В статье на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов (методом МСА) изучены особенности деформирования и разрушения интерфейсных материалов, находящихся в сложном напряженном состоянии, в условиях циклического нагружения. Показано, что вибрационное воздействие с «высокими» частотами, превышающими собственные частоты образца, может существенно повышать деформационную способность интерфейсных материалов, что связано с действием вибрации как своеобразного «деформационного насоса». Развитый формализм интерфейсных сред применен для теоретического исследования отклика границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов) на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Важнейшим результатом исследования является установление того факта, что совместное влияние «высокочастотного» вибрационного воздействия и обводнения принципиально меняет характер отклика обводненного разлома и может приводить к инициации аномальных по величине, но плавных смещений геоблоков без выделения мощных сейсмических импульсов. Результаты расчетов подтверждены в ходе натурных экспериментов на Ангарском разломе Байкальской рифтовой зоны. Это позволило предложить новый подход к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмоактивных разломов, который может быть использован для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности.

Обсуждаются построение, способ реализации и апробация новой динамической функции отклика подвижных клеточных автоматов, зависящей от скорости нагружения. Предложенный метод основан на использовании аналитических соотношений, полученных в ходе анализа динамической модели однородно-деформируемого материала с дефектами, построенной в рамках калибровочной теории дефектов с учетом диссипации энергии и самодействия дефектов. Численная реализация функции отклика предполагает введение временнуй зависимости, определяющей переход из упругой области в пластическую с увеличением предела текучести с ростом скорости деформации. Апробация функции отклика проведена на основе моделирования задачи по одноосному нагружению.

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

На основе многоуровневого исследования эволюции пластического течения в шейке образцов показана физическая природа различия механизмов их разрушения. Экспериментально и численным методом обосновывается принципиально важная роль локальных зон гидростатического растяжения в возникновении микропор, трещин и развитии разрушения.

Представлена математическая модель химического превращения в твердой фазе в условиях одноосного механического нагружения с учетом связности полей деформации и температуры и зависимости скорости химической реакции от работы сил деформации. Проведено параметрическое исследование модели. Показано, что возникающие в ходе превращения напряжения и деформации оказывают существенное влияние на динамику процесса.

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".

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.

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.

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.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования микроструктуры сплава Мо-47% Re-0,4% Zr после деформации прокаткой при комнатной температуре. Особое внимание уделено исследованию анизотропии формирующихся при этом микрополосовых наноструктурных состояний и высокоэнергетических дефектных субструктур с высокими значениями кривизны кристаллической решетки, плотности дисклинаций и локальных внутренних напряжений. Представлен дисклинационный механизм переориентации как механизм фрагментации внутренней структуры микрополос.

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.

Путем комбинированного использования методов акустической эмиссии, картирования деформации на поверхности и тензометрии исследовали развитие деформации и разрушения в образцах стали сплава Д16АТ с центральным отверстием. Выделены три характерные стадии развития деформации. Изменение продолжительности характерных стадий по данным анализа всех информативных параметров свидетельствует о постепенном увеличении удельной длительности для второй стадии и ее постоянстве для третьей. Показано, что стадийный подход при исследовании и контроле процессов деформации и разрушения в случае невысокой концентрации напряжений является достаточно информативным и взаимодополняющим. Однако, длительность стадий, выявленных по данным регистрации информативных параметров, может заметно различаться, что связано с чувствительностью каждого из методов к деформационным дефектам на каждом масштабном уровне, а также чувствительностью/разрешением регистрирующей аппаратуры.

Путем комбинированного использования методов акустической эмиссии, картирования деформации на поверхности и тензометрии проведены исследования развития деформации и разрушения в образцах сплава Д16АТ с боковым надрезом, имитирующим трещину в изделии. Показано, что значительная часть времени нагружения связана с распространением трещины, что сопровождается появлением на диаграмме нагружения участка с отрицательным значением коэффициента деформационного упрочнения. По данным корреляции цифровых изображений на этапе пластической деформации (в пределах стадии 2) выделены две подстадии, первая из которых связана с локализацией деформации непосредственно в вершине надпила, а вторая с разрастанием площади этой области до размеров, сопоставимых с поперечным сечением образца. Выявлено, что стадийный подход при анализе процессов деформации и разрушения имеет лучшую корреляцию между данными, регистрируемыми различными in situ методами в случае значительной локализации деформации.

