Представлены основные положения физической мезомеханики структурно-неоднородных сред, которая развивается на базе совместных подходов неравновесной термодинамики, калибровочной теории дефектов и механики сред со структурой. Многоуровневый подход рассматривает развитие пластической деформации во всей иерархии структурно-масштабных уровней: нано-, микро-, мезо- и макро. Разрушение представляется как завершающая стадия возрастная неравновесности деформируемого твердого тела, когда в некоторой зоне неравновесный термодинамический потенциал Гиббса становится равным нулю и кристалл испытывает структурно-фазовый распад.

Развиты основные положения многоуровневого описания деформируемого твердого тела как нелинейной иерархически организованной системы. Первичное пластическое течение развивается в 2D планарной подсистеме (поверхностные слои и все внутренние границы раздела), создавая многоуровневые эффекты кривизны решетки 3D кристаллической подсистемы. Эти эффекты лежат в основе генерации деформационных дефектов всех типов на интерфейсах 2D- и ЗD-подсистем, возникновения бифуркационных межузельных структурных состояний, которые обусловливают вихревую пластическую дисторсию, развитие кривизны нелинейных потоков структурных трансформаций на мезомасштабных уровнях и определяют нелинейную механику разрушения как структурно-фазового распада твердого тела в зонах закритической кривизны его кристаллической структуры. Приведены основы нелинейной теории представленного многоуровневого описания.

The paper presents basic propositions for multiscale description of a deformed solid as a hierarchically organized nonlinear system consisting of a 3D crystal subsystem and a 2D planar subsystem (surface layers and all internal interfaces). The 2D planar subsystem is a source of primary plastic flows which create multiscale effects of lattice curvature in the 3D crystal subsystem. These effects underlie the generation of all types of strain-induced defects in a solid at the interfaces of its 2D and 3D subsystems and the formation of bifiircational interstitial structural states responsible for v ortical plastic distortion, curvature of nonlinear flows of mesoscale structural transformations, and nonlinear fracture as structural phase decomposition in supercritical lattice curvature zones. Basic aspects of the multiscale nonlinear theory are considered.

Представлен обзор работ авторов, в которых рассмотрены физические основы многоуровневой нелинейной механики разрушения. На основе калибровочной теории дефектов получены волновые уравнения, которые предсказывают возможность развития трещины в виде нелинейного волнового процесса. В условиях взкого разрушения нелинейные волны разрушения диспергируют, формируя локальные мезовихри в виде динамических ротаций. Пприводятся экспериментальные данные, подтверждающие предсказания волновой теории. Развитие разрушения связывается со структурно-фазовым распадом деформируемого кристалла в зонах сильной его кривизны.

На основе совместных подходов физической мезомеханики и неравновесной термодинамики рассмотрены механизмы возникновения в деформируемом твердом теле как многоуровневой системе нелинейных волн локализованного пластического течения и разрушения. Показано, что в основе возникновения нелинейных волн локализованного пластического течения лежит самоорганизация каналированных на мезомасштабном уровне потоков локальных структурных превращений, развивающихся на наномасштабном уровне. В условиях деформационного упрочнения бегущие волны локализованного пластического течения трансформируются в фазовые волны стационарной макролокализации, сопровождаемые фазовыми волнами разрушения. В структурно неоднородной среде в иерархии мезомасштабных уровней распространение каналированных локальных структурных превращений сопровождается генерацией дислокаций, мезополос сдвига и других деформационных дефектов. Эти механизмы деформации определяют диссипативную составляющую общего процесса пластического течения твердых тел. Предложена теория нелинейных волновых процессов локализованного пластического течения в деформируемом твердом теле, которая хорошо согласуется с известными в литературе экспериментальными результатами.

Показано, что в поверхностных слоях поликристаллов титана, алюминия, свинца и сплавов на его основе при знакопеременном изгибе формируется многоуровневая мезосубструктура, которая определяет зарождение поверхностных усталостных трещин. Характер мезосубструктуры и размеры ее структурных элементов определяются сдвиговой устойчивостью внутренней структуры поверхностного слоя и упругими характеристиками материала основы. Обсуждение проводится на основе теории волн локализованной неупругой деформации В. Е. Егорушкина.

При растяжении в широкой области температур поликристаллов свинцовых сплавов, существенно различающихся состоянием объемов и границ зерен, показано, что на характер зависимости сопротивления деформированию от величины зерна значительное влияние оказывает развитие поворотных мод деформации на различных масштабных уровнях. Полученный результат необходимо учитывать при интерпретации параметров уравнения Холла-Петча в представлениях многоуровневого подхода физической мезомеханики.

