Предложена методика определения вклада зернограничного проскальзывания в общую деформацию поликристаллов, в том числе с ультрамелким размером зерна, с использованием растровой электронной микроскопии и сфокусированного ионного пучка. Приведен пример использования методики для определения вклада зернограничного проскальзывания при пластической деформации ультрамелкозернистого алюминия в условиях умеренных гомологических температур.

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.

Скорость распространения ультразвуковых волн в металлах и сплавах измерена во время пластической деформации. Установлено что зависимость скорости ультразвука от действующего напряжения пластического течения имеет форму многостадийной кривой; ее участки могут иметь как положительный, так и отрицательный наклон. Обсуждена взаимосвязь полученных зависимостей со стадийностью кривых пластического течения.

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.

Приведены результаты расчетов численного моделирования разрушения анизотропных материалов (на примере алюминиевого сплава Д16Т) при динамическом нагружении с использованием изотропного и анизотропного критериев разрушения. Рассмотрено разрушение преграды из анизотропного материала под действием ударника. Показано, что при использовании анизотропного критерия разрушение концентрируется вокруг ударника, а в случае применения критерия Мизеса - Хилла оно распространяется вглубь преграды.

С помощью метода подвижных клеточных автоматов была развита многоуровневая модель структурно-неоднородных покрытий. Она основана на последовательном выполнении следующих этапов: моделирование однородных образцов со свойствами составляющих компонентов покрытия; определение представительного объема неоднородного покрытия с явным заданием его структуры; неявный учет свойств неоднородностей малого масштаба в полномасштабной модели. развитая модель была применена для изучения разрушения структурированных покрытий, полученных электронно-лучевой наплавкой на стальной подложке, при различных видах механического нагружения.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование зарождения и развития пластической деформации в кристаллите титана при одноосном растяжении. Межатомное взаимодействие описывалось в рамках метода погруженного атома. Изучены особенности генерации локальных структурных перестроек в кристаллите в зависимости от скорости растяжения. Показано, что существует пороговое значение деформации, при достижении которого в кристаллите начинают зарождаться локальные структурные перестройки. Зарождение пластической деформации в кристаллите сопровождается скачкообразным уменьшением потенциальной энергии. Вследствие инерционности аккомодационных процессов пороговое значение деформации увеличивается с ростом скорости нагружения.

Методом дифракции обратно рассеянных электронов проведен анализ эволюции микротекстуры и факторов Шмидта при растяжении в условиях формирования шейки. Установлена взаимосвязь колебательной неустойчивости пластического течения в очаге деформации в режиме "упрочнение- разупрочнение" с геометрическим упрочнением (разупрочнением) в процессе переориентации плоскостей легкого скольжения в зернах относительно оси нагружения. Выявлена связь активности различных систем скольжения с закономерностями эволюции количественных параметров микроструктуры.

Исследовано влияние низкотемпературного отжига на механические характеристики и зеренно-субзеренную структуру (ЗСС) образцов субмикрокристаллического (СМК) никеля, полученного методом равноканального углового прессования (РКУП). С помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) получена оценка распределения ЗСС по размерам и относительной энергии ее границ после отжига при разной температуре. изменение механических свойств СМК никеля обсуждается с учетом эволюции ЗСС структуры в процессе низкотемпературного отжига.

Проведено исследование возможностей сохраняющей поперечный размер прессуемого образца накопительной экструзии в качестве метода интенсивной пластической деформации на примере алюминиевых порошковых материалов. Выяснено, что выбранный метод многократной экструзии вполне приемлем как для уплотнения порошковых материалов, так и для их интенсивной деформации.

Проведено исследование связи между параметрами микроструктуры и механическими свойствами сплавов системы Mo-47%Re (вес. %) после различных степеней интенсивной пластической деформации кручением под давлением. Установлено, что характерной особенностью материалов после такого способа деформационного воздействия является формирование анизотропного структурного состояния. Показано, что в сплавах формируются двухуровневые структурные состояния, обеспечивающие значительное увеличение параметров микротвердости.

