Изучены особенности формирования и развития динамических вихревых структур в материалах на различных структурных уровнях. Показано, что генерация таких структур может быть основным механизмом аккомодации материалов к внешнему механическому нагружению. На микроскопическом уровне формирование и эволюция вихревых динамических структур в процессе нагружения могут обеспечивать межзеренное проскальзывание, миграцию границ зерен с аномально высокими скоростями. на более высоких структурных уровнях вихревые динамические дефекты могут быть основным механизмом зарождения и распространения трещин, фрагментации материала, формирования "квазижидкого слоя" в парах трения и т.д. Результаты и выводы работы подтверждены численными расчетами, проведенными в рамках молекулярно-динамического подхода и подвижных клеточных автоматов, применительно к различным видам материалов.

На основе метода молекулярной динамики исследуются процессы, протекающие в нагруженном твердом теле. Показано, что формирование динамических вихревых структур возможно не только на стадии активного нагружения материала, но и на стадии релаксации напряжений. атомные смещения в этом случае могут формировать согласованную систему вихревых нитей. Установлено, что время жизни таких динамических дефектов может достигать десятков пикосекунд, а их характерные размеры составляют нанометры. Показано, что такая система вихревых нитей может менять знак угловой скорости таким образом, что наблюдаемые на разных интервалах времени атомные смещения практически компенсируют друг друга. Также отмечается, что формирование аналогичных динамических вихреподобных структур наблюдается и на активной стадии нагружения материала, но в этом случае оно не носит периодического характера.

На основе дискретно-континуального подхода рассмотрена модель механического взаимодействия в пятне контакта при трении скольжения. Проанализирован частотный спектр возникающих упругих волн, показано наличие частот, зависящих от шероховатости профиля взаимодействующих поверхностей. Анализ, выполненный с помощью Фурье- и вейвлет-преобразований, позволит выявить сложную структуру возникающих при трении упругих волн. Сделан вывод о том. что закономерности процесса изнашивания могут быть изучены на основе анализа соответствующих акустических спектров.

Упругие волны, генерируемые при контактном взаимодействии, рассматриваются как источник информации о процессе деформации и разрушения в зоне контакта. Развита методика численного анализа упругих волн на основе обработки зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений, регистрируемых в определенной точке тела. Показано, что вследствие динамической природы процесса трения для анализа регистрируемых сигналов даже в установившемся режиме, помимо преобразования Фурье, необходимо применять средства частотно-временнуго анализа.

Для описания миграции водорода в решетке Pd исследована суперъячейка Pd16H, в которой атом водорода перемещался между симметричными междоузлиями. В рамках приближения локальной плотности выполнены ab initio расчеты барьеров диффузии водорода в релаксированной и нерелаксированной решетке металла, а также рассчитан перенос заряда в процессе движения водорода. Сделан вывод о том, что миграция водорода в палладии происходит преимущественно по траектории: октапора - тетрапора - октапора.

В работе предложены общая модель и единый математический формализм описания неупругой деформации и разрушения различных твердых тел, как хрупких, так и пластичных, как процесса их эволюции в полях действующих сил. Нагружаемые твердые тела и среды описываются как нелинейные динамические системы. Одна из главных задач настоящей работы состоит в том, чтобы показать, что численные решения уравнений механики деформируемого твердого тела демонстрируют фундаментальные свойства нелинейных динамических систем — самоорганизованную критичность и наличие двух стадий эволюционного процесса (сравнительно медленной квазистационарной стадии и сверхбыстрой катастрофической — режима с обострением), если задача деформирования и разрушения прочной среды сформулирована как задача ее эволюции в полях действующих сил. Модель тестируется с помощью моделирования разрушения квазихрупких композитов при их осевом сжатии. Приведены также расчеты современных тектонических течений и сейсмического процесса в Центральной Азии, включая Байкальскую рифтовую зону и Алтае-Саянскую складчатую область. Показано, что численные решения всех рассматриваемых задач неупругого деформирования и разрушения нагружаемых сред демонстрируют свойство самоорганизованной критичности, включая особенности медленной динамики и пространственно-временную миграцию деформационной активности, а также развитие разрушения в две стадии — квазиравновесной стадии сравнительно медленного накопления средой повреждений и сверхбыстрого катастрофического режима. Расчетные сейсмические события выражают закон Гутенберга–Рихтера (закон повторяемости сейсмических событий).

