Исследованы закономерности накопления микропластической деформации при статическом и циклическом нагружении поликристаллического и субмикрокристаллического титана. Показано, что при переходе от поликристаллической к субмикрокристаллической структуре характер развития микропластической деформации при обоих видах нагружения не изменяется, а циклостокость и предел выносливости возрастают. При обеих структурах получено соответствие между величиной предела выносливости и величиной макроскопического предела упругости.

Учебное руководство создано известными специалистами из Кембриджского университета. Подробно рассмотрены механические свойства и микроструктуры металлов и сплавов, полимеров, керамик и композитов. Особое внимание уделено характеристикам прочности для различных режимов нагружения, коррозионной стойкости и процессам обработки. На многочисленных примерах дается обоснование инженерных расчетов, необходимых для конструирования в самом широком спектре применений. Учебник является незаменимым источником для инженеров-проектировщиков в промышленности и строительстве по всем направлениям материаловедения и не имеет аналогов в мировой литературе. Для студентов и преподавателей материаловедческих, машиностроительных и общетехнических факультетов, разработчиков, конструкторов и технологов.

Проведено исследование деформации и эволюции температурных полей в плоских образцах из титана ВТ1-О, находящегося в крупнокристаллическом (КК) и наноструктурированном/ультрамелкозернистом состояниях (НС/УМЗ), и титанового сплава ВТ6. НС/УМЗ титан ВТ1-О имеет в два раза выше пределы текучести и прочности по сравнению с крупнокристаллическим состоянием сопоставимы с характеристиками сплава ВТ6. Обнаружено, что величина предельной степени деформации до разрушения образцов НС/УМЗ титана при растяжении с постоянной скоростью деформации уменьшается в два раза. В области макроскопической локализации пластической деформации происходит резкое увеличение температуры, достигающей максимальных значений в зоне формирования трещины. Резкий рост температуры в зоне локализации пластических деформаций и образования трещины наблюдается в образцах как с КК структурой, так и в НС/УМЗ состоянии. Сопоставление экспериментальных данных о распределении температуры на поверхностях деформированных образцов КК и НС/УМЗ титана свидетельствует о том, что макроскопическая пластическая деформация развивается более однородно в титане ВТ1-0 в НС/УМЗ состоянии. при одинаковых условиях нагружения скорость тепловыделения выше для образцов титана в НС/УМЗ состоянии.

Методом оптической микроскопии in-situ и рентгеноструктурного анализа исследовано развитие термоупругого мартенситного превращения при изотермическом нагружении сплава Ti49.4Ni50.6 в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состояниях. Приведены данные, свидетельствующие об эстафетном механизме распространения мартенситного превращения при обеих зеренных структурах. Рассмотрены обнаруженные особенности локализации мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях при субмикрокристаллической структуре. Установлена взаимосвязь между локализацией мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях и деформационным поведением сплава Ti49.4Ni50.6 в крупнозернистом и субмикрокристаллическом состояниях. Развита концепция, согласно которой локализация мартенситного превращения на мезо- и макромасштабном уровнях при изотермическом нагружении в предмартенситном состоянии является следствием неоднородности напряженного состояния поликристаллического агрегата.

Проведена экспериментальная верификация предсказанного А.В. Паниным эффекта «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой – основной кристалл» в деформируемом твердом теле. При знакопеременном изгибе плоских образцов титана ВТ1-0 с наводороженным поверхностным слоем получено прямое экспериментальное подтверждение эффекта «шахматного» распределения пластического течения на мезомасштабном уровне в сдвигонеустойчивом наводороженном поверхностном слое. Все обнаруженные авторами мезоскопические механизмы деформации в наводороженных поверхностных слоях поли- или субмикрокристаллического титана при растяжении или знакопеременном изгибе удовлетворительно объясняются эффектом каналирования сдвигов в условиях клеточной структуры интерфейса «наводороженный поверхностный слой – кристаллическая подложка титана».

Изучены механический свойства при растяжении, организация пластического течения и разрушение в образцах с надрезами типа Менаже субмикрокристаллического (СМК) титана. Исследованы два структурных состояния СМК титана, изготовленного равноканальным угловым прессованием (РКУП), отличающиеся размерами областей когерентного рассеяния. уровнем внутренних микронапряжений и текстурой. Выявлена конфигурация зон пластической деформации вблизи концентраторов напряжений и исследовано их развитие с ростом степени макродеформации. Установлено, что разрушение начинается в областях с максимальным значением локальной интенсивности деформации. Изучена стадийность и микромеханизмы процесса разрушения. Обнаружен квазихрупкий характер разрушения СМК титана в более высокопрочном состоянии (тип II).

