В работе развивается эволюционный подход к описанию деформационного отклика на нагружение твердых тел и сред, основанный на идеях нелинейной динамики. Под деформационным откликом понимаются процессы деструкции прочных сред в полях действующих сил, т.е. процессы неупругой деформации и одновременного развития разрушения. Показывается, что в основе математической теории эволюции твердых тел и сред лежат уравнения механики деформируемого твердого тела как фундаментальные уравнения математической физики, отражающие самые общие природные законы сохранения массы, импульса, моментов импульса и энергии. Все многообразие физических механизмов неупругой (пластической) деформации и процессов дилатансии, т.е. развития несплошностей разных масштабов и физической природы (вакансий, пор, микро- и мезоповреждений и т.д.), на этом феноменологическом уровне описания интегрально отражается путем задания нелинейных функций отклика среды на нагружение эволюционными определяющими уравнениями первой и второй группы. Таким образом, эти уравнения конструируются на основе ведущих физических механизмов изучаемого масштаба. Показано, что, изменяя только соотношение между положительными и отрицательными обратными связями (при прочих равных условиях), среда реагирует на нагружение от типичного пластического течения до хрупкого разрушения. Предложена также процедура введения в модель реального времени процесса, что позволяет решать как задачи ударно-волнового нагружения, так и задачи геодинамики и плитной тектоники с характерными временами в миллионы лет.

Исследована возможность нанофрагментации материала в приповерхностных слоях на начальных стадиях процесса релаксации. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики.. Показано, что на начальном этапе процесса релаксации возможно формирование разориентированных наноблоков. Фрагментированная структура формируется в области локализованной деформации вблизи концентраторов напряжений и распространяется вглубь материала. Показано, что в области локализации деформации функция радиального распределения атомной плотности имеет вид размытых пиков, соответствующих пикам идеальной гранецентрированной кристаллической (ГЦК) структуры, а в области кристаллита, где локализация деформации не наблюдается, происходит расщепление пиков ГЦК-структуры, обусловленной деформационным нарушением симметрии. Полученные результаты дают возможность утверждать, что возможным механизмом релаксации внутренних напряжений в постнагруженных твердых телах является эффект нанофрагментации материала.

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

На основе анализа системного подхода к описанию сложных иерархических объектов в биологии предлагается аналогичный системный подход в физической мезомеханике деформируемого твердого тела.

Предметом рассмотрения данной работы является стохастический алгоритм, использующий основные понятия классической теории упругости и результаты, полученные в рамках квантовомеханических подходов, объединенных представлениями физической мезомеханики материалов. основная идея предлагаемого алгоритма заключается в том, что всякая физическая величина в данный момент времени не может быть определена точно, ее значение может быть найдено лишь с некоторой долей вероятности. Таким образом, каждый физический параметр рассматривается как случайная величина, имеющая соответствующие характеристики: распределение вероятностей, математическое ожидание, дисперсию и пр. Результаты настоящего моделирования могут быть полезны как при конструировании новых материалов и оптимизации их свойств, так и для предсказания поведения нагруженного твердого тела на основе анализа картины деформаций поверхности и внутренних границ раздела.

Проведен обзор работ последних двух десятилетий на стыке физики и механики деформируемого твердого тела, которые привели к созданию нового научного направления — физической мезомеханики материалов. Ее синергетическая методология качественно отлична от общепринятых подходов континуальной механики (феноменологическое описание на макроуровне) и микроскопического описания теории дислокаций. Деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой пластическое течение происходит в результате потери сдвиговой устойчивости материала в полях градиентов напряжений на различных структурных уровнях. Деформация по схеме «сдвиг + поворот» обусловливает возникновение в материале иерархии мезомасштабов фрагментированных субструктур, в которой разориентированная субструктура является масштабным инвариантом. Это позволяет построить многоуровневую модель деформируемого твердого тела на базе мезомасштабных структурных уровней, учитывая дислокационную деформацию в рамках теории калибровочных полей. В полевых уравнениях физической мезомеханики помимо параметров механического состояния введены параметры структурного состояния, учитывающие возникновение в исходном материале разориентированных субструктур. Обсуждаются актуальные проблемы и прикладные задачи физической мезомеханики материалов.??.