Книга посвящена одному из современных методов исследований в материаловедении - моделированию атомной структуры дефектов. Включает в себя методически последовательное изложение взаимосвязанных разделов в физике реальных кристаллов, таких как структура и энергия точечных и планарных дефектов, структура ядра дислокаций, компьютерное моделирование взаимодействия дефектов, динамические процессы радиационных повреждений в металлах и сплавах; атомистические расчеты структуры основного состояния микрокластеров и кинетики их превращений и др. Перечисленные разделы являются достаточно устоявшимися направлениями в физике реальных кристаллов и ведены в курсы лекций для студентов физико-технического и металлургического факультетов УрФУ. Большое внимание уделяется связи результатов атомистических расчетов с особенностями поведения реальных металлов и сплавов при деформации, разрушении, радиационном повреждении, фазово-структурных превращениях. Систематизирован богатый литературный материал и результаты работы авторов по изучению дислокационной структуры, особенностей деформации и разрушения монокристаллического Ti3Al. Книга адресована научным работникам, магистрам, аспирантам и студентам старших курсов физико-технических специальностей, а также изучающим дефекты и их влияние на свойства твердых тел.

Рассмотрены некоторые условия возникновения и перераспределения нормальных и касательных напряжений в трущихся парах передач трением первого вида с помощью метода калибровочной теории дефектов. Получены аналитические зависимости для анализа нормальных и касательных напряжений в трущихся парах с учетом напряженно-деформированного состояния формирующегося между ними «третьего тела». Проведен анализ напряжений в трущейся паре передачи «шкив – ленточная пила».

На основе динамических уравнений полевой теории дефектов получены зависимости, описывающие кривые ползучести и связь внешне приложенного напряжения и времени до разрушения системы при разных режимах деформирования. Установлены закономерности изменения длительности процессов ползучести при варьировании внешних параметров, в качестве которых рассматриваются напряжения и начальная скорость деформации и характеристик материала - предельно допустимой деформации, определяющей разрушение.

Процесс изнашивания рассматривается как стохастический процесс, протекающий в поверхностных слоях контактирующих тел и включающий выкрашивание микрочастиц, их стохастический транспорт, а также процессы наносварки. Результаты исследования позволяют идентифицировать параметры макроскопической модели на основе моделирования процессов на наноуровне и тем самым осуществить переход от нано- к макроуровню.

Изложены основные идеи метода редукции размерности, показана его эффективность для моделирования трения эластомеров с произвольной линейной реологией и жесткой шероховатой поверхностью, имеющей фрактальный рельеф. Изучено влияние времени фиксации эластомера на жесткой поверхности перед началом тангенциального движения на статический коэффициент трения. Исследовано влияние гармонических осцилляций прижимающей нормальной силы на коэффициент трения при стационарном режиме скольжения.

В работе представлено обобщение метода построения регулярных сеток на трехмерную область на основе уравнений механики деформируемого твердого тела, описывающих деформацию конечного объема. Представлены расчеты разрушения керамических композитов с включениями на основе разработанной модели квазихрупкой среды с учетом накопления повреждений.

The regular grid generation method was generalized for a 3D region based on the solid mechanics equations that describe deformation of a finite volume. Test calculations of fracture of ceramic composites with inclusions are represented which are based on the developed model of quasi-brittle media with regard to damage accumulation.

В работе анализируются последовательности дефектов различной природы, возникающие в процессе деформации. Традиционно дефект рассматривается только как источник внутренних напряжений, поэтому процесс деформирования описывается фазовой кривой в пространстве двух измерений напряжение – деформация. Необходимо учесть, что дефект как локальная неоднородность обладает собственной энергией. Учет собственной энергии дефектов приводит к увеличению размерности фазового пространства, поскольку необходимо вводить параметры, характеризующие возникающие в процессе деформации дефектные структуры. Анализ потенциальной энергии деформируемой системы позволяет прояснить причину возникновения дефектов различной природы и ввести понятие деформационных уровней в фазовом пространстве. В этом случае в фазовом пространстве можно выделить деформационные уровни, вдоль которых при эволюции природа и количество параметров деформируемой системы не изменяются. Таким образом, переход деформируемой системы с одного деформационного уровня на другой связан с их качественными и количественными изменениями. В рамках развиваемых представлений процесс деформирования от упругости до разрушения описывается кривой в фазовом пространстве, размерность которого определится, помимо параметров напряжение – деформация, еще и параметрами возникающих в ходе деформации дефектных структур. Стандартная кривая напряжение – деформация является проекцией пространственной кривой фазового пространства на плоскость напряжение – деформация.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование поведения незамкнутых наноструктур, полученных самосворачиванием двухслойных наноразмерных пленок Ni-Cu с различной композицией внутренней структуры. В процессе самосворачивания наноразмерных пленок в отсутствие внешних воздействий ее края совершают слабозатухающие гармонические колебания. Установлены особенности влияния внутренней структуры исходной пленки на характеристики колебаний. Показано, что, меняя композицию слоев исходной пленки или насыщая ее дефектами структуры, можно целенаправленно менять амплитуду или частоту колебаний, либо обе эти характеристики одновременно. Изменение композиции слоев производится таким образом, что геометрические размеры моделируемой наноструктуры остаются практически неизменными. Полученные закономерности представляют интерес для исследования и разработок комплектующих узлов наноустройств различного типа и назначения.