На основе результатов экспериментальных исследований температурной зависимости предела текучести монокристаллов TiNi сплавов и механизма механического двойникования В2-фазы как локального обратимого фазового превращения мартенситного типа проведено исследование асимметрии механического поведения при растяжении и сжатии указанных мматериалов в направлении [001], показано, что особенностью этого механизма является то, что критической модой дисторсии, определяющей напряжения механического двойникования, является однородная деформация превращения типа деформации Бейна. Для анализа асимметрии этих напряжений при растяжении и сжатии введено понятие фактора нормальных напряжений. приведенных к главным осям тензора однородной деформации превращения. Показана возможность использования этого фактора для анализа асимметрии механического поведения монокристаллов сплавов TiNi.

Приведены результаты теоретического исследования влияния физико-механических свойств поверхностных слоев интерфейсно контролируемых материалов на характер распределения деформаций в объеме образцов, находящихся в сложных условиях нагружения, и на величину их предельной деформации. Показано, что модификация поверхности, связанная с уменьшением модуля Юнга и предела упругости границ раздела структурных элементов в поверхностных слоях материала, способствует более равномерному распределению необратимых деформаций в объеме образца. Это приводит к росту его предельной деформации.

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 монографии представлены результаты исследований кинетики, основных закономерностей деформирования и разрушения теплостойких сталей при статических, циклических и динамических условиях нагружения. Основное внимание уделено масштабным уровням накопления повреждений, механизмам локализации деформации и их взаимосвязи. Проведен анализ стадийности процессов деформации, протекающих на различных масштабных уровнях. Для описания процессов накопления повреждений под действием температурно-силовых факторов использованы подходов механики разрушения и физической мезомеханики. Показаны общие закономерности и различие носителей деформации на различных масштабных уровнях. Книга предназначена для специалистов в области физической мезомеханики, механики разрушения, технической диагностики, металловедения, исследователей, научных работников и работников заводских лабораторий, а также специалистов занимающихся изучением механических свойств материалов, аспирантов и инженеров, работающих в данном направлении.

Представлена математическая модель для описания напряженно-деформированного состояния конструкций, изготовленных из ортотропных материалов. На ее основе численно моделируется динамическое нагружение конструкций, по траекториям малой кривизны (по классификации А. А. Ильюшина теории упругопластических процессов). Пластическое деформирвание материала описывется в рамках теории течения. Данная модель описывает упругопластическое деформирование ортотропных материалов, имеющих при разрушении остаточные деформации, не более 6%. К таким материалам относятся: бетоны, углеродистые стал в определенном диапазоне низких температур, серые чугуны, а также многие сплавы. Представлены результаты численного моделирования нагружения преграды из транстропного слава Д16Т стальным ударником в диапазоне скоростей ударного нагружения (400-1200) м/с.

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 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.

На основе молекулярно-динамического моделирования исследовалось влияние анизотропии динамического нагружения на процессы пластической деформации и разрушения в кристаллите вблизи свободной поверхности. Показано, что существую пороговые величины деформации. которые определяют раскрытие затравочной трещины и ее последующую остановку. Из результатов моделирования следует, что при нагружении в направлении [100] распространение трещины прекращается, после того как вблизи ее вершины начинает формироваться разупорядоченная область.

Исследована температурная зависимость напряжений предела текучести/мартенситного сдвига, кривых сжатия s(e) и механизмов пластической деформации в монокристаллах сплава TiNi(Fe, Mo), ориентированных вдоль направления [001]. Показано, что инициированное напряжением мартенситное В2 ® В19¢ превращение и механическое двойникование в В2-фазе являются основными микромеханизмами деформации во всем исследованном интервале температур (300-773 K). Переход к локальному действию этих механизмов на мезоуровне деформации при Т > Мd приводит к изменению наклона кривых s0.1(Т) при сжатии.