В работе изучены особенности развития локальных структурных изменений в кристаллите меди на атомном уровне при различных типах контактного взаимодействия: сдвиговое нагружение идеально сопряженных поверхностей, локальное сдвиговое нагружение и наноиндентирование. Исследование выполнено на основе молекулярно-динамического подхода. Межатомное взаимодействие описано в рамках метода погруженного атома.. Показано, что первоначально аккомодация нагружаемого кристаллита осуществляется посредством генерации локальных структурных трансформаций, которые впоследствии формируют дефекты более высокого ранга, такие как дислокации, дефекты упаковки, границы раздела и т.д. Дальнейшее развитие пластической деформации характеризуется распространением дефектов структуры из зоны контакту в объем кристаллита. Выход дефектов структуры на свободную поверхность ведет к формоизменению моделируемого кристаллита. В зависимости от условий нагружения эволюция деформационной картины может характеризоваться изменением кристаллографической ориентации кристаллита вблизи зоны контакта, а также образованием разориентированных наноразмерных областей и, в конечном итоге, формированием устойчивого наноструктурного состояния. Полученные результаты позволяют с новых позиций понять природу генерации дефектов кристаллической структуры при зарождении и развитии пластической деформации в нагружаемых материалах.

На основе метода частиц предлагается модель шероховатой поверхности твердого тела. Несмотря на то, что в работе размер частиц выбран произвольно, эволюция фактической площади касания и изменение напряжения в пятнах контактов достаточно хорошо согласуется с представлениями, которые вытекают из экспериментальных исследований. Эксперименты показывают, что при сближении двух поверхностей давление на контактах значительно выше номинального, это приводит к пластической деформации поверхностных слоев, которая оказывается много больше объемной деформации. В данной модели наглядно показывается, от чего зависит и как формируется напряженное состояние поверхностного слоя. Модель позволяет рассматривать взаимодействие поверхностей не только в стационарном случае, но и при их относительном перемещении.

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 закономерности накопления усталостных повреждений при циклическом нагружении стали 25Х1М1Ф при частотах 0.1 и 1.0 Гц, в том числе с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSС. Выявлены физические закономерности, определяющие взаимосвязь подходов механики разрушения и физической мезомеханики материалов. Для описания поля макронапряжений в вершине трещины использован силовой критерий механики разрушения - коэффициент интенсивности напряжений. При этом физико-механические закономерности накопления усталостных повреждений отражают органическую взаимосвязь пластической деформации и разрушения материала в зоне макроконцентратора напряжений, представляют собой стадийный процесс и могут быть описаны в рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики. Повышение частоты нагружения от 0.1 до 1.0 Гц обусловливает снижение продолжительности единовременного пребывания образца в нагруженном состоянии, что при значениях коэффициента интенсивности напряжений до 40 МПа × м1/2 практически не влияет на скорость роста усталостной трещины, а при больших его величинах приводит к увеличению скорости ее роста в 2.0-2.5 раза. Данные процессы проявляются также в снижении влияния процессов пластической деформации на мезоуровне, при этом значение интенсивности деформации сдвига gavg для частоты f = 1.0 Гц в 3-6 раз меньше, чем для частоты f = 0.1 Гц.

Исследованы процессы распространения фронтов локализованной пластической деформации в материале с боридным покрытием. Решается краевая динамическая задача в постановке плоской деформации. Проводится численное моделирование методом конечных разностей. Структура композита "покрытие - подложка" задается в расчетах явно и соответствует экспериментально наблюдаемой. Определяющие уравнения для стальной основы включают упруго-пластическую модель изотропно упрочняющегося материала с учетом соотношения для описания медленных течений. Используется модель разрушения на основе критерия Губера, которая учитывает зарождение трещин в областях объемного растяжения. Показано, что специфика деформирования и разрушения материала с покрытием связана с наличием вдоль границы раздела "покрытие - подложка" локальных областей растяжения при сжатии композиции. Изучена взаимосвязь процессов неоднородного пластического течения в стальной подложке и распространения трещин в покрытии. установлена зависимость характера растрескивания, места зарождения разрушения и объемной доли разрушенного материала покрытия от скорости распространения полосы Чернова - Людерса в стальной основе.

