В работе проводится исследование и тестирование алгоритма оценки деформации твердых тел на мезомасштабном уровне, основанного на построении полей векторов перемещений и расчете компонент деформации. Проверка метода проводилась путем сравнения аналитически вычисленных компонент деформации с экспериментальными расчетными данными, полученными по модельным изображениям, а также на изображениях, записанных с помощью оптико-телевизионной измерительной системы TOMSC, при растяжении металлических и полимерных образцов. Показано, что оценки компонент деформации, получаемые в результате корреляционного анализа изображений, хорошо согласуются с результатами их аналитического расчета при известных параметрах нагружения и размерах анализируемых изображений. Результаты проведенных исследований являются наглядным доказательством правомочности использования комплекса TOMSC для оценки локальных деформаций, реализуемых путем обработки изображений поверхности образцов нагруженных материалов.

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.

Обнаружен новый механизм деформации в наноструктурированных поверхностных слоях деформируемого твердого тела и тонких пленках — развитие локализованного пластического течения в виде двойных спиралей. Сформулированы условия развития нового механизма деформации мезомасштабного уровня. Показано, что подобный механизм деформации может развиваться только в многоуровневой среде, имеет волновую природу и хорошо согласуется с полевой теорией неупругой деформации.

The investigation of influence of hardened layer structure and interface profile on plastic deformation development in boronized low carbon steels was carried out with the use of television-optical technique TOMSC and electron scanning microscope TESLA BS 300.

В работе представлены результаты совместных исследований особенностей развития деформации конструкционных материалов, проведенных с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSC и программно-аппаратного комплекса для регистрации акустической эмиссии. Показано, что комбинированное использование методов исследования структурных изменений, происходящих на поверхности и в объеме материала позволяет на основе выявляемой стадийности изменения информативных сигналов устанавливать соответствие между процессами деформации на микро- и мезомасштабном уровнях.

В работе описана методика выявления на оптических изображениях элементов деформационного рельефа, формирующегося в результате локализованного развития деформации в области вершины усталостной трещины, с использованием аппарата анализа изображений. Предложена численная характеристика, основанная на вычислении отношения площади элементов деформационного рельефа к площади фона, как интегральный параметр оценки степени деформированности поверхности.

Приведены результаты комплексных экспериментальных исследований и численного моделирования процессов пластической деформации материалов с покрытиями или поверхностным упрочнением на мезо- и макромасштабном уровнях. Показано влияние процессов, развивающихся на границе раздела покрытие - подложка, на развитие пластической деформации всей композиции. На основании полученных данных даются рекомендации по созданию поверхностно-упрочненных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами.

Обобщены результаты электронно-микроскопического исследования высокодефектных структурных состояний и закономерностей их формирования в наноструктурных материалах (Cu, Ni, Ni3Al, аустенитные стали), полученных в различных условиях интенсивной пластической деформации: кручение в наковальнях Бриджмена, равноканальное угловое прессование, большие деформации прокаткой при комнатной температуре. Проанализированы поля локальных внутренних напряжений в этих состояниях. предложена модель дефектной субструктуры объема и неравновесных границ зерен наноструктурных материалов. Проведено обсуждение наиболее важных механизмов деформации и переориентации кристаллической решетки в процессе формирования наноструктурных материалов и их последующей пластической деформации.

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.).

The paper considers algorithms of automatic identification of vortex structures arising in a deformed solid. The initial vector fields characterizing the deformation of a solid are obtained by the digital image correlation method. Circulation and a functional related to vector and radius vector orthogonality are proposed for use as vortex identification criteria. The application of these criteria is considered on the example of model vector fields with rotational and irrotational vortices. The operation of the algorithms is exemplified by displacement fields for material flow in a silicon-manganese steel weld. The role of finite sizes of a sliding window is demonstrated. Additional criteria to assist vortex structure identification are proposed.

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 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).??.

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.

Приведены результаты исследований механизмов фрагментации на мезоуровне при пластической деформации поверхностно упрочненной хромистой стали. Показано существование в пределах мезоуровня иерархии подуровней, связанных с образованием фрагментов различного масштаба и деформационных доменов. Самоорганизация механизмов деформации в иерархии мезоскопических подуровней подчиняется закону подобия.

Исследованы механизмы пластической деформации неа мезомасштабном уровне при растяжении поверхностно-упрочненных образцов стали 65Ч13, в которых однородная дислокационная деформация на микромасштабном уровне и объеме образца подавлена. Показано, что с самого начала пластическая деформация происходит путем распространения полос локализованной деформации в сопряженных направлениях максимальных касательных напряжений. этому соответствует появление на кривой "напряжение- деформация" стадии линейного упрочнения. На поздней стадии деформации, характеризуемой параболическим упрочнением, в образце возникает мезоскопическая субструктура, элементы которой испытывают сдвиг + поворот. Разрушение происходит по одной из мезополос, в которой развивается сильно локализованная пластическая деформация.

