Представлены физические основы методологии описания деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. Сделано концептуальное заключение, что базовым механизмом пластической деформации твердых тел является локальное структурное превращение в зонах концентраторов напряжений, испытывающих растягивающие нормальные напряжения, где есть избыточный атомный объем и в пространстве междоузлий возникают виртуальные узлы другой структуры (так называемые атом-вакансионные или сильновозбужденные состояния). Данный механизм определяет общность природы всех возможных механизмов пластической деформации твердых тел. При наличии в деформируемом твердом теле трансляционно-инвариантной кристаллической структуры рассматриваемый механизм определяет зарождение и кристаллографическое движение дислокаций.

Описаны закономерности взаимного проникания частиц в композитах «сталь – медно-свинцовый шликер» и «железо – свинец» под электроимпульсным или ударно-волновым воздействием. Предложена теоретическая трактовка наблюдаемых явлений на основе многоуровневого подхода физической мезомеханики и концепции атом-вакансионных конфигурационных возбуждений в сильнонеравновесных системах.

Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упругодеформируемый плоский образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Обнаружены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильнодеформированных металлических материалов. Подчеркивается необходимость учета найденных закономерностей интенсивной пластической деформации в описании поведения твердых тел в экстремальных условиях нагружения, наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.

Методами электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализов исследованы особенности эволюции структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V в процессе формирования субмикрокристаллической структуры с использованием обратимого легирования водородом. Установлено, что пластическая деформация в двухфазной области при температуре 1023К инициирует в сплаве Ti-6Al-4V-Н полное превращение с образованием фазы, имеющей параметры решетки, отличающиеся от соответствующих для равновесной фазц. Изотермический отжиг такой структуры при температуре дегазации 873К приводит к формированию в сплаве двухфазной субмикрокристаллической структуры с размером зерен 0,3 мкм. Показано, что использование для дегазации деформированного сплава Ti-6Al-4V-Н эффекта неравновесного выхода водорода из металлов в условиях воздействия пучком электронов позволяет сформировать однофазную субмикрокристаллическую структуру и повысить ее дисперсность. Обсуждаются возможные причины наблюдаемых фазовых превращений.

Методом оже-спектроскопии определены профили распределения концентрации никеля в границах зерен по глубине в субмикрокристаллическом молибдене, полученном интенсивной пластической деформацией. Рассчитаны коэффициенты и энергия активации зернограничной диффузии никеля в субмикрокристаллическом молибдене в интервале температур 973 - 1123К. Из полученных результатов следует, что различие коэффициентов зернограничной диффузии никеля в субмикрокристаллическом и крупнозернистом молибдене связано с неравновесным состоянием границ зерен, формируемым при интенсивной пластической деформации.

В деформируемом в условиях ползучести бикристалле выделены дополнительные по отношению к плотностям зернограничных дефектов переменные (параметры порядка), связанные с очагами пластической деформации. На основе анализа решения уравнений эволюции для параметров порядка показано, что неравномерность, цикличность собственного зернограничного проскальзывания в бикристаллах, увеличение скорости межзеренной деформации в условиях взаимодействиях границы с решетчатыми дислокациями могут быть связаны с возбуждением на границе зерен неравновесных локализованных областей - автосолитонов.

Исследованы субмикрокристаллическая структура, сформированная при глубокой пластической деформации, и ее влияние на механические свойства титановых сплавов системы Ti-Al-V. Установлено, что деформационное поведение, прочностные и пластические характеристики сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом состоянии во многом зависят от неоднородности элементов зеренно-субзеренной структуры.

Исследованы закономерности влияния интенсивной пластической деформации (ИПД) при ультразвуковой обработке (УЗО) на эволюцию дефектов кристаллического строения в поверхностных слоях никелида титана со структурой моноклинного мартенсита В19'. Установлено, сто при возрастании величины ИПД резко увеличивается концентрация как вакансионных, так и плотность дислокационных дефектов и одновременно происходит сильная фрагментация зеренно-субзеренной структуры. В наноструктурном состоянии преимущественно наблюдаются дефекты вакансионного типа на границах зерен, средний объем которых меньше объема равновесных вакансий в TiNi и сравним с величиной свободных объемов в аморфизированных сплавах на основе никелида титана. Обсуждается роль дефектов кристаллического строения в механизмах формирования наноструктурного состояния при ИПД.

