A comparative analysis has been performed of mesoscale stress and strain distributions in sections of 3D polycrystalline specimens and in their 2D cousins under plane strain and plane stress conditions. For similar macroscale stress-strain curves, the mesoscale plastic strain localization patterns are shown to differ essentially both qualitatively and quantitatively in 2D and 3D models. In other words, the same effective mechanical response of the materials can be provided by different mesoscale stress and strain distributions depending on the loading technique used and geometric features of the specimens (thin plates, thick specimens, etc.).

Развиты научные основы описания деформируемого твердого тела как нелинейной иерархически организованной системы. Теоретически и экспериментально показано, что первичными пластическими сдвигами в нагруженном твердом теле являются нелинейные волны локальных структурных превращений в двухмерных поверхностных слоях и внутренних границах раздела, которые не имеют дальнего порядка. В основе развития нелинейных волн лежит многоуровневое согласование пластического течения на различных структурно-масштабных уровнях. Все типы деформационных дефектов в кристаллах рождаются в сильно возбужденных зонах гидростатического растяжения, возникающих при распространении в двумерных системах нелинейных волн каналированного пластического течения. Регулярность возникновения таких зон определяет природу локализации пластической деформации. Для многоуровневого согласования пластического течения во всей иерархии масштабов, включая электронную подсистему, предлагается рассматривать локальную кривизну х вихревых потоков пластического течения как обобщенный структурный параметр. Он позволяет адекватно описать поведение деформируемого твердого тела в различных термодинамических состояниях, включая сильную неравновесность наноструктурных материалов.

Исследована зависимость скорости распространения ультразвуковых волн от действующего напряжения в пластически деформируемых поликристаллических металлах и сплавах. Установлено, что связь между действующим напряжением и скоростью ультразвука линейна, причем эта закономерность характерна для всех исследованных материалов. Предложен способ определения временного сопротивления отрыву материалов (предела прочности) при деформировании в области малых пластических деформаций без разрушения образцов.

Скорость распространения ультразвуковых волн в металлах и сплавах измерена во время пластической деформации. Установлено что зависимость скорости ультразвука от действующего напряжения пластического течения имеет форму многостадийной кривой; ее участки могут иметь как положительный, так и отрицательный наклон. Обсуждена взаимосвязь полученных зависимостей со стадийностью кривых пластического течения.

Исследована эволюция зоны пластичности вблизи конца трещины нормального отрыва в малоуглеродистой стали. Построены распределения компонент тензора пластической дисторсии для разных стадий развития трещины.

Исследовано изменение скорости распространения ультразвука при пластической деформации поликристаллического алюминия. Показано, что зависимости скорости ультразвука от деформации и действующего напряжения являются трехстадийными. Сложный характер этих зависимостей позволяет выделить на параболической кривой пластического течения материала дополнительные стадии, не обнаруживаемые традиционными методами. Предложено объяснение полученных закономерностей на базе представлений об изменении дефектной структуры материала при деформации.

На примере титановых сплавов ВТ1-0 и Вт-6 проведены исследования особенностей влияния пластической деформации прокаткой при комнатной температуре на структуру и механические свойства металлических материалов в субмикрокристаллическом состоянии. Показано, что такая обработка может приводить как к упрочнению, так и разупрочнению рассматриваемых сплавов. Установлено, что характер изменения механических свойств определяется соотношением таких параметров структуры, как размер зерен, однородность их распределения по размерам, объемная доля мелких зерен с пониженной плотностью дислокаций.

Представлены результаты исследований эволюции дефектной субструктуры и фазовых превращений в процессе деформации прокаткой и кручением под давлением хромоникелевой стали 17Cr-14Ni-2Mo. показано, что формирование наноструктурных состояний осуществляется в процессе взаимодействия полос локализации деформации с микрополосовыми двойниковыми структурами. Обсуждаются механизмы деформации и переориентации кристаллической решетки при формировании указанных выше состояний и возможные механизмы фазовых превращений в процессе больших пластических деформаций исследуемой стали.

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.

Методом дифракции обратно рассеянных электронов проведен анализ эволюции микротекстуры и факторов Шмидта при растяжении в условиях формирования шейки. Установлена взаимосвязь колебательной неустойчивости пластического течения в очаге деформации в режиме "упрочнение- разупрочнение" с геометрическим упрочнением (разупрочнением) в процессе переориентации плоскостей легкого скольжения в зернах относительно оси нагружения. Выявлена связь активности различных систем скольжения с закономерностями эволюции количественных параметров микроструктуры.

