Показано, что в поверхностных слоях поликристаллов титана, алюминия, свинца и сплавов на его основе при знакопеременном изгибе формируется многоуровневая мезосубструктура, которая определяет зарождение поверхностных усталостных трещин. Характер мезосубструктуры и размеры ее структурных элементов определяются сдвиговой устойчивостью внутренней структуры поверхностного слоя и упругими характеристиками материала основы. Обсуждение проводится на основе теории волн локализованной неупругой деформации В. Е. Егорушкина.

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.

Представлен краткий обзор экспериментальных и теоретических исследований разрушения хрупких и пластичных тел и сред, включая геоматериалы и геосреды, неопровержимо свидетельствующих об иерархичности и самоподобии процессов их деформации и разрушения. Показано, что принцип универсальной делимости геоматериалов и геосред может быть продолжен на мезо- и микроуровни, на которых сохраняется (а точнее сказать, с которых начинается) самоподобие процесса их деструкции, установленное для макрообъектов. Показано также, что этот принцип может быть распространен и на пластичные материалы и среды. Обсуждается соображение, что альтернативу статистическим методам анализа разрушения и деформации может составить общая теория систем.

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.

На основе представлений физической мезомеханики исследовано в контролируемых условиях (высокочистые поликристаллы, одинаковая величина зерна) влияние малорастворимых добавок разного типа на ползучесть свинца и ее отдельные составляющие. Показано, что все использованные добавки понижают скорость ползучести в данных условиях. Влияние легирования поликристалла малорастворимыми добавками на скорость установившейся ползучести осуществляется через зернограничное проскальзывание и формирование приграничных полос локализованной деформации.

В рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики исследован механизм распространения усталостной трещины в поверхностном слое плоского образца при знакопеременном изгибе. Показано, что несовместность поворотных мод каналированных пластических сдвигов в поверхностном слое и аккомодационной упругой деформации в подложке определяет развитие усталостной трещины как нелинейного автоволнового процесса поворотного типа.

На базе представлений физической мезомеханики исследована связь эффектов электрической поляризации при сжатии монокристаллов LiF с масштабными уровнями локализации пластического течения. Существует четкая корреляция между скоростью изменения электрических сигналов и стадиями развития локализованных сдвигов в объеме монокристалла. Масштабные уровни локализации пластической деформации ионного кристалла при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Обсуждается возможность использования выявленного эффекта для предсказания землетрясений.

Представлены основные положения физической мезомеханики структурно-неоднородных сред, которая развивается на базе совместных подходов неравновесной термодинамики, калибровочной теории дефектов и механики сред со структурой. Многоуровневый подход рассматривает развитие пластической деформации во всей иерархии структурно-масштабных уровней: нано-, микро-, мезо- и макро. Разрушение представляется как завершающая стадия возрастная неравновесности деформируемого твердого тела, когда в некоторой зоне неравновесный термодинамический потенциал Гиббса становится равным нулю и кристалл испытывает структурно-фазовый распад.

Исследованы механизмы знакопеременной интенсивной пластической деформации на мезомасштабных уровнях тонких фольг высокочистого алюминия. Поликристаллические фольги различной толщины приклеивали к более жестким образцам технического титана или алюминия и подвергали знакопеременному изгибу. Это обусловило сильное различие граничных условий на лицевой и обратной сторонах фольги и позволило показать важную роль взаимного влияния растягивающих и сжимающих нормальных напряжений в развитии пластической деформации материала. Исследованные механизмы локализованной пластической деформации и ее самоорганизация на мезомасштабных уровнях контролируются полем максимальных касательных напряжений и вызываемых ими поворотных мод деформации. На свободных поверхностях фольг в условиях их интенсивной пластической деформации развивается пористость, которая сильно зависит от толщины фольги. На обратных сторонах всех исследованных фольг пористость не возникает. Очень тонкое скольжение и формирование твидовой структуры в тонких фольгах связывается с «шахматным» распределением растягивающих и сжимающих напряжений на внутренних границах раздела. Влияние степени неравновесности материала в условиях интенсивной пластической деформации на механизмы деформации анализируется на основе неравновесной термодинамики локальных структурно-фазовых превращений в зонах гидростатического растяжения.