Представлены результаты исследования характера макролокализации пластического течения поликристаллического дуралюмина марки Д1. Установлено, что деформационная кривая этого материала содержит три основных стадии: линейного упрочнения, параболического упрочнения (n = 1/2), предразрушения (n < 1/2). Картины распределения очагов локализованной пластической деформации эволюционируют в соответствии со стадиями упрочнения. На стадии предразрушения наблюдается самосогласованное движение очагов локализации к месту будущего разрушения. Скорости таких очагов линейно зависят от координат их зарождения.

Исследованы закономерности макролокализации пластической деформации на параболической стадии деформационного упрочнения сплава циркалой-2, используемого в ядерной энергетике. Обнаружена неустойчивость пластического течения, определяемая колебательным периодическим изменением пространственно-временной картины распределения локальных удлинений, наблюдаемой методом спекл-интерферометрии. Полученные результаты обсуждаются в рамках синергетического подхода, основанного на представлении эволюции пластического течения на завершающей стадии как неустойчивого предельного цикла.

Изучено деформационное поведение при растяжении субмикрокристаллического титанового сплава Ti–6Al–4V с различным содержанием водорода при температурах 293, 923 и 973 K. Установлено, что легирование водородом в количестве 0.08...0.33 мас. % повышает устойчивость сплава к локализации деформации на макроуровне при комнатной температуре и понижает при температурах 923 и 973 K. Обсуждаются возможные причины снижения устойчивости сплава к локализации деформации на макроуровне в присутствии водорода.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации методами равноканального углового и всестороннего прессования на структуру и фазовый состав алюминиевого сплава Al–Mg–Li. Изучены механические свойства и деформационное поведение исследуемого сплава при комнатной температуре. Проведен анализ причин существенного повышения прочностных свойств сплава после обработки методом всестороннего прессования по сравнению с материалом, полученным методом равноканального углового прессования.

В экспериментах, проведенных а образцах из малоуглеродистой стали, деформирующейся развитием полосы Чернова-Людерса с последующим параболическим деформационным упрочнением, установлена взаимосвязь между макроскопической локализацией пластического течения и пространственно-временным распределением сигналов акустической эмиссии. Показано. что при движении фронта полосы с постоянной скоростью акустическая эмиссия различается на разных этапах движения такого очага локализации. Возникающие на стадии параболического деформационного упрочнения неподвижные очаги локализованного течения оказываются пространственно связанными с неоднородностью деформации при движении полосы Чернова-Людерса.

Проведены экспериментальные исследования акустической эмиссии (ФЭ) при пластической деформации образцов из низкоуглеродистой стали. Полученные данные о локализации сигналов АЭ по образцу во времени позволяют следить за перемещением полосы деформации Чернова-Людерса. Проанализированы основные информативные параметры акустической эмиссии на различных стадиях пластического течения. Результаты сопоставлены с данными спекл-видеосъемки и подтверждены их соответствием. Обсуждены возможности определения с помощью акустической эмиссии стадийности пластической деформации и характеристик полосы деформации Чернова-Людерса.

В рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики и неравновесной термодинамики предложен механизм измельчения кристаллической структуры при интенсивной пластической деформации твердых тел. В основе данного механизма при наноструктурировании металлических материалов лежит фрагментация изогнутых полосовых структур, содержащих подполосы основного и дефектного материала. В ходе фрагментации кристаллических подполос подполосы дефектной фазы заполняют границы разориентированных фрагментов. Важную роль в данном процессе играет «шахматное» распределение растягивающих и сжимающих нормальных и касательных напряжений на интерфейсе основного и дефектного материала. Рассмотрен вопрос о нижнем пределе измельчения исходной кристаллической структуры при различных методах интенсивной пластической деформации.