Исследовано влияние низкотемпературного отжига на механические характеристики и зеренно-субзеренную структуру (ЗСС) образцов субмикрокристаллического (СМК) никеля, полученного методом равноканального углового прессования (РКУП). С помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) получена оценка распределения ЗСС по размерам и относительной энергии ее границ после отжига при разной температуре. изменение механических свойств СМК никеля обсуждается с учетом эволюции ЗСС структуры в процессе низкотемпературного отжига.

Проведено электронно-микроскопическое исследование микроструктуры метастабильной аустенитной стали Fe-18%Cr-8%Ni (вес. %) после больших пластических деформаций прокаткой. Показано, что большие пластическе деформации приводят к формированию двухфазной субмикрокристаллической структуры. Обнаружены фрагменты разориентации, формирование которых можно объяснить реализацией механизма прямых плюс обратных превращений мартенситного типа. Обсуждаются механизмы фрагментации кристаллической решетки, формирования субмикро- и нанокристаллических структурных состояний.

Проведено исследование связи между параметрами микроструктуры и механическими свойствами сплавов системы Mo-47%Re (вес. %) после различных степеней интенсивной пластической деформации кручением под давлением. Установлено, что характерной особенностью материалов после такого способа деформационного воздействия является формирование анизотропного структурного состояния. Показано, что в сплавах формируются двухуровневые структурные состояния, обеспечивающие значительное увеличение параметров микротвердости.

Теоретически и экспериментально показано, что в механике деформируемого твердого тела наряду с трехмерной структурно равновесной кристаллической подсистемой следует описывать поведение структурно неравновесной планарной подсистемы в виде совокупности поверхностных слоев и всех внутренних границ раздела с нарушенной трансляционной инвариантностью. Первичное пластическое течение в нагруженном твердом теле развивается в неравновесной структуре планарной подсистемы по ротационному механизму каналированных нелинейных волн локальных структурных превращений, которые определяют закон самоорганизации многоуровневого пластического течения. Они вызывают ротационные поворотные моды деформации на мезомасштабном уровне и обусловливают генерацию в планарной подсистеме всех видов деформационных дефектов на микромасштабном уровне. Деформационные дефекты испытывают эмиссию в кристаллическую подсистему как ингибитор нелинейных волн пластического течения в планарной подсистеме. При любом виде нагружения пластическая деформация твердых тел развивается в поле поворотных моментов. Нарушение иерархического самосогласования поворотных мод деформации завершается разрушением материала как нескомпенсированной поворотной моды деформации на макромасштабном уровне.

В работе изучены особенности развития локальных структурных изменений в кристаллите меди на атомном уровне при различных типах контактного взаимодействия: сдвиговое нагружение идеально сопряженных поверхностей, локальное сдвиговое нагружение и наноиндентирование. Исследование выполнено на основе молекулярно-динамического подхода. Межатомное взаимодействие описано в рамках метода погруженного атома.. Показано, что первоначально аккомодация нагружаемого кристаллита осуществляется посредством генерации локальных структурных трансформаций, которые впоследствии формируют дефекты более высокого ранга, такие как дислокации, дефекты упаковки, границы раздела и т.д. Дальнейшее развитие пластической деформации характеризуется распространением дефектов структуры из зоны контакту в объем кристаллита. Выход дефектов структуры на свободную поверхность ведет к формоизменению моделируемого кристаллита. В зависимости от условий нагружения эволюция деформационной картины может характеризоваться изменением кристаллографической ориентации кристаллита вблизи зоны контакта, а также образованием разориентированных наноразмерных областей и, в конечном итоге, формированием устойчивого наноструктурного состояния. Полученные результаты позволяют с новых позиций понять природу генерации дефектов кристаллической структуры при зарождении и развитии пластической деформации в нагружаемых материалах.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования особенностей микроструктуры сплава V-4Ti-4Cr после интенсивной пластической деформации методом кручения под давлением на наковальнях Бриджмена. С применением методики темнопольного анализа дискретных и непрерывных разориентировок изучены параметры дефектной структуры объема и границ зерен. Проанализированы поля локальных внутренних напряжений и градиенты этих напряжений на субмикронном масштабном уровне. Обсуждаются механизмы формирования субмикрокристаллического структурного состояния.

Изучено влияние крупномасштабных границ раздела в виде протяженных поперечных локализованных областей переплава на механизм пластической деформации поликристаллов низкоуглеродистой стали. Теоретически и экспериментально показано, что в зоне таких границ раздела возникают осциллирующие мезоконцентраторы напряжений, релаксация которых обусловливает формирование в деформируемых поликристаллах периодических полосовых структур мезомасштабного уровня.

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.

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.

Приведены результаты исследований механизмов фрагментации на мезоуровне при пластической деформации поверхностно упрочненной хромистой стали. Показано существование в пределах мезоуровня иерархии подуровней, связанных с образованием фрагментов различного масштаба и деформационных доменов. Самоорганизация механизмов деформации в иерархии мезоскопических подуровней подчиняется закону подобия.