Методом рентгеновской топографии Фудживара измерены локальные развороты субструктурных элементов непосредственно в процессе деформации крупнозернистого алюминия. На начальной стадии деформации наблюдается резкое изменение углов разворотов, что согласуется с экспериментально измеренными поворотами лазерной спекл-интерферометрией. Данная методика позволяет изучать природу пластической деформации непосредственно на мезоуровне.

Представлены метод и устройство для измерения рельефа поверхности, предназначенные для изучения процессов пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях и последующего приложения результатов исследований для неразрушающего контроля материалов. Описана структурная схема автоматизированной системы для измерения рельефа поверхности нагруженных материалов, принцип действия которой основан на прямом методе измерения с помощью цехового профилометра. Даны основные технические характеристики работы автоматизированной системы; анализируются причины возникновения погрешностей измерений. Приведены типичные картины распределения рельефа поверхности образцов, полученные с помощью автоматизированной системы.

На основе численных расчетов анализируются особенности поля напряжений, создаваемых краем полосы пластического сдвига вблизи поверхности. В качестве модели полосы сдвига выбиралось плоское дислокационное скопление конечной длины. Показано, что при подходе края полосы к поверхности интенсивность напряжений в его окрестности заметно возрастает за счет эффектов сил "изображения". Обсуждена специфика распространения полос локализованного сдвига в материалах с покрытием.

Определены вольт-амперная характеристика и интенсивность изнашивания скользящих электроконтактов из композитов на основе сталей Г13, а также на основе стали ШХ15, переработанной из шлифовального шлама. Показано, что сталь ШХ15 имеет высокую износостойкость вследствие формирования наноструктур при деформации поверхностных слоев в зоне трения. Установлено, что при скольжении с плотностью тока более 100 А/см2 окисляется поверхность трения контртела из закаленной стали, поэтому сталь не может применяться в качестве контртела.

Исследованы особенности наноструктурирования поверхности образцов при трении в условиях сдвиговой неустойчивости подповерхностных слоев материала в результате сильной локализации деформации. Показано, что существуют три стадии локализации деформации в подповерхностных слоях. Изучена структура зоны локализации и показано, что деформация сосредоточена в полосах деформации. Формирование нанокристаллической структуры на поверхности в результате сдвиговой неустойчивости рассматривается аналогично формированию полосы локализованного сдвига. Образование нанокристаллической структуры может являться причиной перехода от нормального к адгезионному типу изнашивания в отсутствие механизмов структурной приспосабливаемости.

Исследовано накопление водорода в поверхностных слоях циркониевого сплава Э-125. Показано, что электролитическое наводораживание приводит к увеличению микротвердости и уменьшению модуля упругости поверхностного слоя. Наводороженный слой вызывает рост предела текучести и существенное снижение пластичности нагруженных образцов. Последующее облучение рентгеновским пучком способствует выходу водорода из поверхностного слоя образцов циркониевого сплава и частичному восстановлению его механических характеристик.

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 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».

Проведена серия численных экспериментов, нацеленных на выявление закономерностей формирования возмущений на внутренних границах раздела и поверхностях твердого тела при внешней приложенной механической нагрузке. Применен разработанный авторами стохастический алгоритм, использующий как базовые понятия классической теории упругости на макромасштабном уровне, так и результаты, полученные в рамках вероятностных подходов для более низких масштабных уровней. Обнаружено, что деформационный профиль поверхностного слоя нагруженного твердого тела имеет многоуровневую самоподобную структуру, где форма поверхности фронта возмущений на более высоком масштабном уровне подобна форме фронтов возмущений от концентраторов напряжений на более низких масштабных уровнях. Распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой – подложка» имеет «шахматный» характер.

Изложены результаты по исследованию влияния ультразвуковой обработки на микро- и мезорельеф, микроструктуру и фазовое состояние поверхности материала с эффектом памяти формы на основе никелида титана. Методами микроиндентирования, оптической профилометрии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей туннельной микроскопии и позитронной аннигиляционной спектроскопии показано, что интенсивная пластическая деформация поверхностных слоев приводит к появлению мезорельефа, сильному (в 2–3 раза) упрочнению поверхностного слоя, его нанофрагментации и изменению фазового состава. В наноструктурном состоянии наблюдается высокая концентрация вакансий на границах зерен.

Показано, что при усреднении по полупространствам упругие поля напряжений и деформаций, создаваемые плоскими скоплениями дислокаций, приобретают своеобразную топологическую особенность вида у/[y], т. е. терпят скачок при переходе через плоскость скопления. Эти средние поля оказываются эквивалентными полям дислокаций наиболее общего вида - дислокаций Сомилианы. В терминах средних полей описание деформационных границ в кристаллах, в частности границ кручения, оказывается особенно удобным. В таком описании граница кручения, например, есть поверхность, на которой среднее поле поворотов претерпевает топологический скачок.