Методы мезочастиц показали себя в последние годы эффективным средством дискретизации и моделирования механического поведения различных систем. Принципиальным недостатком этих методов является, однако, невозможность описания систем с различной, в особенности малой поперечной жесткостью. В настоящей работе показано, что эту трудность можно преодолеть, если использовать вместо двухчастичных потенциалов взаимодействия многочастичные потенциалы. Исходя из двухчастичного потенциала Леннарда-Джонса найдена явная форма многочастичного (зависящего от температуры) потенциала, позволяющего описывать системы с произвольной (вплоть до нулевой) поперечной жесткостью с сохранением всех известных преимуществ метода частиц. Предлагается также форма многочастичной диссипативной функции, удовлетворяющей общим свойствам симметрии.

The paper considers algorithms of automatic identification of vortex structures arising in a deformed solid. The initial vector fields characterizing the deformation of a solid are obtained by the digital image correlation method. Circulation and a functional related to vector and radius vector orthogonality are proposed for use as vortex identification criteria. The application of these criteria is considered on the example of model vector fields with rotational and irrotational vortices. The operation of the algorithms is exemplified by displacement fields for material flow in a silicon-manganese steel weld. The role of finite sizes of a sliding window is demonstrated. Additional criteria to assist vortex structure identification are proposed.

С использованием метода погруженного атома в квазигармоническом приближении рассчитаны энергии связи комплексов собственных точечных дефектов малых размеров в меди как функции температуры. Исследована роль температурных эффектов в реализации различных атомных конфигураций собственных точечных дефектов.

Обсуждается проблема учета вращения в рамках метода частиц. Показано, что учет поворота либо как самостоятельной степени свободы, либо через вращение окружения позволяет в рамках метода подвижных клеточных автоматов корректно описывать классическую сплошную среду. Для того чтобы описывать более сложные среды, например микрополярные, нужно реализовать оба способа учета поворота, при этом самостоятельную степень свободы рассматривать как независимый поворот. Ключевые слова: моделирование, метод частиц, механическое движение, вращение.

Методом проекционных присоединенных волн (PAW) в рамках теории функционала электронной плотности (DFT) изучена энергетика связи водорода с металлами IVB группы, а также взаимодействие водорода с примесями Зd-переходных и простых металлов (Al, Ga, Si, Ge). Установлено, что растворимость водорода в Ti, Zr и Hf увеличивается при их легировании металлами середины Зd-периода. Анализируется взаимосвязь между энергией взаимодействия водорода с примесью, искажениями решетки и электронной структурой исследуемых систем. Показано, что примеси не влияют на предпочтительность позиций сорбции водорода в титане, но могут изменять ее в цирконии и гафнии. Анализируется влияние примеси и водорода на электронную структуру металлов. Полученные результаты показали, что в изученных металлах взаимодействие водорода с примесями переходных и простых металлов определяются разными механизмами: притяжение водорода примесями переходных металлов обусловлено размерным эффектом, тогда как отталкивание водорода простыми металлами может быть связано с электронными факторами.

Изучены особенности поведения атомной системы в процессе самосворачивания двухслойных кристаллических пленок, имеющих наноразмеры по толщине. Расчеты проводились на основе метода молекулярной динамики для системы «медь – никель». Межатомное взаимодействие описывалось в рамках метода погруженного атома. Показано, что при самосворачивании в двухслойной кристаллической пленке генерируются вихреобразные упругие смещения атомных групп около ее свободных краев. Генерация таких атомных смещений обусловлена неоднородностью распределения напряжений в пленке, связанной с границей раздела кристаллических слоев из разных химических элементов и с близостью свободных поверхностей на краях моделируемой структуры. Вихревые атомные смещения являются динамическими дефектами. Их генерация является аккомодационным механизмом установления однородного распределения напряжений. В отсутствие сил внешнего сопротивления процесс самосворачивания может представлять слабозатухающие механические колебания краев пленки.

