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

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

Методами молекулярной динамики исследованы атомные механизмы зарождения пластической деформации в кристаллических материалах (на примере кристалла меди). Тепловые флуктуации могут являться причиной генерации дефектов структуры. Существует некоторое пороговое значение деформации, при котором происходит практически скачкообразный рост областей с локальными структурными изменениями (протодефектов). Исследована роль локального избыточного объема и особенности зарождения протодефектов в предварительно нагруженном кристаллите.

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

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

На основе уравнений полевой теории дефектов с использованием кинематических тождеств для упругого континуума с дефектами и динамических уравнений калибровочной теории рассмотрены закономерности распространения плоских гармонических волн в вязкоупругих и упруговязкопластических средах. Определены скорости распространения волн, показатели преломления и поглощения. Проанализированы структура волн и особенности корреляции волн смещений и волн поля дефектов, определяющих пластическую деформацию.

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.

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

В рамках полевой теории дефектов получено соотношение, описывающее эволюцию пластической деформации под действием приложенных напряжений, которое использовано для анализа закономерностей деформирования при циклическом знакопеременном нагружении. Исследовано влияние амплитуды приложенных напряжений, частоты нагружения и коэффициента асимметрии цикла на процесс деформирования при одноосном нагружении. Рассмотрены особенности эволюции пластической деформации в случае устойчивого процесса деформирования и определено время до разрушения системы в случае неустойчивого процесса.

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

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.

Методами лазерной спекл-интерферометрии и профилирования поверхности исследована эволюция локализации пластической деформации при одноосном растяжении ГПУ циркониевых сплавов. Установлено, что возникновение колебательной неустойчивости на параболической стадии пластического течения сплавов циркония связано с началом локального неоднородного геометрического изменения формы деформируемого образца. Показано, что кинетика процесса прогрессирующего уменьшения поперечного сечения образца имеет нелинейный характер и определяется колебательным изменением деформаций сужения и удлинения в очаге макролокализации в режиме "упрочнение-разупрочнение".

Исследованы картины локализации пластического течения в щелочно-галоидных кристаллах при сжатии. Установлены основные пространственно-временные закономерности локализации деформации на стадиях деформационного упрочнения в таких монокристаллах. Прослежена связь ориентировки очагов локализованной деформации с кристаллографией систем скольжения исследуемых образцов на начальных стадиях пластической деформации. Определена скорость движения очагов локализованной деформации при сжатии.

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

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.

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

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

В работе рассмотрены закономерности деформации и разрушения на мезоуровне материалов с покрытиями при различных схемах нагружения, полученные с применением оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. Показано, что зарождение в покрытии (поверхностном упрочненном слое) трещин и фрагментированной мезоструктуры в объеме материала подложки происходит около базового концентратора напряжений у головки образца и развивается вдоль образца как нелинейный волновой процесс. Его характер существенно зависит от геометрии границы раздела «покрытие (упрочненный поверхностный слой) – подложка». Сформулирован качественный критерий усталостного предразрушения при знакопеременном циклическом изгибе. Показано, что при циклическом нагружении композиции с более твердым покрытием определяющую роль играют возникновение зон концентрации напряжений и локализация деформации на границе раздела «покрытие – основа». Сформулированы рекомендации по оптимизации режимов формирования покрытий.