В рамках известной задачи отражения упругих волн при падении на свободную поверхность и жесткую границу раздела получены аналитические выражения, определяющие коэффициенты отражения. Найденные коэффициенты отражения позволяют проанализировать зависимости различных компонент деформации и поворота при отражении упругих волн от свободной поверхности и жесткой границы раздела в случае идеального контакта и возможного проскальзывания от угла падения волны и упругих параметров среды. Рассмотрены особенности деформаций упругих сред на исследуемых границах раздела для падающих продольных и поперечных волн.

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.

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.

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 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 исследовали влияние пористости газотермических покрытий, а также вызванной этим их способности к пластическому деформированию на характер развития пластической деформации на мезоуровне при трехточечном изгибе композиций "покрытие-основа". Показано, что развитие пластической деформации практически с самого начала нагружения имеет вихревой характер, что связано с неоднородностью приложения к образцу нагрузки, а также различием физико-механических характеристик покрытия и основы. Однако в более пластичном покрытии, нанесенном газопламенным методом, масштаб вихревого движения имеет значительно меньший размер, что связано с эффективной релаксацией напряжений за счет пористости и разбиением "мезовихря" на ряд более мелких фрагментов. В связи с тем, что полосы локализованной деформации распространяются в подложку от границы ее раздела с газопламенным покрытием при приложении нагрузки как со стороны покрытия, так и со стороны подложки, обсуждается понятие концентраторов растягивающих и сжимающих напряжений.

Моделирование процессов деформации и разрушения угля выполнено на мезо- и макроуровнях. На мезоуровне численно исследован процесс разрушения мезообъема угля как композиционного материала, в котором явно учтены значимые структурные элементы, включая крупные поры. По известным физико-механическим параметрам компонентов получены усредненные параметры для заданного состава и пористости. На основе полученных усредненных характеристик рассмотрен процесс резания угля на макроуровне, с использованием определяющих соотношений, интегрально учитывающих внутреннее трение и дилатансию в деформируемом материале. Особенности напряженно-деформированного состояния вблизи кромки режущего инструмента воспроизводились при изучении поведения мезообъемов с целью оценки выхода пылевых частиц. Полученные данные о распределении пылевых частиц по размерам и массе хорошо согласуются с экспериментальными данными.

A comparative analysis has been performed of mesoscale stress and strain distributions in sections of 3D polycrystalline specimens and in their 2D cousins under plane strain and plane stress conditions. For similar macroscale stress-strain curves, the mesoscale plastic strain localization patterns are shown to differ essentially both qualitatively and quantitatively in 2D and 3D models. In other words, the same effective mechanical response of the materials can be provided by different mesoscale stress and strain distributions depending on the loading technique used and geometric features of the specimens (thin plates, thick specimens, etc.).

Обсуждаются методика и результаты численного анализа внутренних напряжений и деформаций в дисперсно-наполненном полимерном материале при изменении его температуры, когда матрица и включения имеют различные теплофизические свойства. Пространственно-временные распределения температуры определяют постановку задач на мезоуровне, где рассматривается представительный объем (мезообъем) материала как матрица с относительно небольшим числом включений. Анализ детального распределения напряжений и деформаций в окрестности включения позволяет сформулировать утверждение, что одной из причин образования межфазного слоя на границе "матрица-включение" могут служить возникающие особенности напряженно-деформированного состояния. Этим же обстоятельством можно объяснить существенные расхождения получаемых теоретических макрохарактеристик высоконаполненного полимерного композитного материала с их экспериментально полученными значениями.

Исследовано влияние ионно-модифицированного поверхностного слоя на пластичность, эффект памяти формы и мезоструктуру поверхности разрушения сплава Ni50Ti40Zr10. Установлено, что ионная имплантация приводит к повышению микротвердости поверхностного слоя и к общей пластификации сплава. Мезоструктуры поверхностей излома исходных и имплантированных образцов имеют принципиальные различия. В имплантированных образцах непосредственно под облученной поверхностью формируется слой толщиной, кратной размеру зерна В2-фазы, с характерным мезорельефом, отличным от рельефа неимплантированных образцов, и иными пластическими свойствами. В результате данной поверхностной обработки параметры эффекта памяти формы в образцах не ухудшаются, циклическая термостойкость возрастает.

Проведено исследование зарождения и распространения мезополос неупругой деформации в двухуровневой неравновесной системе "поверхностный слой - подложка" при одноосном растяжении. Применен метод стохастических возбудимых клеточных автоматов, подробно изложенный в [1]. Показано, что мезополосы неупругой деформации зарождаются в областях растягивающих нормальных напряжений на интерфейсе и распространяются в глубь материла по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. При пересечении мезополос, распространяющихся в двух смежных сопряженных направлениях, их развитие прекращается.

Исследована эволюция локальных деформаций при растяжении монокристаллов высокомарганцовистого аустенита с углеродом. Показано, что типы упорядоченных картин локализации находятся в тесной связи со стадиями деформационной кривой. Полученные резулттаты сравниваются с аналогичными данными исследований полей деформации монокристаллов хромо-никелевого аустенита с азотом. Установлена зависимость скорости самосогласованного движения очагов неоднородностей пластической деформации при растяжении монокристаллов Fe от коэффициента деформационного упрочнения и механизма деформации.