Изучен характер изменения фрактальной размерности в разрушенных образцах поликристаллов алюминия и кремнистого железа в зависимости от расстояния места разрушения. Показано, что при активном растяжении наблюдается три стадии изменения фрактальной размерности, а при знакопеременном изгибе - две стадии по мере приближения к месту разрушения. Фрактальная размерность поверхности может служить хорошей качественной характеристикой степени повреждаемости нагруженного материала.

Работа посвящена изучению влияния поверхностного и объемного модифицирования структуры титана ВТ1-0 на его триботехнические свойства. Определены оптимальные режимы обработки титана пучком электронов (длительность импульса пучка электронов 50 мкс, количество импульсов 3, плотность энергии пучка электронов 25 Дж/см2 для крупнозернистого и 20 Дж/см2 для ультрамелкозернистого титана), приводящие к снижению изнашивания материала при трении в несколько раз. Исследована морфология поверхности трения, обнаружены вторичные структуры в виде островков, а также бороздчатая структура со следами схватывания. Предполагается, что в процессе трения происходит самоорганизация устойчивых вторичных структур, обеспечивающих кратное повышение износостойкости технически чистого титана ВТ1-0.

Исследованы процессы распространения фронтов локализованной пластической деформации в материале с боридным покрытием. Решается краевая динамическая задача в постановке плоской деформации. Проводится численное моделирование методом конечных разностей. Структура композита "покрытие - подложка" задается в расчетах явно и соответствует экспериментально наблюдаемой. Определяющие уравнения для стальной основы включают упруго-пластическую модель изотропно упрочняющегося материала с учетом соотношения для описания медленных течений. Используется модель разрушения на основе критерия Губера, которая учитывает зарождение трещин в областях объемного растяжения. Показано, что специфика деформирования и разрушения материала с покрытием связана с наличием вдоль границы раздела "покрытие - подложка" локальных областей растяжения при сжатии композиции. Изучена взаимосвязь процессов неоднородного пластического течения в стальной подложке и распространения трещин в покрытии. установлена зависимость характера растрескивания, места зарождения разрушения и объемной доли разрушенного материала покрытия от скорости распространения полосы Чернова - Людерса в стальной основе.

Описана методика количественного определения неравновесности микроструктуры материалов по величине коэффициента детектирования Кdet, который рассчитывается программным обеспечением методом дифракции обратнорассеянных электронов. разработанная методика опробована на примере титана технической чистоты ВТ1-0 с крупнозернистой и ультрамелкозернистой структурой, полученной с использованием методов интенсивной пластической деформации по различным технологическим схемам.

Исследованы механизмы пластической деформации неа мезомасштабном уровне при растяжении поверхностно-упрочненных образцов стали 65Ч13, в которых однородная дислокационная деформация на микромасштабном уровне и объеме образца подавлена. Показано, что с самого начала пластическая деформация происходит путем распространения полос локализованной деформации в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений. этому соответствует появление на кривой "напряжение- деформация" стадии линейного упрочнения. На поздней стадии деформации, характеризуемой параболическим упрочнением, в образце возникает мезоскопическая субструктура, элементы которой испытывают сдвиг + поворот. Разрушение происходит по одной из мезополос, в которой развивается сильно локализованная пластическая деформация.

Изучены механизмы пластической деформации и стадийность кривой течения поликристаллов высокоазотистой стали на различных масштабных уровнях. Неравновесность стали обусловливает возрастание роли мезомасштабного уровня пластического течения. На микро- и мезомасштабном уровнях выполняется закон подобия. Выяснена природа стадийности пластического течения и разрушения высокоазотистых сталей.

Проведено экспериментальное исследование деформационной структуры пористого железа со степенью пористости Р от 4 до 40% и в диапазоне деформаций ε вплоть до разрушения. Измерены величины зернограничного проскальзывания, поворотов структурных элементов, отдельных вкладов в общую деформацию в зависимости от Р и ε. Установлена смена доминирующих механизмов пластической деформации при повышении пористости, связанная с изменением топологических характеристик системы и соответствующая переходу от внутризеренного скольжения к группе механизмов, обеспечивающих движение зерен как целого. Проведен анализ установленных закономерностей на основе концепции структурных уровней деформации.

Выполнен обзор закономерностей электростимулированной пластической деформации на разных структурных уровнях. Рассмотрены: иерархия внешних токовых воздействий на процесс пластической деформации; изменение подвижности индивидуальных дислокаций в областях термически активируемого и квазивязкого движения при механическом, токовом и совместном воздействии в широком диапазоне температур (микроуровень); эволюция дефектной структуры в материалах различных структурных классов, подвергнутых электростимулированию в широком диапазоне деформации (мезоуровень); упорядоченный характер неоднородностей пластической деформации и модели напряженно-деформированного состояния при токовом воздействии (макроуровень); дана их физическая интерпретация.