На основе совместных подходов физической мезомеханики и неравновесной термодинамики рассмотрены механизмы возникновения в деформируемом твердом теле как многоуровневой системе нелинейных волн локализованного пластического течения и разрушения. Показано, что в основе возникновения нелинейных волн локализованного пластического течения лежит самоорганизация каналированных на мезомасштабном уровне потоков локальных структурных превращений, развивающихся на наномасштабном уровне. В условиях деформационного упрочнения бегущие волны локализованного пластического течения трансформируются в фазовые волны стационарной макролокализации, сопровождаемые фазовыми волнами разрушения. В структурно неоднородной среде в иерархии мезомасштабных уровней распространение каналированных локальных структурных превращений сопровождается генерацией дислокаций, мезополос сдвига и других деформационных дефектов. Эти механизмы деформации определяют диссипативную составляющую общего процесса пластического течения твердых тел. Предложена теория нелинейных волновых процессов локализованного пластического течения в деформируемом твердом теле, которая хорошо согласуется с известными в литературе экспериментальными результатами.

При растяжении в широкой области температур поликристаллов свинцовых сплавов, существенно различающихся состоянием объемов и границ зерен, показано, что на характер зависимости сопротивления деформированию от величины зерна значительное влияние оказывает развитие поворотных мод деформации на различных масштабных уровнях. Полученный результат необходимо учитывать при интерпретации параметров уравнения Холла-Петча в представлениях многоуровневого подхода физической мезомеханики.

Изучены мезомасштабные закономерности локализации пластического течения и разрушения холоднокатаных металлических поликристаллов в условиях растяжения. Описана кинетика формирования и развития мезополосовых структур с позиций иерархии масштабных уровней потери сдвиговой устойчивости поликристаллов. Показано, что состояние предразрушения поликристаллов связано с их мезомасштабной фрагментацией, а характер разрушения определяется самосогласованием всех масштабных уровней деформации в области макрополосового диполя.??.

Исследованы эффекты электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии при сжатии гранита, мрамора и монокристаллов LiF. Обнаружено большое сходство качественного изменения амплитуды измеряемых сигналов различной физической природы с увеличением внешнего напряжения до разрушения. На примере исследования токов поляризации в монокристаллах LiF показано, что существует четкая связь качественного и количественного изменения амплитуды сигнала со стадиями развития локализованных сдвигов в объеме материала. Масштабные уровни локализации пластической деформации кристаллических материалов и горных пород при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Полученные данные анализируются с позиции представлений физической мезомеханики. Обсуждается возможность использования эффектов электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии для предсказания землетрясений.

В монографии обоснован новый в теории деформации твердых тел подход, базирующийся на концепции иерархии структурных уровней деформации. Теоретически и экспериментально показано: протекающая одновременно на нескольких структурных уровнях деформация твердых тел обусловлена появлением в деформируемом кристалле диссипативных структур и движением трехмерых структурных элементов деформации. Развиваемая в книге теория дефектов предсказывает вихревой характер пластической деформации твердых тел. Использование описанного подхода позволяет выработать рекомендации для создания материалов с заранее заданными свойствами.Книга рассчитана на специалистов в области механики и физики пластичности.

Приводятся экспериментальные данные о развитии в поверхностных слоях поликристаллов при их циклическом нагружении каналированных локальных структурных превращений вдоль направлений максимальных касательных напряжений. Данный процесс развивается стадийно. На первой стадии нагружения происходит каналированная экструзия островков материала поверхностного слоя, на второй стадии - их коагуляция во фрагментированные складчатые структуры. Геометрические параметры складчатых структур коррелируют с энергией дефекта упаковки материала. Полученные результаты подтверждают концепцию физической мезомеханики о «шахматном» распределении растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на интерфейсе «ослабленный поверхностный слой - кристаллическая подложка материала».

Исследована кинетика зарождения и роста усталостных трещин путем анализа полей смещений в поликристаллических образцах дуралюмина Д16АМ в условиях малоцикловой усталости. Показано, что на мезомасштабном уровне усталостное разрушение имеет многостадийный характер и связано с трансляционно-ротационным движением объемных мезодефектов и фрагментацией материала. Критерии диагностики разрушения определяются параметрами мезоскопических субструктур, формирующихся на поверхности поликристаллов в процессе их циклического нагружения.

