Цель работы - увеличение области исследуемой поверхности материала при измерении полей смещений и деформации методом корреляции цифровых изображений. Показана принципиальная возможность нахождения координат перекрытия (сдвига) векторных полей. Предложен алгоритм согласования векторных полей при их объединении. Выполнено численное моделирование влияние аддитивной погрешности с нормальным и равномерным законами распределения на точность определения координат сдвига. Рассмотрена возможность сшивки векторных полей при сканировании методом "скользящего окна". На примере многоцикловой усталости сварного соединения показана принципиальная возможность оценки текущего механического состояния путем измерения необратимой деформации в масштабе образца.

Рассмотрены алгоритмы автоматической идентификации вихревых структур, возникающих в деформируемом твердом теле. Исходные векторные поля смешений, характеризующие формоизменение твердого тела, регистрируются методом корреляции цифровых изображений. В качестве критериев идентификации вихрей предложено использовать циркуляцию и функционал, связанный с ортогональностью вектора и его радиус-вектора. Рассмотрено их применение на примере модельных векторных полей с вихрями ротационного и безротационного типов. Работа алгоритмов показана на примере поля смещений, характеризующего течение материала сварного соединения стали 10Г2С. Продемонстрирована роль конечных размеров скользящего окна. Предложены дополнительные критерии, помогающие выделить вихревые структуры.

Исследовано влияние величины шага сетки векторного поля перемещений на оценку деформации в методе корреляции цифровых изображений. Проанализированы причины возникновения и величина погрешности оценки деформации при обработке оптических изображений поверхности материала с различной текстурой. Изучена зависимость величины шага сетки при оценке деформации от величины перемещений, а также от наличия и размера области разрыва в поле деформаций. Предложен адаптированный алгоритм выбора шага сетки, позволяющий уменьшить погрешность вычисления деформации в 1,9 раза, при этом вычислительные затраты уменьшаются в 2,1 раза.

С использованием оптической и растровой электронной микроскопии, а также микро- и наноиндентирования исследованы особенности модификации структуры по поперечному сечению, а также свойства стали 12Х1МФ, подвергнутой ионно-лучевой обработке пучком ионов циркония. Показано, что модификация происходит по всему поперечному сечению облученного образца толщиной 1 мм. Данные о структурных изменениях использованы при исследовании изменения механических свойств при статическом и циклическом нагружении образцов после облучения. Особое внимание уделяется анализу результатов оценки деформации методом корреляции цифровых изображений.The peculiarities of structural modification and properties of 12Cr1MoV steel subjected to zirconium ion beam treatment were studied by optical microscopy, scanning electron microscopy, and micro- and nanoindentation. It is shown that the modification covers the entire cross-section of the irradiated specimens to a depth of 1 mm. The data on irradiation-induced structural changes are used to interpret the changes in mechanical properties of the irradiated specimens under static and cyclic loading. Particular attention is given to analysis of strain estimation by the digital image correlation method.

The structure and properties of 12Cr1MoV steel irradiated with a zirconium ion beam were studied by optical microscopy, scanning electron microscopy, and micro- and nanoindentation. It is shown that the modification covers the entire cross-section of the irradiated specimens to a depth of 1 mm. The data on irradiation-induced structural changes are used to interpret the changes in mechanical properties of the irradiated specimens under static and cyclic loading. Particular attention is given to analysis of strain estimation by the digital image correlation method.

Исследовано влияние величины шага сетки векторного поля на оценку деформации в методе корреляции цифровых изображений для случая неоднородной деформации нагруженных твердых тел. Влияние шага сетки при оценке деформации изучали в зависимости от величины перемещений, а также наличия и размера области разрыва в поле векторов перемещений (деформаций). Предложен алгоритм автоматического выбора шага сетки векторного поля, обеспечивающий уменьшение ошибки оценки деформации по сравнению с наилучшим результатом для случая равномерного шага сетки.