Исследованы закономерности накопления усталостных повреждений при циклическом нагружении стали 25Х1М1Ф при частотах 0.1 и 1.0 Гц, в том числе с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSС. Выявлены физические закономерности, определяющие взаимосвязь подходов механики разрушения и физической мезомеханики материалов. Для описания поля макронапряжений в вершине трещины использован силовой критерий механики разрушения - коэффициент интенсивности напряжений. При этом физико-механические закономерности накопления усталостных повреждений отражают органическую взаимосвязь пластической деформации и разрушения материала в зоне макроконцентратора напряжений, представляют собой стадийный процесс и могут быть описаны в рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики. Повышение частоты нагружения от 0.1 до 1.0 Гц обусловливает снижение продолжительности единовременного пребывания образца в нагруженном состоянии, что при значениях коэффициента интенсивности напряжений до 40 МПа × м1/2 практически не влияет на скорость роста усталостной трещины, а при больших его величинах приводит к увеличению скорости ее роста в 2.0-2.5 раза. Данные процессы проявляются также в снижении влияния процессов пластической деформации на мезоуровне, при этом значение интенсивности деформации сдвига gavg для частоты f = 1.0 Гц в 3-6 раз меньше, чем для частоты f = 0.1 Гц.

Проанализировано и выделено два основных механизма влияния поля напряжений на диффузию примеси в твердом теле. На основании анализа математической модели процесса сделан вывод о том, что в случае симметричного нанесения покрытия, по сути, работает только один из них. Вывод подтвержден экспериментально на примере системы Ni(Cu). методика и результаты эксперимента изложены в работе наряду с результатами расчета. Описаны некоторые возможные обобщения диффузионной модели для структурно-неоднородной среды.

Исследовано влияние наноструктурирования поверхностного слоя алюминий-литиевого сплава 1424 на его механические свойства при растяжении в интервале температур 293-673 К. Показано, что наноструктурирование поверхностного слоя качественно изменяет характер распределения в нем главного пластического сдвига, вызывая его микроволновой характер. Это обуславливает повышение пластичности материала его технологических характеристик. Температура перехода в сверхпластичное состояние снижается на 50 К.

На поликристаллических образцах малоуглеродистой стали 08пс проведены исследования картин локализации пластического течения при электролитическом насыщении водородом в трехэлектродной электрохимической ячейке при постоянном контролируемом катодном потенциале. Насыщение водородом образцов стали привело к уменьшению пределов текучести, прочности на пластичности на 9%. С помощью метода двухэкспозиционной спекл-фотографии определены основные типы и параметры локализации пластического течения на разных стадиях деформационного упрочнения образцов в исходном состоянии без водорода и после насыщения водородом. Установлено, что наводороживание образцов усиливает локализацию деформации, приводит к значительным перестройкам зон локализованной деформации.

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.

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.

Представлены исследования изменения скорости распространения и затухания рэлеевских волн в зависимости от локализации пластической деформации в материалах с эффектом Портевена - Ле Шателье. Измерения характеристик ультразвуковых волн производились непосредственно в процессе деформирования материала с постоянной скоростью нагружения при комнатной температуре. Методом цифровой спекл-фотографии велась регистрация кинетики зон локализованной деформации в процессе нагружения. Установлена закономерность изменения скорости ультразвука при прохождении зоны локализации через область измерения ультразвука.

