Рассмотрены вопросы работоспособности при пониженных температурах сварных труб большого диаметра. Показано влияние упругопластических деформаций, структуры, примесей. величины зерна, локальной термомеханической и термической обработки на склонность сварных соединений к хрупкому разрушению. Освещены вопросы усталостной прочности и долговечности материалов и конструкций при отрицательных температурах. рассмотрены расчетные характеристики и критерии оценки прочности сварных соединений.

Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации (ИПД) при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упруго деформируемый плоски образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Установлены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильно деформированных металлических материалов. Доказывается необходимость учета обнаруженных закономерностей ИПД при описании поведения наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.

Монография посвящена вопросам получения. исследования структуры и свойств объемных наноструктурных материалов. Большой интерес к этой новой научной тематике связан с обнаружением уникальных физических и необычных механических свойств наноструктурных материалов и перспективами их широкого практического применения. Особое внимание в монографии уделено объемным наноструктурным металлическим материалам, полученным методами интенсивной пластической деформации, где многие пионерские разработки были выполнены при непосредственном участии авторов. Предназначена для специалистов, занимающихся проблемами физики и механики твердых тел, созданием новых материалов, может быть использована как учебное пособие для студентов и аспирантов соответствующих специальностей.

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.

Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упругодеформируемый плоский образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Обнаружены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильнодеформированных металлических материалов. Подчеркивается необходимость учета найденных закономерностей интенсивной пластической деформации в описании поведения твердых тел в экстремальных условиях нагружения, наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.

Методами электронно-микроскопического и рентгеноструктурного анализов исследованы особенности эволюции структурно-фазового состояния сплава Ti-6Al-4V в процессе формирования субмикрокристаллической структуры с использованием обратимого легирования водородом. Установлено, что пластическая деформация в двухфазной области при температуре 1023К инициирует в сплаве Ti-6Al-4V-Н полное превращение с образованием фазы, имеющей параметры решетки, отличающиеся от соответствующих для равновесной фазц. Изотермический отжиг такой структуры при температуре дегазации 873К приводит к формированию в сплаве двухфазной субмикрокристаллической структуры с размером зерен 0,3 мкм. Показано, что использование для дегазации деформированного сплава Ti-6Al-4V-Н эффекта неравновесного выхода водорода из металлов в условиях воздействия пучком электронов позволяет сформировать однофазную субмикрокристаллическую структуру и повысить ее дисперсность. Обсуждаются возможные причины наблюдаемых фазовых превращений.

Методом оже-спектроскопии определены профили распределения концентрации никеля в границах зерен по глубине в субмикрокристаллическом молибдене, полученном интенсивной пластической деформацией. Рассчитаны коэффициенты и энергия активации зернограничной диффузии никеля в субмикрокристаллическом молибдене в интервале температур 973 - 1123К. Из полученных результатов следует, что различие коэффициентов зернограничной диффузии никеля в субмикрокристаллическом и крупнозернистом молибдене связано с неравновесным состоянием границ зерен, формируемым при интенсивной пластической деформации.

В деформируемом в условиях ползучести бикристалле выделены дополнительные по отношению к плотностям зернограничных дефектов переменные (параметры порядка), связанные с очагами пластической деформации. На основе анализа решения уравнений эволюции для параметров порядка показано, что неравномерность, цикличность собственного зернограничного проскальзывания в бикристаллах, увеличение скорости межзеренной деформации в условиях взаимодействиях границы с решетчатыми дислокациями могут быть связаны с возбуждением на границе зерен неравновесных локализованных областей - автосолитонов.

Исследованы субмикрокристаллическая структура, сформированная при глубокой пластической деформации, и ее влияние на механические свойства титановых сплавов системы Ti-Al-V. Установлено, что деформационное поведение, прочностные и пластические характеристики сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом состоянии во многом зависят от неоднородности элементов зеренно-субзеренной структуры.