Исследованы механизмы знакопеременной интенсивной пластической деформации на мезомасштабных уровнях тонких фольг высокочистого алюминия. Поликристаллические фольги различной толщины приклеивали к более жестким образцам технического титана или алюминия и подвергали знакопеременному изгибу. Это обусловило сильное различие граничных условий на лицевой и обратной сторонах фольги и позволило показать важную роль взаимного влияния растягивающих и сжимающих нормальных напряжений в развитии пластической деформации материала. Исследованные механизмы локализованной пластической деформации и ее самоорганизация на мезомасштабных уровнях контролируются полем максимальных касательных напряжений и вызываемых ими поворотных мод деформации. На свободных поверхностях фольг в условиях их интенсивной пластической деформации развивается пористость, которая сильно зависит от толщины фольги. На обратных сторонах всех исследованных фольг пористость не возникает. Очень тонкое скольжение и формирование твидовой структуры в тонких фольгах связывается с «шахматным» распределением растягивающих и сжимающих напряжений на внутренних границах раздела. Влияние степени неравновесности материала в условиях интенсивной пластической деформации на механизмы деформации анализируется на основе неравновесной термодинамики локальных структурно-фазовых превращений в зонах гидростатического растяжения.

Работа посвящена моделированию процессов зарождения и развития локализованной пластической деформации в образцах низкоуглеродистой стали со сварными соединениями. Для описания распространения полос Людерса используется модель на основе двупредельного критерия пластического течения. Исследовано поведение трехмерных сварных образцов с градиентным и скачкообразным изменением механических свойств в зоне термического влияния. Показано, что характер эволюции пластической деформации в сварных образцах зависит от механических характеристик зоны термического влияния и конкурирующих процессов концентрации напряжений вблизи захватов испытательной машины и границ раздела «шов – зона термического влияния – основной металл».

Исследован характер отслоения покрытия SiAlN, напыленного на подложку Cu в процессе термоциклирования, одноосного растяжения и знакопеременного изгиба. Выявлено многоуровневое распределение напряжений и деформаций на границе раздела покрытие - подложка, обусловленное необходимостью совместности деформации покрытия и подложки, которые характеризуются различными модулями Юнга и коэффициентами теплового расширения.

Методами электронной микроскопии и эмиссионной мессбауэровской спектроскопии выполнено исследование грани зерен субмикрокристаллического молибдена, полученного кручением под высоким давлением.

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.

Проведено исследование деформационного поведения рекристаллизованного цирконий-ниобиевого сплава Э125 на макроскопическом уровне. Проанализирована эволюция пространственно-временных распределений локальных деформаций на всех стадиях кривой деформационного упрочнения. Установлено, что на стадии предразрушения наблюдаются очаги локализованного пластического течения с различным уровнем накопления деформации. Очаг с максимальной амплитудой деформации практически неподвижен и отмечает место будущего разрушения. Остальные зоны локализованной деформации движутся с тем большей скоростью, чем дальше они отстоят от места разрушения. Кинетика очагов локализации деформации позволяет оценивать время жизни образца и координаты места разрушения.

В работе численно анализируются деформационные процессы на мезоуровне в трехмерных поликристаллах в условиях растяжения. Трехмерные модели поликристаллических структур сгенерированы методом пошагового заполнения. Упругопластический отклик зерен описывается с учетом соотношения Холла–Петча, деформационного упрочнения и упругой анизотропии на мезоуровне. Методом численного эксперимента исследованы процессы зарождения и развития пластических сдвигов на поверхности и в объеме поликристаллических образцов. Анализируется роль свободной поверхности и межзеренных границ в развитии деформационных процессов на мезоуровне. Ключевые слова: численное моделирование, поликристаллическая структура, трехмерная модель, пластическая деформация.

