Выдающийся ученый в области физического материаловедения, физики и механики деформируемого твердого тела, академик РАН, профессор, доктор физико-математических наук, научный руководитель Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук.

Книга написана к 100-летию академика Г. И. Будкера и к 60-летию основанного им Института ядерной физики СО РАН. Юбилей стал хорошим поводом рассказать о самом крупном и самом необычном институте в Российской академии наук. Вот уже 60 лет ИЯФ живет по принципу единства, без административных барьеров и бюрократических преград. Знаменитая система Круглого стола, придуманная для дебюрократизации управления создателем ИЯФ академиком Будкером, до сих пор успешно работает и позволяет придерживаться коллегиального принятия решений. Книга поможет понять, почему именно в Сибири родились многие научные направления, как институт стал полноправным участником фактически всех международных коллабораций в области физики элементарных частиц, каким образом в наши дни удается найти талантливых ребят и вырастить из них исследователей, как нестандартные решения приводят к научным открытиям. Книга предназначена широкому кругу читателей - научной общественности, преподавателям, студентам, школьникам. Словом, всем, кто интересуется историей науки, в первую очередь - сибирской.

Впервые с единых позиций рассмотрены вопросы формирования новой науки о материалах - материалогии. В отличие от других учебных пособий и учебников в предлагаемой работе на базе единой концептуальной основы последовательно рассматриваются основные разделы материалогии - состав, структура, свойства материалов, разработка, получение и обработка начиная с минерального сырья и до готового изделия. Изложение и обоснование новой науки ведется через рассмотрение развития наук о материалах с древнейших времен и до настоящего времени с использованием исторического и системного подходов, что позволяет показать векторы развития наук о материалах и необходимость создания интеграционной науки - материалогии. Излагается новая концепция изучения науки о материалах, основанная на предложенных авторами собственных определений материалогии и ее классификации, а также на учении Т. Куна о смене парадигм в развитии науки и синергетики, используется исторический подход к рассмотрению развития материалогии как последовательного изменения ее парадигм. Авторы предприняли попытку системно изложить собственное видение смены основных этапов, которые происходили и происходят ныне в науке о материалах, и необходимости на данном этапе создания интеграционной науки - материалогии. Становление и развитие науки прослеживается как непрерывный процесс познания структуры вещества и материала, физико-химических основ их получения и обработки, направленных на создание материалов с заданными свойствами на основе достижений физики и химии твердого тела, материаловедения. металлургии и технологии материалов. Издание предназначен для студентов, аспирантов, обучающихся по направлениям "Материаловедение и технология новых материалов", "Физико-химические методы исследования процессов м материалов" и может быть использовано инженерами, научными сотрудниками и преподавателями.

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.

Дан обзор исследований, выполненных за последние 15 лет на стыке физики и механики деформируемого твердого тела на основе новых представлений о пластической деформации и разрушении как эволюции потери сдвиговой устойчивости нагруженного материала на различных масштабных уровнях. Эти исследования привели к созданию нового научного направления — физической мезомеханики материалов, которая рассматривает деформируемое твердое тело как многоуровневую самоорганизующуюся систему. Развитие механизмов и стадийности пластической деформации на различных масштабных уровнях подчиняется принципу масштабной инвариантности. Это качественно изменяет методы описания процессов пластической деформации и разрушения твердых тел. Указаны области исследований, которые являются в настоящее время наиболее актуальными в физической мезомеханике материалов и должны определить основные направления работ в науке о прочности твердых тел в ближайшие десятилетия.

Представлены пути коммерциализации разработок в академическом институе. Проанализировано состояние инновационной деятельности в ИХН СО РАН.

Обсуждается состояние проблемы определения амплитуды и фазы сигнала применительно к анализу полосчатых картин типа интерферограмм. Выделены две задачи, имеющие как теоретическую. так и практическую значимость: условия существования двухполосного спектра у действительного сигнала и оптимальное вычисление преобразования Гильберта. Приводятся конструктивные результаты.

Рассматриваются методологические аспекты проблемы спонтанной самоорганизации систем различной природы: неопределенность и упорядоченность в их развитии, целесообразность развития и закономерное стремление систем к равновесию. Предложено общее уравнение закономерности и прослеживается ее проявление в формировании различных систем: планет, почвогрунтов, поймы рек, морских и озерных берегов, биологических, социально-экономических и технических. Анализируются особенности саморегуляции систем различной природы.