В монографии представлены результаты многолетних исследований автора. В первой части изложены основных закономерности деформирования и разрушения при однократном, мало-, многоцикловом, длительном статическом и длительном циклическом нагружении. В качестве базовых использованы деформационные критерии разрушения. Отмечена важность детального анализа перераспределения упругих и упругопластических деформаций в зонах концентрации напряжений и в зонах трещин. Достижение предельных состояний определяется по условиям линейного суммирования квазистатических и усталостных повреждений. При оценках прочности и ресурса учтено действие поверхностных контактных нагрузок и влияние среды. Книга предназначена для исследователей, конструкторов, технологов, преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области механики деформируемого твердого тела, динамики, прочности, надежности и безопасности машин и конструкций.

Исследованы закономерности накопления усталостных повреждений при циклическом нагружении поликристаллов алюминиевого сплава в условиях многоцикловой усталости путем анализа динамики пространственно-временных мезоскопических субструктур. Показано, что на мезоуровне при периодическом воздействии внешнего механического поля в материале формируются деформационные домены. Эволюция динамических мезоскопических доменных субструктур определяет кинетику усталостного разрушения поликристаллов.

В настоящей работе исследуется напряженно-деформированное состояние, возникающее при поверхностном нагружении в приповерхностном слое материала, толщина которого существенно превышает средний размер шероховатостей поверхности. Для расчета напряженно-деформированного состояния используется конечно-разностный метод решения системы уравнений, описывающих механическое поведение объема материала при динамическом нагружении. Применен подход физической мезомеханики для моделирования напряженно-деформированного состояния. Показано образование полос локализованной деформации и формирование блочной структуры пластического течения.

В работе численно моделируется на основе уравнений механики сплошной среды динамическое нагружение металлической транстропной преграды стальными ударниками различной формы, но одинаковой массы. Скорости нагружения преграды составляют 300 и 600 м/с. Проведен анализ изменения в различных направлениях пределов текучести материала преграды в процессе его упругопластического деформирования при использовании модели изотропного упрочнения. Ключевые слова: пластичность, динамическое нагружение, упрочнение, численное моделирование, анизотропия.

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 использованием комплекса TOMSC в работе исследовали закономерности развития локализованной пластической деформации при трехточечном изгибе образцов малоуглеродистой стали с газотермическим покрытием, оплавленным в условиях подвода мощных ультразвуковых колебаний и без такового. Показано, что при приложении нагрузки со стороны подложки пластичность оплавленного с приложением ультразвука покрытия повышается примерно в два раза, что сопровождается увеличением предела прочности примерно на 200 МПа. Данный результат связан со значительным снижением роли локализации деформации при растрескивании покрытия, в связи с тем что оплавленные в условиях подвода ультразвуковых колебаний покрытия растрескиваются, образуя мелкие фрагменты. Это вызвано диспергированием макроконцентраторов напряжений на захватах вследствие возникновения большого количества менее мощных мезоконцентраторов на локальных затеканиях материала покрытия в подложку.????.

Методами атомно-силовой и оптической микроскопии исследованы процессы пластической деформации и разрушения тонких пленок Ag и Ti при термическом и механическом нагружении. Показано, что данные процессы развиваются последовательно и самосогласованно на различных масштабных уровнях. При термическом отжиге пленок Ag изменения рельефа поверхности регулируются двумя конкурирующими процессами: ростом зерен и агломерацией материала в более крупные структуры, с последующим формированием отдельных островков. Пластическое течение тонких пленок Ti при одноосном растяжении сопровождается формированием на их поверхности двойных спиралей локализованной деформации. Разрушение пленок происходит в результате образования поперечных и продольных трещин.????.

Исследована зависимость скорости распространения ультразвуковых волн от действующего напряжения в пластически деформируемых поликристаллических металлах и сплавах. Установлено, что связь между действующим напряжением и скоростью ультразвука линейна, причем эта закономерность характерна для всех исследованных материалов. Предложен способ определения временного сопротивления отрыву материалов (предела прочности) при деформировании в области малых пластических деформаций без разрушения образцов.

В работе исследуется влияние содержания и характера распределения частиц нановключений в основе высокопрочного мезо-композита на особенности его пластического деформирования в условиях динамического нагружения. В экспериментах образцы мезокомпозита в форме полого толстостенного цилиндра нагружали по схеме «сдвиг + сжатие» с использованием взрывчатого вещества. Установлено, что величина однородной деформации уменьшается с ростом объемного содержания нановключений. Показано влияние механической текстуры, создаваемой распределением нановключений при производстве прутков мезокомпозита, на механизм деформации и развитие трещин. Влияние структуры также исследовано с использованием компьютерного моделирования, возможности которого выявили проявление ротационного характера развития пластической деформации в мезокомпозите с хаотическим распределением структуры.