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

В работе исследуются условия возникновения и особенности проявления согласованного движения большого количества атомов вблизи свободной поверхности нагруженного кристалла. Отмечаются особенности инициации согласованного коллективного движения частиц как элемента самоорганизации при зарождении и развитии пластической деформации. Описываются результаты моделирования трехмерного кристаллита меди со свободными границами, подвергнутого одноосному сжатию, и исследуются процессы, протекающие в таком кристаллите как на активной стадии нагружения, так и на начальном этапе процесса релаксации. Показано, что развитие пластической деформации проявляется в виде распространения полос локализации атомных смещений от свободной поверхности вглубь материала. В работе отмечается, что аккомодационные процессы в материале в условиях высокоскоростного нагружения являются инерционными и продолжают активно протекать после снятия внешнего воздействия. Кроме того, показано, что в нагруженном материале могут возникать динамические периодически формирующиеся согласованные коллективные смещения атомов вихреобразного характера, выступающие в роли своеобразных сбросов напряжений в упругой области. Проанализированы результаты моделирования нелинейного поведения материалов, содержащих систему микропор в условиях высокоскоростного нагружения. Обнаружено, что при определенной ориентации микропор внутри кристаллита может реализоваться согласованное «вихреподобное» движение ансамбля атомов. Показано, что внутренние поверхности, наряду с внешними, являются концентраторами зарождения полос локализации атомных смещений.

В работе изложена процедура численного описания поведения упруго-хрупкопластичных материалов. Отмечены основные трудности, возникающие при численном моделировании поведения таких материалов под действием нагрузок, и методы их решения. Кратко описаны некоторые алгоритмы, как известные в литературе, так и разработанные автором, с использованием которых был решен ряд задач. Представлены некоторые результаты расчетов локализации деформации и разрушения геоматериалов.

Проведены исследования деформации и разрушения металлокерамических композитов при различных схемах нагружения. Показано, что в условиях, далеких от превращения, материал деформируется как обычный кристалл дислокационным скольжением. При этом предел текучести обратно пропорционален расстоянию между карбидами и в сплавах с высоким содержанием твердой фазы не достигается вплоть до разрушения. Разрушение материала катастрофически хрупкое. Исследования деформации композитов вблизи температуры структурного перехода показали, что наблюдаются разнообразные превращения, обусловленные сильно неоднородным напряженным состоянием связующей фазы. При нагружении в связующей фазе реализуется схема превращения В2 -> В2 + В19 -> В2 + «квазиаморфное состояние» с образованием мелкокристаллической, сильно разориентированной структуры с характерным размером кристаллитов менее 10 нм. Данная структура обладает высокой пластичностью и упрочнением и обусловливает эффективную передачу внешней нагрузки на упрочнитель, вызывая при этом даже в типично хрупких частицах карбида титана дислокационное скольжение. Физический смысл применения структурно-неустойчивых связок в композитах состоит в понижении масштаба структурного уровня пластической деформации за счет формирования в процессе неоднородного нагружения микрокристаллической структуры связующей фазы.

Исследованы структурно-фазовые состояния поверхностны слоев никелида титана с покрытиями из молибдена толщиной 200 и 500 нм, сформированных методом магнетронного напыления. Обсуждаются особенности тонкой атомно-кристаллической структуры материала в покрытии и прилежащих к нему слоях подложки. определен характер микродеформации кристаллической решетки молибдена, изучены закономерности ее изменения по толщине покрытия. установлено, что кристаллическая решетка молибдена в покрытии характеризуется наличием ориентированных микродеформаций разных знаков: сжатия вдоль поверхности образца и растяжения по нормали к ней. Кристаллическая структура В2-фазы никелида титана в области, сопряженной с покрытием, имеет увеличенный параметр элементарной ячейки.

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.

Рассмотрена локализация пластического течения в моно- и поликристаллических образцах из кремнистого железа при одинаковых условиях деформирования растяжением. Картины локализации деформации проанализированы на стадиях линейного и параболического деформационного упрочнения, а также при переходе к образованию шейки и стадии вязкого разрушения. Проведено сравнение картин локализации деформации для моно- и поликристаллического состояний сплава.

Сопоставлены параметры макролокализации пластической деформации и параметры соотношения Холла-Петча для напряжения течения в образцах их поликристаллического алюминия с размером зерна от 0.008 до 5 mm. Установлено существование двух вариантов зависимости длины автоволны локализованной деформации от размера зерна с одной стороны и двух вариантов соотношения Холла-Петча с другой в исследованном диапазоне размеров зерен. Прослежена связь картин локализации пластического течения с соотношением Холла-Петча.