В работе проведено моделирование в трехмерной постановке поведения структурно-неоднородных материалов поликристаллического и композиционного типов в условиях квазистатического растяжения. Для введения в расчеты структуры мезоскопического масштаба (зерна, включения) применена процедура генерации структур поликристаллического и композиционного типов, сходных с экспериментальными по количественным и качественным характеристикам. На основе концепций физической мезомеханики проведен анализ напряженно-деформированного состояния в объеме и на поверхности исследуемых материалов. Исследовано напряженно-деформированное состояние в различных сечениях мезообъемов и эволюция пластической деформации на начальных стадиях пластического течения. На основе результатов моделирования сделаны выводы относительно особенностей пластической деформации в трехмерных структурах на мезо- и макроуровнях. На примере композиционной структуры исследован вопрос о степени соответствия двумерных и трехмерных моделей на мезоуровне в случае явного учета мезоструктуры. Для этого проведен сравнительный анализ трехмерных и двумерных расчетов в постановке плоской деформации и плоского напряженного состояния.

В настоящем сборнике представлены материалы Всероссийской конференции "Деформирование и разрушение структурно-неоднородных сред и конструкций", в которых освещены актуальные проблемы механики деформируемого твердого тела: деформирование неоднородных тел при ползучести, прочность и разрушение неоднородных тел и конструкций, деформирование и разрушение горных пород, необратимое деформирование и конечные деформации сред и конструкций, динамические задачи и вычислительные методы механики неоднородных тел.

На базе представлений физической мезомеханики исследована связь эффектов электрической поляризации при сжатии монокристаллов LiF с масштабными уровнями локализации пластического течения. Существует четкая корреляция между скоростью изменения электрических сигналов и стадиями развития локализованных сдвигов в объеме монокристалла. Масштабные уровни локализации пластической деформации ионного кристалла при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Обсуждается возможность использования выявленного эффекта для предсказания землетрясений.

В книге излагается предельно простая (но без потери общности) авторская версия нелинейной теории упругости. Использование новых граничных условий и законов упругости дало возможность получать точные решения краевых двумерных задач (плоская задача, антиплоская деформация, осесимметричная деформация тел вращения, тонкие пластины). Основное внимание уделено актуальным сингулярным проблемам механики и физики твердого тела (теория трещин, дислокации, физическая мезомеханика и сосредоточенные воздействия). Предложенный автором элементарный метод расчленения граничных условий и условий сопряжения позволил снабдить книгу большим числом решенных актуальных задач нелинейной механики и физики твердого тела. Введены разрешающие статические и дисторсионные функции, удовлетворяющие компактной разрешающей системе координат. Выявлены статически и дисторсионно разрешимые задачи, пригодные для произвольного материала. Книга предназначена для специалистов, работающих в области механики и физики твердого тела, студентов, аспирантов, а также всех желающих ознакомиться (глазами автора монографии ) с современным состоянием дел в этой быстро развивающейся области нелинейной механики и физики твердого тела. Метод изложения, надеюсь, не вызовет больших трудностей при ознакомлении с содержанием книги.

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

Для анализа деформации твердых тел предложено использовать одновременно три in situ метода регистрации данных, включая диаграмму нагружения (макромасштабный уровень), корреляцию цифровых изображений (мезомасштабный уровень) и акустическую эмиссию (микромасштабный уровень). Реализован комплекс in situ исследования процессов деформации и разрушения, принцип действия которого основан на установлении взаимосвязи длительности характерных стадий изменения информативных параметров и их соотношения с лидирующим масштабным уровнем. на примере растяжения образцов алюминиевого сплава Д16 с надрезом различной глубины выделены характерные стадии изменения производной приложенной нагрузки, активности АЭ и интенсивности деформации сдвига от степени деформации. Показано, что характерные стадии, выделяемые на графиках изменения всех информативных параметров от времени, хорошо согласуются между собой и относятся к упругой деформации, параболическому упрочнению и распространению трещины.

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

Предлагается физическая и математическая модель, позволяющая конструировать функционально градиентные материалы, в том числе и пористые, исследовать их деформирование и разрушение при интенсивных импульсных нагрузках. На основе развиваемых в работе представлений, базирующихся на теории мезоскопических явлений академика В. Е. Панина, проведено численное исследование особенностей распространения ударных волн и трансформации энергии падающего импульса в материалах с градиентным распределением физико-механических свойств. Проведены тестовые расчеты по оценке достоверности изложенной модели.

Теоретически и экспериментально показано, что распространение трещины в условиях хрупкого и хрупковязкого разрушения твердых тел есть нелинейный волновой процесс. Описано влияние структурно-фазового состояния материала и жесткости напряженно-деформированного состояния образца на тип трещины (нормального отрыва, поперечного или продольного сдвига и характер волнового процесса разрушения).

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.

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.

Представлен краткий обзор экспериментальных и теоретических исследований разрушения хрупких и пластичных тел и сред, включая геоматериалы и геосреды, неопровержимо свидетельствующих об иерархичности и самоподобии процессов их деформации и разрушения. Показано, что принцип универсальной делимости геоматериалов и геосред может быть продолжен на мезо- и микроуровни, на которых сохраняется (а точнее сказать, с которых начинается) самоподобие процесса их деструкции, установленное для макрообъектов. Показано также, что этот принцип может быть распространен и на пластичные материалы и среды. Обсуждается соображение, что альтернативу статистическим методам анализа разрушения и деформации может составить общая теория систем.