Исследованы закономерности развития макроскопических неоднородностей пластического течения металлов в форме полос Чернова-Людерса и эффекта Портевена-Ле Шателье. Установлены закономерности развития неоднородности деформации в этих двух случаях, изучена кинетика движения фронтов полос Чернова-Людсрса и скачкообразной деформации при реализации эффекта Портевена-Ле Шателье. Показано, что фронты Чернова-Людерса и скачкообразная деформация Портевена-Ле Шатсльс могут рассматриваться как макроскопические автоволновыс процессы переключения и возбуждения соответственно в деформируемых средах разной природы.

Исследована деформационная кривая поликристаллического дуралюмина марки Д1 и установлено, что она содержит три основные стадии: линейного упрочнения, параболического упрочнения (n=1/2) и стадию предразрушения (n<1/2). Представлены результаты исследования характера макролокализации пластического течения данного сплава. Картины распределения очагов локализованной пластичности эволюционируют в соответствии со стадиями упрочнения. на стадии предразрушения отмечается самосогласованное движение очагов локализации к месту будущего разрушения. Анализ кинетики очагов локализации показал. что на этой стадии в образце сосуществуют как упрочняющиеся, так и разупрочняющиеся домены, движущиеся с постоянной для каждого из них скорость, величина которой линейно зависит от координаты места зарождения.

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.

Деструкция геоматериалов и геосред, а также деформация и разрушение как пластичных, так и хрупких материалов и сред экспериментально и теоретически изучены на основе общей методологии нелинейных динамических систем. Представление процесса деструкции (неупругая деформация, накопление повреждений, разрушение) нагружаемых твердых тел и сред как пространственно-временной эволюции нелинейной динамической системы позволяет анализировать их деформацию и разрушение в рамках единой концепции. Характерной особенностью таких пространственно-временных иерархий являются коллективные явления и процессы самоорганизации. Представлены экспериментальные и теоретические результаты по изучению особенностей эволюции нагружаемых твердых тел и сред. Показано самоподобие процесса разрушения хрупких и пластичных материалов на разных масштабах. Найдены скейлинговые показатели. Установлен универсальный критерий фрактальной делимости нагруженных материалов и сред. Представлены результаты численного м моделирования развития неупругой деформации и разрушения твердых тел и сред как иерархически организованных систем.

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.

В работе приведен краткий обзор основных методов измерения деформаций, применяемых для анализа напряженно-деформированного состояния образцов и деталей, включая оптико-телевизионный метод, разработанный в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН. На примере оценки конфигурации зон пластичности с помощью оптико-телевизионного метода в модельном медном образце с надрезом показана и обоснована возможность использования данного метода для исследования механического поведения материала, в том числе и на стадии накопления повреждений и разрушения, а также оценки величины трещиностойкости K1с. Показаны преимущества оптико-телевизионного метода по сравнению с другими известными методами измерения деформаций и перспективность его использования. Ключевые слова: деформация, разрушение, методы измерения деформаций, зоны пластичности, трещиностойкость.

Методом подвижных клеточных автоматов проведено численное моделирование деформации и разрушения пористых керамических материалов с различными типами регулярной, а также стохастической структуры порового пространства при одноосном нагружении. Проанализировано влияние структуры пор на динамику зарождения и развития повреждений. Отмечена корреляция между эффективной жесткостью пористых образцов и скоростью накопления повреждений в них. Полученные результаты позволяют говорить о возможности квазивязкого разрушения хрупких материалов, обусловленного исключительно структурой порового пространства.

В работе исследуются процессы деформации и разрушения материалов с покрытиями различной толщины. Краевая задача механики решается численно методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Для описания механического отклика стальной подложки и боридного покрытия используются модели упругопластической среды с изотропным упрочнением и упруго-хрупкого разрушения соответственно. Геометрия границы раздела «покрытие - подложка» соответствует экспериментально наблюдаемой и учитывается в расчетах явно. Проведены серии численных экспериментов при варьировании толщины покрытия. Показано, что в пределах тонкого поверхностного слоя (около 80 мкм) концентрация напряжений вблизи границы раздела «покрытие - подложка» увеличивается при уменьшении толщины покрытия, т.е. по мере приближения данной границы к свободной поверхности образца. Установлено, что данный эффект проявляется уже на упругой стадии и усиливается по мере развития пластической деформации в подложке.