Экспериментально установлено и проанализировано дисперсионное соотношение для автоволн локализованной пластической деформации, возникающих на стадиях легкого скольжения и линейного деформационного упрочнения металлов и сплавов. объяснены квадратичный вид этого соотношения и характер зависимости фазовой и групповой скоростей автоволн от волнового числа, а также количественная связь характеристик автоволновых процессов локализации пластического течения и параметров кристаллической решетки деформируемых твердых тел.

На основе совместных подходов неравновесной термодинамики и физической мезомеханики предложен термодинамический критерий существования особого класса предпереходных двухфазных наноструктурных состояний в твердых телах вблизи нуля их термодинамического потенциала Гиббса. Такие состояния определяют высокую структурную неустойчивость наноструктур в полях внешних воздействий и лежат в основе различных нанотехнологий по схеме "сборка снизу". Материалы, характеризуемые наноструктурными состояниями, предлагается именовать наноструктурными. Сдвигоустойчивые материалы, далекие от нуля их термодинамического потенциала Гиббса целесообразно классифицировать как наноразмерные.

Представлен обзор основных понятий и некоторых результатов нелинейной динамики в связи с решением задачи о физических причинах и механизмах локализации деформационных процессов в нагружаемых твердых телах и средах и установления закономерностей нарастания масштабов локализации. Показано, что таким механизмом может быть структура устойчивых резонансов, которая формируется в нагружаемых твердых телах. Нагружаемое твердое тело рассматривается как система многих взаимодействующих атомов, возмущаемых внешним воздействием с непрерывным спектром частот. Ставится вопрос, какие частоты из этого непрерывного спектра будут отобраны возмущаемой нелинейной системой взаимодействующих атомов, т.е. окажутся наиболее устойчивыми. Анализ структуры резонансов выполнен в рамках подхода Гамильтона и теории Колмогорова-Арнольда-Мозера. Показано, что полученные нелинейной динамикой результаты полностью объясняют экспериментально установленную закономерность нарастания масштабов локализации, отвечающую универсальному принципу фрактальной делимости твердых тел и сред. Согласно этому принципу минимальным масштабом является параметр решетки нагружаемого тела, а каждый последующий масштаб есть сумма двух предыдущих.

Обнаружено явление возникновения деформационных доменов в поле векторов смещений на мезоуровне при растяжении поликристаллов алюминия с пористым керамическим покрытием, в которых квази-однородное движение дислокаций на микроуровне подавлено. деформационные домены классифицируются как мезодефекты, осуществляющие аккомодационную деформацию поворотного типа.

Теоретически изучены особенности установления стационарного режима деформирования твердых тел. Моделирование различных режимов нагружения проводилось методом подвижных клеточных автоматов. Показано, что на этапе установления стационарного режима напряженное состояние в материале является существенно неоднородным, что в свою очередь может приводить к устойчивым структурам в поле скоростей частиц материала и влиять на развитие деформации на последующих стадиях.

Исследована взаимосвязь электрических характеристик и интенсивности изнашивания зоны трения металлических композитов без смазки при контактной плотности тока более 100 А/см2, получено начальное представление о микроструктуре поверхностного слоя и распределения химических элементов в нем.

Представлены токовые зависимости электропроводности и интенсивности изнашивания электроконтакта сталь/сталь 45 в условиях скольжения без смазки при плотности тока более 100 А/см2. Установлено, что увеличение содержания легирующих элементов или упрочняющих фаз в первичной структуре стали приводит к низкой прочности поверхностного слоя, что проявляется в высокой интенсивности изнашивания контакта и в катастрофическом изнашивании при низкой плотности тока.

Рассмотрены причины локализации деформации и температуры, а также природа образования при трении поверхностного слоя, толщина которого имеет принципиально важное значение для управления процессом трения и изнашиванием материалов. Показано, что ответственность за данное явление несет динамическое воздействие, обусловленное либо стохастическим взаимодействием микронеоднородностей поверхности, либо адгезионным взаимодействием, задающими масштабный уровень, на котором происходят процессы деформации и разрушения.

Представлена топография поверхности трения модельных композитов на основе сталей ШХ15 и Г13 после скольжения при плотности тока свыше 100А/см3, определены износостойкость и вольт-амперная характеристика, скользящего электроконтакта модельный композит - сталь 45.