Лесоболотные экотоны, отражающие тенденции процесса заболачивания, рассматриваются как части ландшафтной структуры территории. Закономерности трансформации компонентов экотонов есть и следствие пространственного взаимодействия лесных и болотных систем. и условие их воспроизводства. Это "глобальное" свойство экотонов - воспроизводство в строении функциональных связей и отношений - позволяет провести их типизацию и использовать совместно с болотными критериями для экологического прогноза интенсивности заболачивания конкретных территорий.

Приведены краткие сведения и технические характеристики приборов, устройств. систем и комплексов. которые создавались в ИОМ СО РАН в течение 30 лет для исследования оптико-метеорологических параметров атмосферы и могут быть использованы в задачах экологического и метеорологического мониторинга окружающей среды. Рассмотрены проблемы. связанные с метрологическим обеспечением создаваемых приборов и методик выполнения измерений.

Обобщены результаты научных исследований и разработок, выполненных в ИОМ СО РАН за 30-летний период, по развитию технических средств и технологий лазерного и акустического зондирования окружающей среды, перспективных с точки зрения дистанционности и оперативности при определении профилей аэрозольных загрязнений и метеорологических величин, а также мониторинга пространственно-временных вариаций их полей. Представлены созданные в Институте наземные, самолетные и космические лидары для зондирования атмосферы и подстилающей поверхности и технологии их применения и проектирования. Рассмотрены направления проводимых в Институте работ по акустическому зондированию атмосферного пограничного слоя и достижения по созданию новых технических средств и технологий для этих целей. Представлены результаты применения созданных технических средств и технологий акустического зондирования для мониторинга атмосферного пограничного слоя и распространения звука в нем.

Обсуждаются новые методы и некоторые результаты анализа природно-климатических изменений в Сибири по данным наблюдений на гидрометеорологической сети. На основании закономерностей, выявленных за период инструментально наблюдаемых региональных изменений, названных современными, анализируются задачи по развитию методологии и техники мониторинга природно-климатических систем и процессов, определяющих эволюцию их состояний. оцениваются итоги научно-исследовательских и конструкторско-технологических работ Института оптического мониторинга СО РАН с позиций его основного научного направления.

Приведен обзор работ авторов с сотрудниками [1-20 и др.], посвященных проблемам природы процессов массопереноса через интерфейсы в твердых телах и биологические мембраны. Сделано заключение, что в основе распространения транспортных потоков лежат структурно-фазовые переходы наноструктурных состояний на границах раздела в гетерогенных средах.

В настоящей работе с позиций физической мезомеханики численно исследуются процессы формирования деформационного рельефа на поверхности структурно-неоднородных материалов на примере поликристаллических материалов и материалов с покрытиями. В трехмерной постановке исследовано напряженно-деформированное состояние в объеме и на поверхности материалов в условиях одноосного растяжения. Проанализировано влияние внутренних границ раздела на процессы, происходящие на поверхности. Показана роль внутренней структуры в процессе формирования деформационного рельефа на свободной поверхности.

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 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.

В развитие предыдущих работ авторов рассмотрена проблема зарождения пластического сдвига в деформируемом твердом теле на основе многоуровневого подхода физической мезомеханики. развит метод стохастических возбудимых клеточных автоматов, позволяющий учитывать самоорганизацию конфигурационных возмущений различных масштабов в системе "поверхностны слой - его интерфейс с подложкой". Показано, что любой пластический сдвиг может зарождаться только в зонах растягивающих нормальных напряжений. которые формируют в кристалле неупругие конфигурационные возмущения как предвестник пластического сдвига.

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.