В работе исследуются механические свойства, конфигурация зон пластичности и их изменение во время растяжения образцов с надрезами конструкционной стали ВКС-12. Количественные исследования зон пластичности выполнены с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC путем построения картин распределения интенсивности деформации. Сопоставляя фрактограммы и картины распределения характеристик деформации, в работе также анализировали процесс разрушения, взаимосвязанный с пластическим течением. Обнаружено, что разрушение начинается в области с максимальной величиной интенсивности деформации. Установлено, что закономерности пластического течения в образцах с П <1.58 и П > 4.65, где П - показатель исходной жесткости напряженного состояния, существенно различны. Показано, что в исследованных образцах стали ВКС-12 характер разрушения квазихрупкий, однако на всех стадиях разрушения сохраняется вязкий микромеханизм разрушении путем зарождения и роста пор.

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.

С помощью сканирующей туннельной, атомно-силовой и растровой электронной микроскопии исследован характер пластической деформации и разрушения тонких пленок Сu на кремниевой и полипропиленовой подложках при термическом отжиге и одноосном растяжении. Механические характеристики исходных пленок определяли методом наноиндентирования. Показано, что на поверхности пленок Cu при одноосном растяжении возникает мезоструктура в виде переплетающихся мезополос, а при термическом отжиге — ячеистая мезоструктура. Установлена линейная зависимость геометрических параметров поверхностной мезоструктуры от толщины пленки. Полученные результаты хорошо согласуются с концепцией «шахматного» распределения напряжений на границе раздела «пленка – подложка» в многоуровневой модели деформируемого твердого тела.

Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии исследованы механизм деформации и характер разрушения <111> монокристаллов аустенитной стали Гадфильда при растяжении в интервале температур 77-63 К. Установлено, что смена механизма разрушения от вязкого к хрупкому по фрактографическому критерию происходит при более высокой температуре. чем температура вязко-хрупкого перехода, определенная по изменению удлинения монокристаллов до разрушения. Показан связь переход вязкость-хрупкость в монокристаллах стали Гадфильда с достижением высокого уровня деформирующих напряжений в результате твердорастворного упрочнения и с механическим двойникованием.

В работе исследовали влияние пористости газотермических покрытий, а также вызванной этим их способности к пластическому деформированию на характер развития пластической деформации на мезоуровне при трехточечном изгибе композиций "покрытие-основа". Показано, что развитие пластической деформации практически с самого начала нагружения имеет вихревой характер, что связано с неоднородностью приложения к образцу нагрузки, а также различием физико-механических характеристик покрытия и основы. Однако в более пластичном покрытии, нанесенном газопламенным методом, масштаб вихревого движения имеет значительно меньший размер, что связано с эффективной релаксацией напряжений за счет пористости и разбиением "мезовихря" на ряд более мелких фрагментов. В связи с тем, что полосы локализованной деформации распространяются в подложку от границы ее раздела с газопламенным покрытием при приложении нагрузки как со стороны покрытия, так и со стороны подложки, обсуждается понятие концентраторов растягивающих и сжимающих напряжений.

С использованием комплекса TOMSC в работе исследовали закономерности развития локализованной пластической деформации при трехточечном изгибе образцов малоуглеродистой стали с газотермическим покрытием, оплавленным в условиях подвода мощных ультразвуковых колебаний и без такового. Показано, что при приложении нагрузки со стороны подложки пластичность оплавленного с приложением ультразвука покрытия повышается примерно в два раза, что сопровождается увеличением предела прочности примерно на 200 МПа. Данный результат связан со значительным снижением роли локализации деформации при растрескивании покрытия, в связи с тем что оплавленные в условиях подвода ультразвуковых колебаний покрытия растрескиваются, образуя мелкие фрагменты. Это вызвано диспергированием макроконцентраторов напряжений на захватах вследствие возникновения большого количества менее мощных мезоконцентраторов на локальных затеканиях материала покрытия в подложку.????.