Рассмотрен механизм формирования фрагментированной микроструктуры при больших степенях деформации, которые реализуются на поверхности металла при трении. Показано, что размер фрагментов в данных условиях является минимальным и связан с достижением дислокационной плотностью критического значения в предельно деформированном состоянии, выше которого силы междислокационного взаимодействия оказываются больше сил внутреннего трения.

Приведено краткое описание одномерной динамической модели развития сдвиговой пластической деформации в поверхностном слое материала при трении скольжения с обоснованием снижения размерности рассматриваемой задачи от 3D до 1D. Представлены некоторые результаты моделирования, иллюстрирующие особенности режима пластического деформирования под действием двух конкурирующих процессов - деформационного упрочнения и термического разупрочнения за счет фрикционного нагрева. Также приведены экспериментальные данные, на основании которых сделан вывод о возможности течения поверхностного слоя подобно вязкой жидкости. Для оценки возможности турбулизации такого слоя по числу Рейнольдса использованы результаты моделирования.

Методом Оже-спектроскопии определен элементный состав поверхности трения металлических композитов, содержащих 10% (об.) графита. Установлено, что после трения без смазки содержание углерода и кислорода в поверхностном слое достигает 40-80% (ат.) и 5-40% (ат.) соответственно. показано, что простой элементный состав структурных составляющих композитов приводит к более высокой износостойкости.

Получены зависимости электропроводности контакта и интенсивности изнашивания металлических материалов от плотности электрического тока в условиях трения скольжения. Установлено, что легирование основы материала приводит к ускорению разрушения поверхности трения. Методом оже-спектрометрии определено присутствие кислорода около 40 ат. % в поверхностном слое. Методом рентгенографии показано, что в поверхностном слое формируется оксид FeO, который способствует увеличению электропроводности контакта.

Предложена методика оценки параметров упругих волн при моделировании контактного взаимодействия твердых тел. Анализ спектров Фурье зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений позволил выявить частоты, характерные как для численной модели и геометрии задачи, так и непосредственно для процессов, протекающих в области контакта при трении.

На основе анализа экспериментальных результатов последних лет сделано заключение, что поверхностные слои нагруженных твердых тел являются самостоятельной подсистемой, в которой развиваются волновые механизмы пластического течения, определяющие зарождение первичных деформационных дефектов всех видов. Эти процессы являются синергетическим активатором пластического течения о объеме деформируемого твердого тела.

Методами спекл-интерферометрии, электронной. оптической и атомно-силовой микроскопии исследованы структура и закономерности деформирования поверхностных слоев металлов и сплавов при трении. Проанализированы причины локализации деформации. Предлагается объяснение высокой износостойкости стали Гадфильда на основе данных об эволюции структуры поверхностного слоя.

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

В данном учебнике рассмотрены предмет изучения геомеханики и ее роль на современном этапе освоения месторождений, выделены факторы, определяющие состав, структуру, строение, состояние и характеристики горных пород и массивов, даны их определения. Впервые структура дисциплины содержит разделение на два раздела статические и динамические процессы. В первом разделе приведено понятие тензора напряжений и деформаций в горном массиве, дана характеристика методов изучения физико-механических свойств пород и массивов, их напряженно-деформированного состояния в натурных и лабораторных условиях, представлены современные теории прочности твердого тела, гипотезы горного давления, а также методы математико-механического моделирования массивов горных пород. Большое внимание в пособии уделено закономерностям распределения напряжений в зоне влияния одиночных выработок в зависимости от характеристик массива, в котором проведены выработки. Во втором разделе рассматривается характер колебаний и землетрясений в горном массиве, воздействие на горный массив взрыва, горные удары и условия их возникновения, а также внезапные прорывы воды, выбросы пород и газа.??Учебник подготовлен в соответствии с программой профессионального модуля, которая является частью основной, профессиональной образовательной программы, в соответствии с ФГОС по направлению подготовки «Горное дело», и может быть использован в дополнительном образовании и профессиональной подготовке работников в области горной отрасли при наличии среднего (полного) общего образования.