Предложен и протестирован алгоритм выделения узловых точек калибровочного шаблона для задач калибровки систем стереозрения при оценке деформации методом корреляции цифровых изображений. В основе принципа его работы лежит анализ формы характеристических точек на шаблоне и их пространственного расположения. Результаты тестирования показали достоверное выделение калибровочного шаблона в условиях зашумленности и изменении угла его поворота относительно камеры в широком диапазоне (до 45°) без потерь точности, что достигается за счет вычисления и последующего детального анализа статистических (геометрических или пространственных) характеристик и отдельных характеристических точек. При использовании пиксельной точности определения координат точек калибровочного шаблона в плоскости проекции предложенный алгоритм обеспечивает среднюю ошибку в 1.2 пикселя.

Книга посвящена теории и практическому применению новых оптических методов, основанных на пятнистой структуре (спекл-структуре) изображений, получаемых в когерентном свете. Такие методы открывают новые возможности в отношении измерения смещений, деформаций, вибраций, определения формы и качества диффузных объектов, обработки изображений. Рассчитана на широкий круг научных работников и специалистов, занимающихся проблемами когерентной оптики и применяющих лазерные методы в научных исследованиях.

В книге изложено статистическое описание закономерностей акустической эмиссии при пластической деформации сталей. Приведена методика определения параметров кристаллической структуры по одной дифракционной линии численно-аналитическим методом. Показано применение этих методов для исследования пластической деформации в сталях. Предназначена для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области материаловедения и неразрушающего контроля, а также может быть полезна студентам, аспирантам и преподавателям вузов соответствующего профиля.

Проведено исследование деформации и разрушения образцов из углерод-углеродного композиционного материала с различным размером концентратора напряжений в форме центрального отверстия диаметром 7,10 и 13 мм с использованием разработанного комбинированного метода. Результаты численного анализа экспериментальных данных представлены в виде диаграмм (зависимостей) интенсивности деформации сдвига и активности акустической эмиссии как функций от времени нагружения. Обсуждаются и трактуются причины подобия и различия результатов исследований. Полученные данные предложено использовать для неразрушающего контроля композиционных материалов путем выделения характерных стадий развития деформации и момента, предшествующего разрушению.

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 работе приведен краткий обзор основных методов измерения деформаций, применяемых для анализа напряженно-деформированного состояния образцов и деталей, включая оптико-телевизионный метод, разработанный в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН. На примере оценки конфигурации зон пластичности с помощью оптико-телевизионного метода в модельном медном образце с надрезом показана и обоснована возможность использования данного метода для исследования механического поведения материала, в том числе и на стадии накопления повреждений и разрушения, а также оценки величины трещиностойкости K1с. Показаны преимущества оптико-телевизионного метода по сравнению с другими известными методами измерения деформаций и перспективность его использования. Ключевые слова: деформация, разрушение, методы измерения деформаций, зоны пластичности, трещиностойкость.

Проведен синтез гидроксилапатита жидкофазным способом. Исследовано влияние времени выдерживания осадка в маточном растворе на стехиометрию полученного гидроксилапатита и его дисперсность. Проведено сравнение дисперсности и элементного состава синтезированного и аллогенного гидроксилапатита.

Методами склерометрии и атомно-силовой микроскопии исследованы механизмы износа гальванических покрытий AuNi и AuCo. Показано, что царапание при малых нагрузках может использоваться для сравнительного анализа износостойкости при абразивном износе металлических покрытий. Установлено, что развитый рельеф поверхности, обусловленный формированием агломератов зерен, обеспечивает более высокую износостойкость покрытий AuCo по сравнению в гладкой поверхностью покрытий AuNi за счет диссипации упругой энергии контактного взаимодействия индентора с поверхностью образца.

Разработан метод полимераналогичных превращений ПС путем его иодирования и последующей конденсации с замещенными этиленами в присутствии катализаторов на основе солей палладия. Найдены условия протекания реакций, позволяющие проводить их с хорошими степенями превращения без заметного протекания побочных макромалекулярных реакций сшивки и деструкции, а также получать продукты с заданной степенью замещения.