Исследованы механизмы знакопеременной интенсивной пластической деформации на мезомасштабных уровнях тонких фольг высокочистого алюминия. Поликристаллические фольги различной толщины приклеивали к более жестким образцам технического титана или алюминия и подвергали знакопеременному изгибу. Это обусловило сильное различие граничных условий на лицевой и обратной сторонах фольги и позволило показать важную роль взаимного влияния растягивающих и сжимающих нормальных напряжений в развитии пластической деформации материала. Исследованные механизмы локализованной пластической деформации и ее самоорганизация на мезомасштабных уровнях контролируются полем максимальных касательных напряжений и вызываемых ими поворотных мод деформации. На свободных поверхностях фольг в условиях их интенсивной пластической деформации развивается пористость, которая сильно зависит от толщины фольги. На обратных сторонах всех исследованных фольг пористость не возникает. Очень тонкое скольжение и формирование твидовой структуры в тонких фольгах связывается с «шахматным» распределением растягивающих и сжимающих напряжений на внутренних границах раздела. Влияние степени неравновесности материала в условиях интенсивной пластической деформации на механизмы деформации анализируется на основе неравновесной термодинамики локальных структурно-фазовых превращений в зонах гидростатического растяжения.

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.

Разработан и экспериментально исследован алгоритм расчета раскрытия трещины путем обработки оптических изображений поверхности нагруженных материалов в ходе усталостного разрушения. Работа состоит из двух частей: в первой части на основе анализа модельных полей перемещений выполнена отладка и тестирование предлагаемой методики и программы, во второй - анализируются полученные экспериментально изображения участков поверхности, содержащих распространяющуюся усталостную трещину. Показано, что при экспериментальных исследованиях усталостного разрушения целесообразно рассматривать в качестве параметров как среднюю величину раскрытия трещины, так и интенсивность деформации сдвига вокруг вершины. При анализе изображений, содержащих зону деформации и раскрывающуюся трещину, нелинейность зависимости величины раскрытия трещины от интенсивности деформации сдвига свидетельствует о том, что не вся зона локализации деформации попадает в расчетную область.

Анализ зависимости термодинамического потенциала Гиббса от молярного объема в полях внешних воздействий позволяет представить все структурно-масштабные состояния в твердом теле как иерархию масштабов фрагментации кристалла по мере возрастания степени его термодинамической неравновесности. Особое внимание в этой иерархии масштабов уделяется структурным диапазонам: субмикрокристаллическому (d > 100 нм), наноразмерному (d = 30-100 нм) и наноструктурному (d < 30 нм). С последним структурным диапазоном связаны термодинамически особые наноструктурные состояния, качественно отличные от всех других структурно-фазовых состояний в твердых телах. Наноструктурные состояния возникают только в сильнонеравновесных твердых телах как предпереходная стадия потери твердым телом его трансляционно-инвариантного кристаллического состояния вблизи нуля термодинамического потенциала Гиббса. Обосновывается фундаментальная роль локальных зон гидростатического растяжения в механизмах фрагментации всех масштабов. Подчеркивается принципиальная важность сохранения термодинамического потенциала Гиббса неравновесного кристалла в области отрицательных значений для сохранения его сплошности при внешних воздействиях. Области наноструктурных состояний в сильнонеравновесном твердом теле могут существовать только в окружении квазиаморфных прослоек, которые характеризуются положительным знаком термодинамического потенциала Гиббса. Дальнейшее возрастание степени неравновесности твердого тела сопровождается возникновением в нем пористости в локальных зонах гидростатического растяжения. Делается заключение, что физическая мезомеханика и неравновесная термодинамика являются важной методологической основой наноматериаловедения.

В работе проведен сравнительный анализ распределений напряжений и деформаций на мезоуровне в поликристаллических структурах, находящихся в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния, и в сечениях трехмерного образца. Показано, что при одинаковых макроскопических кривых нагружения картины локализации пластической деформации на мезоуровне в двумерных и трехмерной моделях существенно отличаются качественно и количественно. Один и тот же эффективный отклик материала может быть обеспечен различными распределениями напряжений и деформаций на мезоуровне, в зависимости от способа приложения нагрузки и геометрических особенностей образца (тонкие пластины, массивные образцы и т.д.).

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.

На основе системного подхода обосновывается концепция физической мезомеханики, согласно которой поверхностный слой в деформируемом твердом теле является самостоятельной подсистемой. С ростом степени деформации в нем развиваются автономные процессы, оказывающие определяющее влияние на стадийность локализации пластического течения и разрушение образца в целом. Ключевую роль в мезомеханике поверхностного слоя играют его «эффективная» толщина и интерфейс с объемом кристалла, на котором распределение напряженно-деформированного состояния имеет вид «шахматной доски».