Проведены исследования деформационного поведения высокохромистой стали 40Ч13 с мартенситной (после закалки) и сорбитной (после высокого отпуска) структурой. Обнаружено, что каждое состояние демонстрирует свой вид кривой нагружения. В мартенситном состоянии диаграмма деформации стали содержит только стадию линейного упрочнения, тогда как в сорбитном она является трехстадийной. Установлен локализованный характер пластического течения исследуемого материала в обоих состояниях Эволюция распределений очагов локализованной деформации определяется законом пластического течения, то есть стадийностью соответствующей диаграммы нагружения. Показано, чт процесс разрушения задается кинетикой очагов локализованной деформации на заключительной стадии кривой деформации.

Методами электронной просвечивающей микроскопии исследованы механизмы пластической деформации кристаллов TiNi(Fe, Mo) при сжатии в интервале мартенситного превращения, наведенного напряжением. Установлено, что важным механизмом деформации в этом интервале, наряду с механическим (1000 двойникованием мартенсита В19. является формирование двойников В2-фазы путем обратного мартенситного превращения по другой системе.

Исследуется начальная стадия инициации процесса локализации атомных смещений в приповерхностной области на основе анализа особенностей перераспределения избыточного объема. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что избыточный объем концентрируется в тех областях, где в дальнейшем наблюдаются структурные изменения. При этом выявлено, что превышение избыточного объема для этих областей может достигать 5% по сравнению с удельным объемом, приходящимся на атомы, находящиеся вне зоны локализации смещений. Полученные результаты позволяют с новых позиций рассматривать роль избыточного объема в вопросах зарождения и развития пластической деформации на атомном уровне.

Исследованы закономерности макролокализации пластической деформации на параболической стадии деформационного упрочнения циркониевых сплавов. Обнаружена неустойчивость пластического течения, определяемая колебательным периодическим изменением пространственно-временной картины распределения локальных деформаций, наблюдаемой методом спеклинтерферометрии. Полученные результаты обсуждаются в рамках синергетической модели, основанной на представлении эволюции пластического течения на завершающей стадии как неустойчивого предельного цикла.

Приведено концептуальное обоснование необходимости рассмотрения в физике пластичности и прочности твердых тел наномасштабного структурного уровня пластической деформации. Делается заключение, что в качестве основополагающего механизма пластической деформации следует рассматривать локальные структурные превращения (по типцу перестроения атомных кластеров различных конфигураций), которые происходят в нагруженном твердом теле в локальных зонах растягивающих нормальных напряжений. Данный механизм определяет общность природы всех возможных видов пластической деформации твердых тел.

Предложен новый подход к проблеме пластического течения кристаллических твердых тел, основанный на изучении картин макролокализации пластической деформации, которые могут рассматриваться как различные типы автоволновых процессов самоорганизации дефектов. Установлено однозначное соответствие между картинами локализации и стадиями пластического течения моно- и поликристаллов. Для автоволн локализованной пластичности скорость распространения обратно пропорциональна коэффициенту деформационного упрочнения я, а дисперсионное соотношение имеет квадратичный характер. Предложена новая модель развития локализации пластического течения.

Проведен анализ стадийности локализованной пластической деформации на различных масштабных уровнях при растяжении образцов с надрезами. Интегральный анализ развития деформации на микромасштабном уровне проводили по данным регистрации акустической эмиссии. Анализ мезоскопических деформаций выполняли путем расчета интегрального нормированного значения интенсивности деформации сдвига по данным оптико-телевизионной регистрации. Для оценки закономерностей развития деформации на макромасштабном уровне анализировали производную величины приложенной нагрузки по времени. Показано, что на начальных этапах нагружения метод акустической эмиссии оказывается наиболее чувствительным к деформационным процессам и разрушению, что позволяет идентифицировать переход от первой ко второй стадии деформации (ведущей роли от микро- к мезомасштабному уровню). При больших степенях деформации метод корреляции цифровых изображений более четко характеризует переход ведущей роли от мезо- к макроскопическому масштабу развития деформации. Полученные данные свидетельствуют о том, что анализ процессов локализованной пластической деформации в терминах стадийности представляется достаточно эффективным способом интерпретации данных о развитии деформации на различных масштабных уровнях.