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.

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.

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.

Для анализа деформации твердых тел предложено использовать одновременно три in situ метода регистрации данных, включая диаграмму нагружения (макромасштабный уровень), корреляцию цифровых изображений (мезомасштабный уровень) и акустическую эмиссию (микромасштабный уровень). Реализован комплекс in situ исследования процессов деформации и разрушения, принцип действия которого основан на установлении взаимосвязи длительности характерных стадий изменения информативных параметров и их соотношения с лидирующим масштабным уровнем. на примере растяжения образцов алюминиевого сплава Д16 с надрезом различной глубины выделены характерные стадии изменения производной приложенной нагрузки, активности АЭ и интенсивности деформации сдвига от степени деформации. Показано, что характерные стадии, выделяемые на графиках изменения всех информативных параметров от времени, хорошо согласуются между собой и относятся к упругой деформации, параболическому упрочнению и распространению трещины.

The paper studies the mechanical properties and configuration of plastic zones in notched high-strength structural steel under tension. Quantitative analysis of the plastic zones is made by constructing strain intensity distribution patterns with the use of the television-optical measuring complex TOMSC. Fracture associated with plastic flow is analyzed by comparing fractographs and distributions of strain characteristics. It is found that the fracture originates in a region with maximum strain intensity. It is shown that the mechanisms of plastic flow in high-strength steel specimens with P 1.58 and P 4.65, where P is the index of initial stress stiffness, differ considerably. It is demonstrated that the high-strength steel specimens are fractured by quasibrittle mechanisms; however, ductile micromechanisms through pore nucleation and growth remain operative at all stages of fracture.

Localized plastic strain evolution stages in notched aluminum AA 2024 alloy tension specimens have been investigated. Integral calculations of the microscale strain have employed acoustic emission data. The mesoscale strain has been studied by calculating the normalized integral equivalent shear strain from television-optical data. To gain insight into the special features of the macroscale strain, the time derivative of the applied loading has been examined. Early in the loading process, acoustic emission is shown to respond best to deformation and fracture. This makes it possible to reveal a transition from stage I to stage II in the evolution of localized strain where the mesoscale level comes to dominate over the macroscale one. At high strains, the digital image correlation method provides a consistent characterization of the predominance of the mesoscale level. The results of the investigations under review point to the fact that an analysis of localized plastic strain stages is an effective means of interpreting the data on the evolution of plastic flow at different scale levels.

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.

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 исследуются механические свойства, конфигурация зон пластичности и их изменение во время растяжения образцов с надрезами конструкционной стали ВКС-12. Количественные исследования зон пластичности выполнены с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC путем построения картин распределения интенсивности деформации. Сопоставляя фрактограммы и картины распределения характеристик деформации, в работе также анализировали процесс разрушения, взаимосвязанный с пластическим течением. Обнаружено, что разрушение начинается в области с максимальной величиной интенсивности деформации. Установлено, что закономерности пластического течения в образцах с П 1.58 и П 4.65, где П - показатель исходной жесткости напряженного состояния, существенно различны. Показано, что в исследованных образцах стали ВКС-12 характер разрушения квазихрупкий, однако на всех стадиях разрушения сохраняется вязкий микромеханизм разрушении путем зарождения и роста пор.

На основе сформулированных в первой части работы требований по ограничению параметров неоднородности механических характеристик в зоне скрепления «топливный элемент - корпус» разработаны методы обеспечения указанных требований и работоспособности топливного элемента твердотопливной энергетической установки ракетно-космических систем.