Исследовано влияние кристаллографической ориентации монокристаллического полого цилиндра на особенности зарождения и развития в нем пластической деформации в условиях высокоскоростного осесимметричного нагружения. Преимуществом предлагаемой схемы нагружения является одновременная реализация всех вариантов нагружения в рамках выбранной кристаллографической плоскости основания цилиндра, а также достижения различных степеней деформации вдоль сечения образца. С использованием молекулярно-динамического моделирования показано различие в деформационных свойствах нагружаемого образца в зависимости от выбранной кристаллографической ориентации плоскости основания. Результаты исследования могут быть использованы для понимания основных механизмов пластического деформирования кристаллических тел.

The paper studies the effect of the amount and distribution pattern of nanoinclusions in a high-strength mesocomposite matrix on its plastic deformation under dynamic loading. The study is performed on mesocomposite specimens shaped as hollow thick-walled cylinders subjected to combined shear/compression loading with an explosive. It is found that homogeneous strain decreases with the growing volume fraction of nanoinclusions. The mechanical texture formed by the distribution of nanoinclusions in mesocomposite bars is shown to influence the deformation and cracking mechanisms. Additionally, the influence of structure is studied by computer simulation. The simulation has revealed that plastic deformation is rotational in the mesocomposite with chaotic structural distribution.

Рассматриваются простейшие прикладные варианты теории упругопластического деформирования при пропорциональном (простом) и непропорциональном (сложном) нагружениях. Излагаются методы идентификации материальных функций, замыкающих варианты теории. Анализируются результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов сложного нагружения как п плоским, так и по пространственным траекториям деформаций. Для специалистов конструкторских и проектных организаций, научно-исследовательских институтов, а также для аспирантов и студентов, занимающихся расчетами и исследованиями высоконагруженных конструкций современной техники.

В книге изложены фундаментальные основы механики процессов пластического деформирования сплошных сред и конструкционных материалов при сложном нагружении и базовые экспериментальные исследования. Книга адресована научным работникам, преподавателям вузов, инженерам-исследователям, аспирантам - всем тем, кто специализируется в области механики деформируемого твердого тела и теории пластичности.

Анализируются концентрационные профили ионов алюминия в поликристаллическом титане, имплантированного полиэнергетическим пучком вакуумно-дугового источника через осаждаемую на поверхность мишени газо-металлическую пленку.

Приведены результаты изучения потребности населения в России при наличии дефектов зубочелюстной системы в ортопедической помощи на зубных имплантатах. Показано, что потребность населения в ортопедической помощи крайне высока во всех возрастных группах. Описана технология получения заготовок титана ВТ1-0 с объемной наноструктурой, обеспечивающей высокие механические свойства. Выполнено сравнение механических свойств наноструктурного титана со свойствами крупнокристаллического аналога и титановых сплавов медицинского назначения. Описаны новые результаты разработки новых конструкций дентальных винтовых внутрикостных имплантатов из высокопрочного наноструктурного титана с резорбируемым кальций-фосфатным покрытием, обеспечивающим высокую степень остеоинтеграции имплантата с костной тканью.

Рассмотрены процессы упругой и пластической деформации металлических, оксидных и полупроводниковых пленок в процессе роста, термического отжига и механического нагружения. Показано, что при сжатии тонких пленок на податливой подложке на их поверхности формируются складки и происходит когерентная деформация подложки. В случае жесткой подложки сжимающие напряжения приводят к упругому изгибу пленки с локальным либо периодическим отслаиванием от подложки. Процесс пластической деформации тонких пленок определяется конкуренцией между изменениями их поверхностной энергии и энергии деформации. Выявлена фундаментальная роль периодического распределения напряжений и деформаций на границе раздела двух сред, лежащего в основе механизмов деградации тонких пленок при различных внешних воздействиях.

Исследуются особенности развития упругой и пластической деформации в материале непосредственно после прекращения активной фазы нагружения. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что в зависимости от величины деформации, достигнутой на этапе активного нагружения, релаксация кристалла может развиваться различными путями. Так, в работе выявлен интервал значений деформации, особенностью которого является состояние неустойчивого равновесия кристаллической решетки, когда небольшие изменения степени сжатия приводят к существенному изменению характера формирования полос локализации атомных смещений. Полученные результаты могут иметь существенное значение при изучении влияния "инерционности" процесса структурных изменений материала на развитие пластической деформации.