В работе показана возможность изучения закономерностей поведения и диагностики структуры и свойств поверхностных слоев и покрытий на основе спектрального анализа акустических колебаний и силы сопротивления при трении. Исследования проведены на наноскопическом масштабе с использованием численного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. Развита методика анализа упругих волн на основе обработки зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений, регистрируемых в определенной точке поверхности контртела. Идентифицированы основные пики на спектрах регистрируемых данных, обусловленные собственными частотами системы, геометрическими и адгезионными параметрами модели, а также шероховатостью взаимодействующих поверхностей. Показано, что спектры изменения давления в модели качественно подобны акустическим спектрам записи звука в реальном эксперименте. Теоретически обосновывается возможность применения трибоспектрального анализа на основе вычисления силы трения для диагностики неоднородностей и несплошностей наноскопического масштаба в поверхностном слое толщиной до 100 нм. Результаты изучения показали возможность оценки ряда параметров наноскопических несплошностей, таких как характерный пространственный период их расположения и линейные размеры. Обсуждаются области применения предложенного подхода как перспективного неразрушающего метода исследования поведения и диагностики структуры и поврежденности покрытий и поверхностных слоев наноскопической толщины.

На основе применения метода подвижных клеточных автоматов проведено компьютерное моделирование импульсного ударного воздействия на плоскую металлическую мишень. Анализируется структура упругих волн, возникающих при динамическом нагружении. Отмечается, что численный подход позволяет моделировать ситуации, которые чрезвычайно сложно исследовать в рамках аналитических подходов. Показано, что характеристики возбуждений, наблюдаемых в компьютерном эксперименте, находятся в соответствии с аналитическим описанием. Показана возможность образования повреждений как результата взаимодействия возмущений, инициированных удаленными источниками.

Изучено влияние напряженного состояния границ раздела структурных элементов блочной среды на ее деформационный отклик при динамических воздействиях. Показано, что приведенная величина сдвигового напряжения и среднее напряжение являются основными факторами, определяющими деформационный отклик границы раздела. Для аналитического описания зависимости величины инициированного необратимого смещения на границе от приведенного сдвигового напряжения предложено использовать логистическую функцию, центральная точка которой соответствует переходу от квазиупругой к квазипластической стадии сдвигового деформирования межблочной границы. Показана значимость полученных эмпирических зависимостей для понимания закономерностей накопления необратимых деформаций во фрагментах разломных зон и, в частности, для развития предложенного ранее авторами подхода к оценке характерного уровня действующих сдвиговых напряжений на отдельных участках тектонических разломов.

The paper studies how the stress state of the interface between structural elements in a block-structured medium affects its deformation response to dynamic loading. It is shown that the normalized shear stress and mean stress are the major factors that determine the deformation response of the interface. We propose to describe the dependence of the value of induced irreversible displacement at the interface on the normalized shear stress using a logistic function. The central point of this function is the point of transition from the quasi-elastic to quasi-plastic stage of the interface shear deformation. The obtained empirical dependences are important for understanding the mechanism of irreversible strain accumulation in fault zone fragments and, particularly, for the development of an earlier proposed approach to estimate the characteristic level of active shear stresses in separate tectonic fault regions.

Разработан дискретно-континуальный метод возбудимых клеточных автоматов для моделирования напряженно-деформированного состояния в вершинах трещин и надрезах с учетом кривизны кристаллической решетки и эффектов пластической дисторсии ионов из узлов решетки в междоузлия ее кривизны. Показано, что данный нелинейный подход определяет тип трещины и характер разрушения, предсказывает возможность развития на фрактограммах динамических ротаций и структурной турбулентности, позволяет описывать нелинейные волновые процессы структурных трансформаций в полосах локализованной деформации, где возникает микропористость и развиваются трещины продольного сдвига.

Исследована возможность генерации дефектов структуры в материалах с идеальной кристаллической решеткой в широком температурном интервале при динамическом нагружении. Расчеты проводились в рамках метода молекулярной динамики с применением многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия, полученных в приближении метода погруженного атома. Показано, что тепловые флуктуации могут приводить к скачкообразному зарождению дефектов в материалах с идеальной структурой при высокоскоростной деформации. Исследованы особенности зарождения дефектов структуры в зависимости от температуры для различных условий нагружения.