Обсуждаются построение, способ реализации и апробация новой динамической функции отклика подвижных клеточных автоматов, зависящей от скорости нагружения. Предложенный метод основан на использовании аналитических соотношений, полученных в ходе анализа динамической модели однородно-деформируемого материала с дефектами, построенной в рамках калибровочной теории дефектов с учетом диссипации энергии и самодействия дефектов. Численная реализация функции отклика предполагает введение временнуй зависимости, определяющей переход из упругой области в пластическую с увеличением предела текучести с ростом скорости деформации. Апробация функции отклика проведена на основе моделирования задачи по одноосному нагружению.

Проведено исследование процессов пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях при трении и изнашивании конструкционной стали с композиционным упрочняющим покрытием. Показано, что характер пластической деформации на мезомасштабном уровне в композициях с покрытиями характеризуется рядом существенных особенностей, связанных с возникновением иерархии концентраторов напряжений на двух границах раздела: "контртело-покрытие" и "покрытие-основа". Анализ изображений поверхности трения с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC позволил установить, что под действием поперечных составляющих сдвигов, развивающихся в результате релаксации мезоконцентраторов напряжений на границе раздела "контртело-покрытие", создается периодическое чередование зон растяжения и сжатия. Это обусловливает поперечное перераспредление твердых частиц в тонком поверхностном слое и возникновение в нем "строчечной" структуры.

Предложен метод исследования напряженно-деформированного состояния с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. Это количественный экспресс-метод, основанный на компьютерной обработке больших массивов оптических изображений поверхности образца, снятых in situ в процессе его испытания на растяжение или сжатие. Возможности метода показаны на примере исследования деформированного состояния при растяжении медного образца с круговым надрезом.

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.

Методами рентгеноструктурного анализа исследовано изменение микроструктурных параметров твердых сплавов на основе карбида вольфрама в исходном и деформированном состояниях в зависимости от химического состава матрицы. Определены параметры решетки, размеры областей когерентного рассеяния, микроискажения кристаллической решетки, плотность дислокаций структурных составляющих твердых сплавов до и после деформации. Установлено, что механические свойства всего композита определяются величинами изменения определенных параметров внутренней структуры компонентов: пластичность сплава - величиной изменения размера областей когерентного рассеяния в матрице, а его прочность - величиной изменения микроискажений кристаллической решетки упрочнителя.

Численно исследовано напряженно-деформированное состояние в алюминиевых образцах с неразъемным соединением, полученным сваркой трением с перемешиванием, при растяжении и сжатии. Краевая динамическая задача решалась численно методом конечных разностей в постановке плоского деформированного состояния. Проведены расчеты на макро- и мезоуровнях. Структурная неоднородность сварного шва учитывалась явно посредством задания различия в механических свойствах материалов в различных зонах СТП соединения. На макроуровне в каждой зоне задавалась своя функция деформационного упрочнения, полученная на основе обработки экспериментальных кривых течения. На мезоуровне параметры функции упрочнения в локальных областях материала зависели от размера зерна поликристаллической структуры в соотношении Холла-Петча. Выявлена общая закономерность локализации напряженно-деформированного состояния в структурно-неоднородной среде.

Рассмотрены волновые решения системы уравнений полевой теории дефектов в вязкоупругой среде. Определены показатели преломления и поглощения, скорости распространения волн упругого континуума и континуума дефектов. Проанализированы особенности корреляции различных волн.

В монографии представлены результаты экспериментальных исследований, посвященных выявлению на различных структурных и масштабных уровнях закономерностей влияния слабых электрических воздействий на металлы и сплавы, подвергающиеся пластической деформации. Книга предназначена для специалистов в области физики конденсированного состояния, металловедения и термической обработки металлов и сплавов и может быть полезна аспирантам и студентам старших курсов соответствующих специальностей.

Представлены результаты экспериментального исследования модификации покрытий на основе TiN комбинированным потоком ионов Al + B. Сформулирована модель процесса поверхностной обработки, учитывающая основные физико-химические явления, приводящие к изменению фазового состава и структуры покрытия. Проведена оценка параметров модели. Показано ее качественное соответствие данным эксперимента.