Представлены результаты исследования структуры поверхностного слоя стали Гадфильда (Г13), образовавшегося в условиях сухого трения скольжения. Изучены особенности деформирования материала под поверхностью трения в зависимости от условий испытания - низкой скорости скольжения и малом давлении, значение которого много меньше предела текучести стали Г13. Методами оптической сканирующей и дифракционной электронной микроскопии исследован фазовый состав и дефектная субструктура на поверхности трения. Показано, что вблизи поверхности трения образуется тонкий, сильно деформированный слой нанокристаллического строения, переходящий в слой с поликристаллической структурой, содержащей двойники деформации и дислокации. Нанокристаллическая структура и присутствие оксидов в поверхностном слое и зоне трения свидетельствуют о высокой температуре и больших пластических деформациях, ответственных за формирование данного слоя. Сделано предположение о том, что деформирование материала, наблюдающееся на большой глубине от поверхности, обусловлен генерированием упругих волн при трении.

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

Упругие волны, генерируемые при трении, рассматриваются как источник информации о процессах деформации, разрушения и адгезионного схватывания в зоне контактного взаимодействия. На основе компьютерного моделирования показано, что вследствие динамической природы процесса трения для анализа регистрируемых сигналов даже в установившемся режиме помимо преобразования Фурье необходимо применят средства частотно-временного анализа. Полученные результаты позволяют сделать вывод. что закономерности процесса изнашивания могут быть изучены на основе анализа соответствующих акустических спектров.

Проведен анализ применимости многоуровневого подхода физической мезомеханики к описанию сопряжения упрочненного поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой в парах трения. На примере стали Гадфильда показано, что на поверхностях трения возникает многоуровневая клеточная мезосубструктура, согласующаяся со стохастической моделью интерфейсов в мезомеханике структурно-неоднородных сред.

Представлены результаты сравнительного исследования поведения при трении и износе образцов титанового сплава ВТ6, подвергнутых наноструктурированию поверхностного слоя и последующей химико-термической обработке. Показано, что подобная комплексная обработка позволяет увеличить микротвердость приповерхностного слоя с 3.8 до 4.8...5.6 ГПа, а также существенно повысить износостойкость. Влияние предварительного наноструктурирования поверхностного слоя приводит при последующей химико-термической обработке к увеличению толщины поверхностно упрочненного слоя с повышенной микротвердостью до 50...150 мкм по сравнению с образцами, не подвергавшимися предварительной обработке.

Изучены трибологические аспекты наноструктурирующего выглаживания стальных поверхностей деформирующим индентором, связанные с обоснованием выбора материала индентора и смазочно-охлаждающей технологической среды по критериям величины коэффициента трения в контакте «индентор - обрабатываемая деталь» и отсутствия признаков адгезионного схватывания и усталостных микротрещин, а также с установлением эффективности применения наноструктурирующего выглаживания для улучшения трибологических свойств сталей. Показаны перспективы использования инденторов из синтетического алмаза и плотного нитрида бора при реализации наноструктурирующего выглаживания коррозионностойкой стали 20X13 и цементированной стали 20Х. Установлено повышение наноструктурирующим выглаживанием сопротивления конструкционных сталей изнашиванию в условиях абразивного воздействия и трения скольжения в различных средах (смазка, вода, воздух, аргон) за счет ограничения процессов микрорезания, пластического оттеснения, усталостно-окислительного изнашивания и адгезионного схватывания.

The paper studies tribological aspects of nanostructuring burnishing of steels. The efficiency of the process in improving the tribological properties of steels is assessed as regards the choice of an indenter material and lubricant-coolant reasoning from the friction coefficient at the “indenter-treated part” contact and from the absence of adhesive bond and fatigue microcracks. It is shown that synthetic diamond and dense boron nitride are promising indenter materials for nanostructuring burnishing of corrosion-resistant 20X13 steel and cement 20X steel. It is demonstrated that nanostructuring burnishing increases the wear resistance of structural steels under abrasive action and sliding friction in different media (lubricant, water, air, and argon) due to suppressed processes of microcutting, plastic edging, fatigue and oxidation wear, and adhesive bonding.

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

При деформации растяжением сталей с покрытиями обнаружен волновой характер процесса множественного растрескивания покрытия. В зависимости от отношения толщин и микротвердости основы и покрытия проявляются такие нелинейные волновые процессы, как волны переключения и заселения. С помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса показано, что инициированные развивающимися трещинами зоны локализованной деформации определяют неоднородный характер деформации и разрушение исследованных композиций типа «сталь – покрытие».

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.