса деформирования и определено время до разрушения системы в случае неустойчивого процесса.

В работе рассмотрены закономерности деформации и разрушения на мезоуровне материалов с покрытиями при различных схемах нагружения, полученные с применением оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. Показано, что зарождение в покрытии (поверхностном упрочненном слое) трещин и фрагментированной мезоструктуры в объеме материала подложки происходит около базового концентратора напряжений у головки образца и развивается вдоль образца как нелинейный волновой процесс. Его характер существенно зависит от геометрии границы раздела «покрытие (упрочненный поверхностный слой) – подложка». Сформулирован качественный критерий усталостного предразрушения при знакопеременном циклическом изгибе. Показано, что при циклическом нагружении композиции с более твердым покрытием определяющую роль играют возникновение зон концентрации напряжений и локализация деформации на границе раздела «покрытие – основа». Сформулированы рекомендации по оптимизации режимов формирования покрытий.

В работе исследуются условия возникновения и особенности проявления согласованного движения большого количества атомов вблизи свободной поверхности нагруженного кристалла. Отмечаются особенности инициации согласованного коллективного движения частиц как элемента самоорганизации при зарождении и развитии пластической деформации. Описываются результаты моделирования трехмерного кристаллита меди со свободными границами, подвергнутого одноосному сжатию, и исследуются процессы, протекающие в таком кристаллите как на активной стадии нагружения, так и на начальном этапе процесса релаксации. Показано, что развитие пластической деформации проявляется в виде распространения полос локализации атомных смещений от свободной поверхности вглубь материала. В работе отмечается, что аккомодационные процессы в материале в условиях высокоскоростного нагружения являются инерционными и продолжают активно протекать после снятия внешнего воздействия. Кроме того, показано, что в нагруженном материале могут возникать динамические периодически формирующиеся согласованные коллективные смещения атомов вихреобразного характера, выступающие в роли своеобразных сбросов напряжений в упругой области. Проанализированы результаты моделирования нелинейного поведения материалов, содержащих систему микропор в условиях высокоскоростного нагружения. Обнаружено, что при определенной ориентации микропор внутри кристаллита может реализоваться согласованное «вихреподобное» движение ансамбля атомов. Показано, что внутренние поверхности, наряду с внешними, являются концентраторами зарождения полос локализации атомных смещений.

Проведены исследования деформации и разрушения металлокерамических композитов при различных схемах нагружения. Показано, что в условиях, далеких от превращения, материал деформируется как обычный кристалл дислокационным скольжением. При этом предел текучести обратно пропорционален расстоянию между карбидами и в сплавах с высоким содержанием твердой фазы не достигается вплоть до разрушения. Разрушение материала катастрофически хрупкое. Исследования деформации композитов вблизи температуры структурного перехода показали, что наблюдаются разнообразные превращения, обусловленные сильно неоднородным напряженным состоянием связующей фазы. При нагружении в связующей фазе реализуется схема превращения В2 -> В2 + В19 -> В2 + «квазиаморфное состояние» с образованием мелкокристаллической, сильно разориентированной структуры с характерным размером кристаллитов менее 10 нм. Данная структура обладает высокой пластичностью и упрочнением и обусловливает эффективную передачу внешней нагрузки на упрочнитель, вызывая при этом даже в типично хрупких частицах карбида титана дислокационное скольжение. Физический смысл применения структурно-неустойчивых связок в композитах состоит в понижении масштаба структурного уровня пластической деформации за счет формирования в процессе неоднородного нагружения микрокристаллической структуры связующей фазы.

На примере поликристалла TiNi исследованы закономерности формирования мезоскопических субструктур, формирующихся на различных стадиях нагружения. Экспериментально показано выполнение принципа подобия в последовательности развития сдвигов различного типа и соответствующих стадий кривых "напряжение - деформация", на микро- и мезомасштабном уровнях, когда движение дислокаций сменяется движением объемных структурных элементов".

Представлены результаты исследования макрокристаллиации пластической деформации при активном нагружении монокристаллов цинка. Показано, что характер локализации закономерно меняется в соответствии со стадийностью деформационной кривой. Проведено сравнение полученных результатов с аналогичными для монокристаллов с гранецентрированной решеткой. Отмечены общие закономерности и особенности эволюции картин локализации пластического течения материалов с различной кристаллической структурой.

Проведены исследования локализации пластической деформации при активном одноосном растяжении ГЦК-, ОЦК- и ГПУ-моно- и поликристаллических материалов на разных стадиях кривой нагружения. Установлено, что картины локализации имеют упорядоченный характер и могут быть классифицированы по четырем типам, каждый из которых соответствует определенной стадии кривой нагружения. Наблюдаемые закономерности интерпретируются в терминах самоорганизации в открытых системах. Показано, что все выделанные типы картин локализации можно трактовать как автоволны пластического течения. Проанализированы параметры этих волн и продемонстрировано коренное отличие от известных волн пластичности при ударном нагружении.

На основе представлений физической мезомеханики дается анализ большого экспериментального материала об особенностях и механизмах возникновения, формирования и взаимодействия полос локализованной пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях в различных материалах и при различных видах нагружения.