В работе рассматривается задача ударного нагружения анизотропных алюминиевых преград изотропным стальным ударником при скоростях нагружения 200 м/с, 300 м/с и 600 м/с. Исследуется влияние учета анизотропии упругих, пластических и прочностных характеристик материала преграды на изменение волновой картины ее напряженного состояния. Задача решается численно методом конечных элементов в трехмерной постановке. Деформирование стального изотропного ударника происходит согласно модели упругопластического течения Прандтля-Рейсса. деформация анизотропного материала преграды рассчитывается по обобщенному закону Гука в области упругой деформации, на основе теории течения - в области пластической деформации. В качестве критерия разрушения анизотропного материала преграды используется критерий разрушения Мизеса-Хилла. Численным моделированием процесса деформации преграды из алюминиевого сплава Д16Т показано влияние учета сниженных механических свойств преграды по толщине по сравнению с прочностными характеристиками в плоскости проката.

Исследованы механизмы пластической деформации на мезомасштабном уровне плоских образцов поликристаллов алюминия с использованием оптико-телевизионной системы высокого разрешения TOMSC-1. Показано, что в деформируемом образце формируется многоуровневая мезополосовая структура, приводящая к возникновению двух типов стационарных волн длиной 120 мкм и 4,8 мкм. Результаты интерпретируются в рамках иерархии мезомасштабных уровней деформации и связываются с определяющей ролью поверхностной окисной пленки в возникновении мезополосовой структуры и стационарных волн пластического течения.

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.

Исследуется роль поверхностного слоя в развитии пластической деформации на наноструктурном уровне в условиях динамического нагружения. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что начало процесса локализации деформации непосредственно связано с потерей структурной устойчивости в поверхностных слоях, формированием зон локализации на поверхности и их распространением вглубь материала. Этому предшествуют рассогласованные смещения атомов в приповерхностных областях. Полученные результаты согласуются с известными экспериментальными данными и наглядно подтверждают особую роль поверхностного слоя в формировании и развитии процессов пластической деформации материалов.

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.

Прочная связь между частицами динамически спрессованного порошка образуется при создании в зоне контакта области высокофрагментированной микроструктуры за счет интенсивной пластической деформации. Создание такой микроструктуры на максимальной поверхности прессуемых частиц возможно при оптимизации схемы прессования, размера частиц порошка и при учете механизма диссипации энергии в зоне контакта.

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.

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 особенности прерывистой текучести в сталях Х23АГ19Ф и Х20АГ20Ф3 в зависимости от скорости и температуры испытаний. Установлено, что неустойчивость пластической деформации проявляется в широких интервалах скоростей и температур деформирования. Предполагаемым механизмом прерывистой текучести является двойникование и растрескивание в двойниках отжига, ориентированных перпендикулярно направлению растяжения.??.

Проведен анализ процессов структурообразования при больших высокоскоростных деформациях. Найдены значения деформаций, исходные характеристики материала, определяемые как его природой, так и степенью дефектности, при которых активно развивается фрагментация структуры.????.

В учебном пособии, написанном известным специалистом из Германии, имеющим многолетнюю преподавательскую практику, изложены основы современного материаловедения. При этом в полной мере использованы фундаментальные понятия, представления и закономерности из других областей знаний - физики, химии, математики, а также кристаллографии и металлургии. Рассмотрены различные модели, в том числе на основе фазовых диаграмм и теории химической связи. Большое внимание уделено применению термодинамических подходов при изучении материалов. Подробно обсуждаются теория дефектов в кристаллических твердых телах, процессы кристаллизации и рекристаллизации, способы управления составом композиционных материалов, структурная организация в стеклах и полимерах. Книга очень хорошо иллюстрирована. Для студентов и аспирантов университетов, а также других вузов, готовящих специалистов в области наук о материалах.