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.

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.

Приведен краткий обзор фундаментальных (общих) свойств эволюции нелинейных динамических систем. Выполнено численное моделирование процесса эволюции напряженно-деформированного состояния в горном массиве с выработками, включая катастрофический этап обрушения кровли. Анализ результатов моделирования катастрофических разрушений элементов горного массива выполнен с позиций теории нелинейных динамических систем. Показано, что решения уравнений механики деформируемого твердого тела демонстрируют все характерные черты и особенности эволюции нелинейных динамических систем, включая состояние динамического хаоса, самоорганизованной критичности, катастрофического сверхбыстрого этапа эволюции напряженно-деформированного состояния на заключительной стадии разрушения. Расчетные сейсмические события отвечают закону Гутенберга-Рихтера. В численных расчетах получен эффект cut-off (загиб графика повторяемости вниз в области сильных крупномасштабных разрушений). Перед катастрофическим разрушением наблюдаются изменение графиков функции плотности вероятности флуктуаций напряжений от среднего тренда, уменьшение наклона графика повторяемости расчетных сейсмических событий, формирование областей сейсмического затишья в центральных областях зависшего пролета кровли и переключение активности деформационного процесса на периферию в области сопряжения выработанного пространства с целиком. Эти признаки свидетельствуют об увеличении вероятности катастрофы, и их можно рассматривать как предвестники катастрофического разрушения.

В настоящей книге представлено современное состояние теории нелинейных колебаний и волн. С единой точки зрения рассматриваются колебательные и волновые процессы, как периодические, так и хаотические, в системах самой различной физической природы. Показано, что такие популярные и быстро развивающиеся в последние годы науки, как нелинейная динамика, теория солитонов и синергетика. которые часто изучаются независимо друг от друга, фактически являются составными частями теории колебаний и волн. На ряде примеров демонстрируется. что эта теория отражает наиболее общие законы природы, справедливые для систем, являющихся объектами изучения различных наук: физики, химии, биологии и т. д. Единство колебательных законов позволяет строить простые модели сложных систем, которые, в свою очередь, позволяют прояснить общие свойства изучаемых систем и предсказать их поведение в конкретных условиях. Кроме классических колебательных и волновых явлений в книге рассматриваются нетрадиционные проблем шумоиндуцированных колебаний и турбулентности. Книга предназначается для специалистов в области теории нелинейных колебаний и волн, научных работников и инженеров, чья деятельность связана с исследованием колебательных и волновых процессов; а также аспирантов и студентов старших курсов для углубленного изучения общих законов теории колебаний и волн и их приложений к конкретным системам.

Монография содержит оригинальные результаты фундаментальных исследований по комплексной проблеме «Распространение оптических волн в атмосфере». Рассмотрены основные принципы дистанционных методов измерения скорости в газовых потоках. Представлены результаты разработки и экспериментальной апробации методов оценки турбулентных характеристик из измерений скорости ветра с помощью 2- и 10,6-мкм лидаров. Изложены актуальные вопросы теории видения. Приведены результаты исследований коррекции искажений оптического излучения за счет турбулентной атмосферы. Описаны наиболее характерные ситуации в атмосфере, когда необходимо учитывать нелинейно-оптические эффекты при распространении лазерного излучения. Представлены результаты расчетов распространения мощного лазерного излучения на протяженной трассе в стратосфере в условиях проявления эффекта вынужденного комбинационного рассеяния. Излагаются результаты многолетних экспериментальных исследований свойств атмосферной турбулентности в анизотропном пограничном слое. Обсуждается применение лидаров белого света для зондирования атмосферы. Книга предназначена для специалистов, работающих в области оптики и физики атмосферы, будет полезна аспирантам и студентам вузов.

На широком круге металлов и сплавов исследованы возникновение и временная эволюция упорядоченных в пространстве картин локализации пластической деформации - волн. Установлены основные характеристики этих волн: зависимость скорости распространения от коэффициента деформационного упрочнения, закон дисперсии, зависимости длины волны от размеров зерен и размер образцов. Рассмотрена возможность описания локализации пластического течения как процесса самоорганизации в деформируемой среде. Получены уравнения, необходимые для описания эволюции очагов локализации пластического течения. Проанализирован переход между картинами локализации деформации на разных стадиях пластического течения. Предложена модель для объяснения крупномасштабной периодичности в распределении очагов локализации деформации.

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.

Проведены исследования деформирования пористой керамики на основе нанокристаллического диоксида циркония. Показано, что накопление микроповреждений носит пороговый характер и после локального разрушения материал продолжает деформироваться по прежнему закону. Существует прямая корреляция между макронапряжениями и локальными (мезоскопическими) параметрами распределения деформаций, области равномерного накопления деформации чередуются с ее резкими изменениями, приводящими сначала к локальному, а затем к макроразрушению всего материала.