В работе проведено численное исследование деформации и разрушения мезообъема композиционного материала Al + Al2O3 при растяжении и сжатии. Иерархическое моделирование подразумевает введение различных моделей для описания механического поведения пластичной матрицы и хрупких керамических включений: упруго-пластическая формулировка с учетом деформационного упрочнения и модель растрескивания, использующая критерий разрушения типа Хубера, соответственно. Критерий учитывает различия в критических величинах для разных типов локальных состояний: растяжение и сжатие. Показано, что комплексное механическое поведение мезообъема композита как целого контролируется взаимосвязанными процессами формирования полос локализованного сдвига в матрице и растрескивания включений. Применительно к структурно-неоднородной среде предложенный критерий наибольшей интенсивности касательных напряжений позволяет правильно описать направление распространения трещин при отрыве для разных способов нагружения (растяжение, сжатие).??.

В работе представлен новый подход к моделированию поведения материалов, в котором исследуемый объект представляется состоящим из областей двух типов, описываемых в рамках дискретного и континуального подходов. Дискретные области среды моделируются методом подвижных клеточных автоматов, континуальные — конечно-разностным методом. Результаты расчетов показали возможность и перспективность применения предложенного подхода для решения задач, связанных с изучением процессов деформации и разрушения в области контактного взаимодействия, а также поведения твердых тел в зонах больших деформаций.??.

Исследованы поведение кривых пластического течения и особенности форм локализации пластической деформации при растяжении образцов из сплавов Zr - 1% Nb ( Э110) Zr - 1% Nb - 1,3% Sn - 0,4% Fe (Э635). Установлена связь кинетики развития локализации с законом деформационного упрочнения при пластическом течении и переходе к разрушению. Исследована дислокационная микроструктура сплавов в очагах локализации деформации и предразрушения.

The investigation of influence of hardened layer structure and interface profile on plastic deformation development in boronized low carbon steels was carried out with the use of television-optical technique TOMSC and electron scanning microscope TESLA BS 300.

The processes of localized deformation band formation and crack generation in brittle-plastic materials are simulated numerically in various loading conditions. The patterns of cracking and strain localized band for a sandstone specimen in compression are obtained. To describe inelastic behavior of pressure-sensitive materials, the mathematical tools and concepts of plasticity theory are employed. In the computations the Nikolaevskii model with a non-associated flow rule is used. In the course of “plastic” deformation damages are accumulated. Macrocrack opening and material fracture are described explicitly. For this purpose the node-splitting technique is used and the free-surface conditions are given on newly formed boundaries. This provides self-acting account of crack generation for the entire calculation area in the course of deformation. The use of the considered approaches in describing the behavior of a rock specimen as an ideal homogeneous medium allows a good agreement of fracture patterns as well as of various types of stress-strain dependences with the experimental findings. In order to describe in detail the behavior peculiarities of heterogeneous porous and cracked materials, it is necessary to consider their structural features and crack growth.

В работе описана методика выявления на оптических изображениях элементов деформационного рельефа, формирующегося в результате локализованного развития деформации в области вершины усталостной трещины, с использованием аппарата анализа изображений. Предложена численная характеристика, основанная на вычислении отношения площади элементов деформационного рельефа к площади фона, как интегральный параметр оценки степени деформированности поверхности.

Приведены результаты исследования механизмов пластического течения и разрушения поликристаллов дуралюмина Д16АТ при статическом и повторно-статическом воздействии внешней нагрузки. Показано, что закономерности накопления больших пластических деформаций на мезомасштабном уровне для данных схем нагружения существенно различаются. Обсуждается возможность прогнозирования остаточного ресурса и диагностики состояния предразрушения элементов конструкций на основе анализа эволюции деформационных мезоструктур.