Методом лазерной двухэкспозиционной спекл-фотографии регистрировались пространственно-временные распределения локальных компонент тензора дисторсии при активной деформации сжатием квазипластичных материалов - горных пород. Получены картины локализации деформации, рассмотрены особенности макроскопической неоднородности деформации при неупругом поведении материала. Произведено сравнение полученных результатов медленных волновых процессов при деформировании соляных пород и ионных кристаллов. Установлен автоволновый характер развития локализованной пластической деформации при сжатии образцов из горных пород (сильвинита, мрамора и песчаника) и щелочно-галоидных кристаллов (NaCl, KC, LiF), деформирующихся за счет различных микромеханизмов. Полученные результаты подчеркивают сходство картин локализации в моно- и поликристаллах металлов и сплавов. Скорость распространения автоволн, возникающих в образцах при сжатии, близка к скорости медленных волн, наблюдающихся в земной коре после землетрясений или горных ударов. Обнаружение медленных волновых процессов пластически деформируемых соляных горных пород и ионных кристаллов, связанных с процессами самоорганизации в деформируемых средах, должны учитываться при интерпретации геологических явлений: формировании сбросов, разломов, складок.

На основе представлений о сильновозбужденных состояниях в кристаллах получено уравнение, описывающее зависящее от времени распределение примеси в нагруженном кристалле. Показано, что необходимым условием, обеспечивающим высокие скорости массопереноса, является малое количество разности между энергией атома в сильновозбужденном состоянии и энергией поля внутренних напряжений. Наиболее просто указанные условия выполняются при пластической деформации по схеме "сдвиг+давление".

Исследована ползучесть поликристаллического железа в широком интервале скоростей деформации при наличии зернограничных диффузионных потоков никеля. Показано, что наличие потоков приводит к появлению ступенчатой сигмоидальной зависимости скорости установившейся ползучести от приложенного напряжения с показателем скоростной чувствительности m › 0,3. Анализируется взаимосвязь режима зернограничной диффузии величины показателя m.

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.

Приведены результаты исследования электросопротивления металлов, подвергнутых сильной пластической деформации, в зависимости от плотности тока. Показано, что при плотностях электрического тока, превышающих некоторое критическое значение, проводимость материала начинает возрастать и становится аномально высокой. предложен механизм аномально высокой проводимости, объясняющий основные экспериментальные результаты.

Проведено исследование деформационного рельефа образующегося на гранях монокристалла меди при нагружении силой сжатия и одновременном скольжении на поверхности контртела. В качестве образцов использованы монокристаллы меди с различной ориентацией оси сжатия, выращенные по методу Бриджмена. В результате исследования трения монокристаллов с ориентацией [110] и [111] обнаружено, что системы сдвига, действие которых проявляется на боковых гранях, локализованы вблизи зоны трения. Плотность следов, образуемых при этом, уменьшается при удалении от торца. В [110]-монокристалле имеются участки повышенной локализации вблизи торца. Наблюдается различие картин сдвига на боковых гранях [111]-монокристаллов, реализующихся при трении и при одноосном сжатии, заключающееся в отсутствии макрополос деформации при трении.