Исследован процесс окисления на воздухе образцов титана с субмикрокристаллической (СМК) структурой (средний размер элементов зеренно-субзеренной структуры 0,46 и 0,15 мкм), полученных методом пластической деформации. Показано, что в условиях деформационного воздействия в титане возрастает содержание растворенного кислорода, приводящего к стабилизации a-фазы и смещению температуры полиморфного перехода в область более высоких температур. При линейном нагреве на воздухе наблюдается немонотонное изменение скорости прироста массы образцов, связанное с неравномерным характером роста зерен и миграции границ. По результатам изучения кинетики окисления Ti в изотермических условиях в интервале 600-800 гр.С показано, что процесс протекает в диффузионном режиме вследствие формирования на поверхности металла плотного оксидного слоя. С уменьшением среднего размера зерна в образцах происходит понижение эффективной энергии активации процесса окисления за счет повышения диффузионной проницаемости металла. основная кристаллическая фаза, образующаяся при окислении Ti в данном температурном интервале, независимо от структуры металла - TiO2-рутил.

Приведены результаты исследования электросопротивления металлов, подвергнутых сильной пластической деформации, в зависимости от плотности тока. Показано, что при плотностях электрического тока, превышающих некоторое критическое значение, проводимость материала начинает возрастать и становится аномально высокой. предложен механизм аномально высокой проводимости, объясняющий основные экспериментальные результаты.

Проведены исследования влияния интенсивной пластической деформации методом всестороннего прессования и последующих термообработок на структуру и механические свойства титанового сплава ПТ-3В. Показано, что формирование субмикрокристаллической структуры приводит к существенному повышению механических свойств указанного сплава при комнатной температуре и сдвигу температурного интервала реализации сверхпластичного течения в область более низких температур на 250-300 К. Установлено также, что низкотемпературный отжиг сплава ПТ-3В в субмикрокристаллическом состоянии приводит к дополнительному увеличению его пределов прочности и текучести при существенном (почти в 2 раза) увеличении деформации до разрушения.

Дано обоснование концепции физической мезомеханики о том, что в основе нелинейного поведения твердых тел при их пластической деформации и разрушении лежит возникновение в локальных сильнонеравновесных зонах наноструктурных состояний. Их структурные превращения или двухфазный распад определяют неравновесную термодинамику зарождения деформационных дефектов и трещин. обсуждаются нелинейные волновые механизмы влияния наноструктурных состояний на пластическую деформацию и разрушение твердых тел.

Исследованы изменения параметров твердого раствора а-фазы ферритно-мартенситной стали, подвергнутой одноосному статическому растяжению при комнатной температуре. Установлено, что уменьшение параметра кристаллической решетки а-фазы и среднеквадратичных полных смещений при пластической деформации на стадии образования шейки обусловлено выходом из твердого раствора легирующих элементов замещения, что сопровождается образованием интерметаллидных фаз по границам ферритных зерен.

Проведено исследование деформационного рельефа образующегося на гранях монокристалла меди при нагружении силой сжатия и одновременном скольжении на поверхности контртела. В качестве образцов использованы монокристаллы меди с различной ориентацией оси сжатия, выращенные по методу Бриджмена. В результате исследования трения монокристаллов с ориентацией [110] и [111] обнаружено, что системы сдвига, действие которых проявляется на боковых гранях, локализованы вблизи зоны трения. Плотность следов, образуемых при этом, уменьшается при удалении от торца. В [110]-монокристалле имеются участки повышенной локализации вблизи торца. Наблюдается различие картин сдвига на боковых гранях [111]-монокристаллов, реализующихся при трении и при одноосном сжатии, заключающееся в отсутствии макрополос деформации при трении.

На основе анализа собственных результатов и литературных данных показано, что образование самоподобных твидовых структур на фольгах монокристалла алюминия (100)[001] при несвободном циклическом растяжении происходит в условиях нестабильности Гринфельда. Об этом свидетельствует хорошее согласие теоретических оценок периода твидовых структур на основе модели нестабильности Гринфельда с экспериментально измеренными значениями. Показано, что нестабильность Гринфельда проявляется в разных граничных условиях, связанных с особенностями упруго-пластической деформации двухслойной системы фольга алюминия/образец, что обусловливает самоподобие твидовых структур. Предполагается, что перераспределение материала на поверхности фольг происходит за счет миграции точечных дефектов, образующихся при циклическом растяжении и обладающих достаточной подвижностью при комнатной температуре.