Исследованы закономерности влияния интенсивной пластической деформации (ИПД) при ультразвуковой обработке (УЗО) на эволюцию дефектов кристаллического строения в поверхностных слоях никелида титана со структурой моноклинного мартенсита В19'. Установлено, сто при возрастании величины ИПД резко увеличивается концентрация как вакансионных, так и плотность дислокационных дефектов и одновременно происходит сильная фрагментация зеренно-субзеренной структуры. В наноструктурном состоянии преимущественно наблюдаются дефекты вакансионного типа на границах зерен, средний объем которых меньше объема равновесных вакансий в TiNi и сравним с величиной свободных объемов в аморфизированных сплавах на основе никелида титана. Обсуждается роль дефектов кристаллического строения в механизмах формирования наноструктурного состояния при ИПД.

Изучено деформационное поведение при растяжении субмикрокристаллического титанового сплава Ti–6Al–4V с различным содержанием водорода при температурах 293, 923 и 973 K. Установлено, что легирование водородом в количестве 0.08...0.33 мас. % повышает устойчивость сплава к локализации деформации на макроуровне при комнатной температуре и понижает при температурах 923 и 973 K. Обсуждаются возможные причины снижения устойчивости сплава к локализации деформации на макроуровне в присутствии водорода.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации методами равноканального углового и всестороннего прессования на структуру и фазовый состав алюминиевого сплава Al–Mg–Li. Изучены механические свойства и деформационное поведение исследуемого сплава при комнатной температуре. Проведен анализ причин существенного повышения прочностных свойств сплава после обработки методом всестороннего прессования по сравнению с материалом, полученным методом равноканального углового прессования.

Проведен обзор работ, посвященных исследованию особенностей диффузии по границам зерен и контролируемых ею процессов в субмикроскопических и нанокристаллических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации. для установления параметров диффузии по границам зерен и тройным стыкам в металлах, не зависимых от результатов обработки диффузионных экспериментов на основе моделей диффузии, представлены результаты молекулярно-динамического исследования диффузии в нанокристаллическом состоянии на примере меди. Проводится сопоставление диффузии по границам зерен в субмикроскопических и нанокристаллических материалах, полученных различными методами.

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.

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».

Исследован характер отслоения покрытия SiAlN, напыленного на подложку Cu в процессе термоциклирования, одноосного растяжения и знакопеременного изгиба. Выявлено многоуровневое распределение напряжений и деформаций на границе раздела покрытие - подложка, обусловленное необходимостью совместности деформации покрытия и подложки, которые характеризуются различными модулями Юнга и коэффициентами теплового расширения.

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.

Проведено исследование деформационного поведения рекристаллизованного цирконий-ниобиевого сплава Э125 на макроскопическом уровне. Проанализирована эволюция пространственно-временных распределений локальных деформаций на всех стадиях кривой деформационного упрочнения. Установлено, что на стадии предразрушения наблюдаются очаги локализованного пластического течения с различным уровнем накопления деформации. Очаг с максимальной амплитудой деформации практически неподвижен и отмечает место будущего разрушения. Остальные зоны локализованной деформации движутся с тем большей скоростью, чем дальше они отстоят от места разрушения. Кинетика очагов локализации деформации позволяет оценивать время жизни образца и координаты места разрушения.

Проведены исследования деформационного поведения высокохромистой стали 40Ч13 с мартенситной (после закалки) и сорбитной (после высокого отпуска) структурой. Обнаружено, что каждое состояние демонстрирует свой вид кривой нагружения. В мартенситном состоянии диаграмма деформации стали содержит только стадию линейного упрочнения, тогда как в сорбитном она является трехстадийной. Установлен локализованный характер пластического течения исследуемого материала в обоих состояниях Эволюция распределений очагов локализованной деформации определяется законом пластического течения, то есть стадийностью соответствующей диаграммы нагружения. Показано, чт процесс разрушения задается кинетикой очагов локализованной деформации на заключительной стадии кривой деформации.

Методами электронной просвечивающей микроскопии исследованы механизмы пластической деформации кристаллов TiNi(Fe, Mo) при сжатии в интервале мартенситного превращения, наведенного напряжением. Установлено, что важным механизмом деформации в этом интервале, наряду с механическим (1000 двойникованием мартенсита В19. является формирование двойников В2-фазы путем обратного мартенситного превращения по другой системе.