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.

Сделан обзор по моделированию особенностей образования первичной радиационной повреждаемости (ПРП) и формирования радиационных дефектов каскадами атомных смещений. Приведены результаты моделирования методом молекулярной динамики каскадов атомных смещений и особенностей их взаимодействия с дефектами внутренней кристаллической структуры металлов (точечными дефектами, порами, дислокациями, границами зёрен (ГЗ), свободными поверхностями). Показано, что дефекты оказывают существенное влияние на эволюцию каскадов атомных смещений и формирование ПРП металлов.

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.

Исследовано влияние низкотемпературных отжигов на структуру и свойства порошка ZrO2-Y2O3, полученного методом обратного химического осаждения. Показано, что увеличение температуры отжига приводит к уменьшению среднего размера частиц, изначально представляющих собой пористые агломераты с большой удельной поверхностью, до монолитных полидоменных частиц, размеры которых соизмеримы с размерами кристаллитов. Рост зерна в системе ZrO2-Y2O3 при отжиге определяется поверхностной диффузией.

Путем компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов проведено теоретическое изучение отклика активных границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов0 на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Результаты расчетов подтвердили выводы, сделанные по данным натурных испытаний, а также позволили выявить роль каждого из факторов в изменении характера отклика разлома, что может быть использовано для однозначного объяснения обнаруженных экспериментально эффектов. На основе результатов моделирования и экспериментальных данных разработан конкретный способ реализации предложенного подхода к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмооактивных разломов, основанный на применении электроразрядных технологий.

В книге рассмотрены физические процессы, вызывающие внутреннее трение в полупроводниках. Описаны конструкции установок, методы исследования внутреннего трения и их результаты для кремния, германия, арсенида галлия, сернистого цинка. Приведены данные о частотной, температурной и амплитудной зависимости внутреннего трения. На их основе вычисляются энергии активации образования и перемещения вакансий и дислокация, диффузии примесей, примесных и вакансионных комплексов, которые обсуждаются в соответствии с современными представлениями о дефектах в полупроводниках.Монография предназначена для научных сотрудников и научно-технических работников по физике полупроводников, полупроводниковой электронике, материаловедению, акустоэлектронике и может быть использована студентами и аспирантами соответствующих специальностей.

В работе исследуется отклик материала с системой пор различного масштаба на высокоскоростную сдвиговую деформацию. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом частиц. На атомном уровне это метод молекулярной динамики, на мезомасштабном уровне - метод подвижных клеточных автоматов. Показано, что в процессе деформации такого материала формируются динамические дефекты вихревого типа. Этот процесс характеризуется тремя стадиями. Первая стадия связана с преимущественно ламинарным характером смещений атомов или элементов среды в областях, прилегающих к нагруженным слоям. Особенность второй стадии заключается в формировании согласованного вихреподобного движения атомов и элементов среды в области между порами. При этом наблюдается периодичность формирования и распада вихревого движения. Для атомного уровня период такого процесса составляет порядка нескольких пикосекунд. Для бoльшего масштаба длительность второй стадии и особенности ее проявления определяются свойствами модельного материала. Третья стадия на атомном уровне связана с потерей устойчивости атомной структуры и формированием полос локализованной деформации. Это сопровождается рассогласованием вихревого движения атомов в области между нанопорами. На мезомасштабном уровне третья стадия сопровождается разрушением материала. Полученные результаты могут иметь практическое приложение при анализе поведения материалов, подверженных, например, радиационному облучению в условиях динамического воздействия.

Изучалась генерация звука при трении скольжения в отсутствие смазки. Одновременно с параметрами звука измеряли коэффициент рения. Установлена корреляция между силой звука, спектром звучания трибоузла и коэффициентом трения. Показано, что не только триботехнические свойства материалов влияют на характеристики звукового сигнала, но и возможно обратное влияние - устранение упругих колебаний в сопряжении, сопровождающихся звуком, приводит к снижению коэффициента трения.

В книге изложена теория строения молекул и химической связи. Кратко рассмотрена квантовомеханическая теория водородоподобного и многоэлектронных атомов. При изложении квантовомеханической теории химической связи и строения молекул использован метод молекулярных орбиталей. Описаны во взаимной связи электронное строение и свойства двухатомных и простых неорганических молекул, координационных и ароматических соединений и полиенов, а также межмолекулярное взаимодействие.