В работе на основании измерения механических характеристик, а также данных оптической и электронной микроскопии исследовали особенности деформации и разрушения при растяжении образцов стали 25Х1М1Ф в исходном состоянии и после термоциклической наработки. Показано, что деформация образцов данной стали в исходном состоянии характеризуется крайне малым деформационным упрочнением и существенным удлинением на этапе формирования шейки. После термоциклической наработки напряжение течения снижается, пластичность заметно возрастает, деформационное упрочнение становится более выраженным. Полученные результаты обсуждаются с использованием данных металлографии. Данные фрактографических исследований свидетельствуют о том, что характер разрушения определяется закономерностями зарождения микроспор, их слиянием и образованием центральной макротрещины отрыва. Согласно экспериментальным результатам образец разрушается по смешанному механизму, включающему локальный сдвиг и отрыв. При этом значительное влияние на характер разрушения оказывают вторичные микротрещины и интенсивная внутризеренная пластическая деформация. На основании полученных результатов предлагается схема структурных уровней деформации и разрушения исследованных образцов при статическом растяжении.

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

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

Приведены результаты исследований физико-математических и триботехнических свойств композиционных микро- и макрогетерогенных материалов матрично-наполненного типа, содержащих в качестве твердой фазы карбид титана. Показано, что создание многоуровневой демпфирующей структуры позволяет регулировать процесс изнашивания материала, заданием наиболее выгодного для данных условий трения структурного уровня деформирования поверхностного слоя.

На основе уравнений линейной механики разрушения построены векторные поля упругих смещений перед вершиной трещины моды I, II и смешанной моды (I+ II). Предложен алгоритм выделения базовых мод I и II при смешанном характере развития усталостной трещины как для упругих, так и для необратимых смещений. Применение такого подхода рассмотрено на мезоуровне на примере векторного поля неупругих смещений, экспериментально измеренных оптико-телевизионным методом в условиях циклического растяжения поликристаллов.

Исследованы температурно-скоростные зависимости сопротивления деформации и закономерности зернограничного скольжения при активном растяжении поликристаллов свинца и ряда сплавов на его основе. Определены энергии активации процессов пластической деформации и зернограничного скольжения. Исследованы структурные механизмы зернограничного скольжения в широком интервале температур. Делается заключение, что в основе самосогласования зернограничного скольжения и внутризеренного пластического течения лежат поворотные моды деформации. При этом зернограничное скольжение является первичным. Проведен теоретический анализ поворотных мод деформации, сопровождающих зернограничное скольжение. Показано, что зависимость деформирующего напряжения от величины зерна поликристалла не может быть описана одним универсальным уравнением Холла-Петча.

Выполнен обзор закономерностей электростимулированной пластической деформации на разных структурных уровнях. Рассмотрены: иерархия внешних токовых воздействий на процесс пластической деформации; изменение подвижности индивидуальных дислокаций в областях термически активируемого и квазивязкого движения при механическом, токовом и совместном воздействии в широком диапазоне температур (микроуровень); эволюция дефектной структуры в материалах различных структурных классов, подвергнутых электростимулированию в широком диапазоне деформации (мезоуровень); упорядоченный характер неоднородностей пластической деформации и модели напряженно-деформированного состояния при токовом воздействии (макроуровень); дана их физическая интерпретация.

Развиты основные положения многоуровневого описания деформируемого твердого тела как нелинейной иерархически организованной системы. Первичное пластическое течение развивается в 2D планарной подсистеме (поверхностные слои и все внутренние границы раздела), создавая многоуровневые эффекты кривизны решетки 3D кристаллической подсистемы. Эти эффекты лежат в основе генерации деформационных дефектов всех типов на интерфейсах 2D- и ЗD-подсистем, возникновения бифуркационных межузельных структурных состояний, которые обусловливают вихревую пластическую дисторсию, развитие кривизны нелинейных потоков структурных трансформаций на мезомасштабных уровнях и определяют нелинейную механику разрушения как структурно-фазового распада твердого тела в зонах закритической кривизны его кристаллической структуры. Приведены основы нелинейной теории представленного многоуровневого описания.