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 монографии рассматриваются основные закономерности процессов деформирования и накопления повреждений в конструкционных материалах (металлах и их сплавах) при различных (квазистатических и динамических) режимах термосилового нагружения и математические модели указанных процессов. Приводится экспериментально-теоретическая методика определения материальных параметров и функций данных математических моделей. Даются результаты численного моделирования процессов деформирования и накопления повреждений металлов и ряда конструкционных сталей при квазистатических и динамических термосиловых воздействиях. Особое внимание уделяется вопросам моделирования процессов упругопластического деформирования и накопления усталостных повреждений для сложных процессов деформирования конструкционных сталей, сопровождающихся вращением главных площадок тензоров напряжений и деформаций. Монография представляет интерес для широкого круга научных работников, инженеров, аспирантов, специалистов в области механики деформируемого твердого тела.

Приведено концептуальное обоснование необходимости рассмотрения в физике пластичности и прочности твердых тел наномасштабного структурного уровня пластической деформации. Делается заключение, что в качестве основополагающего механизма пластической деформации следует рассматривать локальные структурные превращения (по типцу перестроения атомных кластеров различных конфигураций), которые происходят в нагруженном твердом теле в локальных зонах растягивающих нормальных напряжений. Данный механизм определяет общность природы всех возможных видов пластической деформации твердых тел.

Проведен анализ стадийности локализованной пластической деформации на различных масштабных уровнях при растяжении образцов с надрезами. Интегральный анализ развития деформации на микромасштабном уровне проводили по данным регистрации акустической эмиссии. Анализ мезоскопических деформаций выполняли путем расчета интегрального нормированного значения интенсивности деформации сдвига по данным оптико-телевизионной регистрации. Для оценки закономерностей развития деформации на макромасштабном уровне анализировали производную величины приложенной нагрузки по времени. Показано, что на начальных этапах нагружения метод акустической эмиссии оказывается наиболее чувствительным к деформационным процессам и разрушению, что позволяет идентифицировать переход от первой ко второй стадии деформации (ведущей роли от микро- к мезомасштабному уровню). При больших степенях деформации метод корреляции цифровых изображений более четко характеризует переход ведущей роли от мезо- к макроскопическому масштабу развития деформации. Полученные данные свидетельствуют о том, что анализ процессов локализованной пластической деформации в терминах стадийности представляется достаточно эффективным способом интерпретации данных о развитии деформации на различных масштабных уровнях.

Методами оптической металлографии, растровой электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа и рентгеновской дифрактометрии исследована микроструктура и фазовый состав интерметаллического соединения Ni3Al, полученного высокотемпературным синтезом под давлением. Показано, что структура интерметаллида состоит из дендритных зерен и междендритных прослоек. Пластическая деформация продукта синтеза в процессе формирования интерметаллида приводит к росту анизотропных дендритных зерне и появлению областей с модулированной структурой в междендритных прослойках. Наблюдаемые структурные изменения сопровождаются повышением предела текучести и уменьшением пластичности интерметаллида.

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.

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.

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

С позиций физической мезомеханики исследованы механизмы пластической деформации и механические свойства частично-кристаллического полиэтилена. Показано, что пластическая деформация с самого начала происходит на мезо-уровне.. Разрушению предшествует фрагментация материала. Наблюдаемая стадийность процесса пластической деформации полиэтилена качественно подобна стадийности этого процесса для металлических материалов. Влияние облучения на механические свойства полиэтилена объясняется измельчением мезосубструктуры, формирующейся при пластической деформации.

Рассмотрены особенности локализации деформации в поликристаллическом алюминии. Показана универсальность этого явления для всех стадий процесса деформирования. Каждой из наблюдаемых стадий процесса течения соответствуют специфические распределения очагов локализованной пластичности. Установлена форма связи длины волны локализации и размера зерна. Исследованы акустические характеристики деформируемого алюминия и сплава Д16 и определена связь скорости распространения ультразвука и картин локализации деформации. Обоснована применимость ультразвуковых измерений для анализа кинетики развития пластического течения и оценки механических свойств.

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.

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.