На основе сформулированных в первой части работы требований по ограничению параметров неоднородности механических характеристик в зоне скрепления «топливный элемент - корпус» разработаны методы обеспечения указанных требований и работоспособности топливного элемента твердотопливной энергетической установки ракетно-космических систем.

При экспериментальном исследовании поведения макродоменов локализованной пластичности на заключительной стадии процесса пластического течения при переходе к образованию макроскопической шейки и вязкого разрушения, проведенном на материалах с ГЦК, ОЦК и ГПУ кристаллическими решетками, установлены общие закономерности развития процесса локализации на стадии предразрушения. Они состоят в пространстве скорости каждого из доменов и их стремлении согласованно двигаться к центру пучка прямых на диаграммах координата-время. Установлена связь характера разрушения с кинетикой рождения и движения доменов локализованной пластичности.

Описана методика двухэкспозиционной спекл-фотографии для исследования локализации деформации при пластическом течении материалов. Показана работа автоматизированного комплекса регистрации и анализа полей дисторсий в нагруженных объектах. Представлены результаты исследования локализации макродеформации в различных материалах и в разных условиях. Приведены оценки погрешностей метода, а также точности и быстродействия разработанного комплекса.

В настоящей работе проведено моделирование механического поведения металлокерамического композита Al/Al2O3 в условиях растяжения, с явным учетом внутренней структуры. С помощью ранее предложенного алгоритма генерации трехмерных структур построена модель трехмерного композита с включениями нерегулярной формы. Задача о механическом поведении мезообъема композита в условиях растяжения решается конечно-разностным методом. Исследовано напряженно-деформированное состояние в различных сечениях мезообъема и эволюция пластической деформации в матрице на начальных стадиях пластического течения. Проведен сравнительный анализ с результатами двумерных расчетов в постановке плоской деформации и плоского напряженного состояния.

Методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рентгеновской дифрактометрии исследована микроструктура и фазовый состав интерметаллического соединения Ni3Al, полученного высокотемпературным синтезом под давлением. Показано, что структура интерметаллида состоит из дендритных зерен и междендритных прослоек. Пластическая деформация продукта синтеза в процессе формирования интерметаллида приводит к росту анизотропных дендритных зерне и появлению областей с модулированной структурой в междендритных прослойках. Наблюдаемые структурные изменения сопровождаются повышением предела текучести и уменьшением пластичности интерметаллида.

В работе представлен обзор континуальных моделей, применяющихся при численном моделировании на мезоуровне. Особое внимание уделено микрополярным моделям как представителям двухуровневых моделей механики обобщенных сред для описания материалов со сложной изменяющейся в ходе деформации структурой. Дано изложение модели Коссера и обсуждается ее применение для моделирования пластической деформации металлических материалов на мезоуровне. Приведены некоторые результаты численных расчетов, показывающие возможности микрополярных моделей.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов формирования и эволюции зеренной структуры интерметаллического соединения Ni3Al процессе его высокотемпературного синтеза и экструзии продукта синтеза.

Проведен сравнительный анализ закономерностей развития пластической деформации при ползучести титанового сплава марки ВТ6 в мелкозернистом и субмикрокристаллическом состояниях. Показано, что формирование в двухфазном сплаве ВТ6 субмикрокристаллической структуры воздействием интенсивной пластической деформации приводит к существенному росту его устойчивости к локализации деформации на макроуровне в процессе ползучести. Изучено влияние структурного состояния сплава на развитие зернограничного проскальзывания. Обсуждаются физические причины уменьшения величины кажущейся энергии активации ползучести сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом состоянии.

Рассмотрены основные закономерности макроскопической локализации пластической деформации при растяжении металлов и сплавов. Показано, что эффект макролокализации 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). Установлен волновой характер локализации деформации. Обсуждаются такие характеристики волн локализованной деформации, как скорость распространения, длина волны и дисперсия.