Проведены испытания на статическое и циклическое растяжение, а также знакопеременный циклический изгиб образцов стали 12Х1МФ в исходном состоянии и после наноструктурирования поверхности ионным пучком Zr+.Методами оптической и растровой электронной микроскопии, интерференционной профилометрии показаны различия в формировании деформационного рельефа, а также характере растрескивания модифицированного поверхностного слоя. Оценка изменений в последнем проведена путем наноиндентирования, рентгенографических, а также фрактографических исследований. анализ сформировавшейся в результате обработки наноструктуры в приповерхностном слое проведен с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Различие в характере деформационного поведения интерпретируется с использованием концепции множественного растрескивания. эффект существенного повышения усталостной прочности связывается со сдерживанием развития пластической деформации и распространения усталостной трещины в модифицированном поверхностном слое.

На основе анализа собственных результатов и литературных данных показано, что образование самоподобных твидовых структур на фольгах монокристалла алюминия (100)[001] при несвободном циклическом растяжении происходит в условиях нестабильности Гринфельда. Об этом свидетельствует хорошее согласие теоретических оценок периода твидовых структур на основе модели нестабильности Гринфельда с экспериментально измеренными значениями. Показано, что нестабильность Гринфельда проявляется в разных граничных условиях, связанных с особенностями упруго-пластической деформации двухслойной системы фольга алюминия/образец, что обусловливает самоподобие твидовых структур. Предполагается, что перераспределение материала на поверхности фольг происходит за счет миграции точечных дефектов, образующихся при циклическом растяжении и обладающих достаточной подвижностью при комнатной температуре.

В работе исследованы особенности деформирования и разрушения материала с многослойным покрытием при высокоскоростном ударном взаимодействии. Краевая динамическая задача в трехмерной постановке решается численно методом конечных элементов. Многослойное покрытие задается в расчетах явно. При моделировании механической реакции стальной подложки, ударника и подслоя покрытия из NiAlиспользуются соотношения Прандтля-Рейса и уравнение состояния в форме Ми-Грюнайзена. Поведение материала покрытия из Wo-Co описывается упруго-хрупкой моделью. Для описания разрушения материалов многослойной преграды используется критерий Хоффмана, который учитывает различную прочность на растяжение и сжатие. Показано, что наличие многослойного покрытия способствует повышению динамической прочности стальной основы. Установлено, что уменьшение проникающей способности ударника, связанное с наличием покрытия, нелинейно зависит от скорости взаимодействия.

Исследовано влияние электрического потенциала на скорость ползучести металлических проводников. Выяснены факторы, приводящие к изменению скорости ползучести. Показано, что электрическое поле, локализованное в двойном слое на поверхности заряженного проводника, приводит к понижению потенциального барьера, разделяющего упруго и неупруго деформированные состояния.

Проведено численное исследование деформации и разрушения композита с покрытием при растяжении и сжатии. На примере стали, поверхностно упрочненной методом диффузионного борирования, исследована роль сложной геометрии границы раздела основной материал - упрочненный поверхностный слой. Для описания механического поведения стальной основы и хрупкого покрытия используются модели пластического течения с учетом деформационного упрочнения и разрушения. С привлечением критерия разрушения Губера учитывается различие критических величин прочности для разных типов локальных состояний - растяжения и сжатия. Показано, что неровная, "игольчатая" форма границы раздела подложка - покрытие препятствует распространению продольной трещины в это покрытие и предотвращает его отслоение при внешнем сжатии композита. Установлено, что даже при внешнем одноосном сжатии мезообъемов композита иглы боридов находятся под действием растягивающих нагрузок, величина которых сравнима с величиной внешнего сжимающего напряжения, а направление распространения трещин и общий характер разрушения существенно зависят от условий внешнего нагружения.

Изучено взаимодействие зон макролокализованной деформации, определяющее разный характер пластического течения и разрушения при растяжении плоских образцов стали 65Х13 с азотированными лицевыми или боковыми гранями. Зоны локализованной деформации, инициированные трещинами в упрочненом поверхностном слое, количественно аттестованы величиной интенсивности скорости деформации. Изменение формы зон оценивали по изменению конфигураций линий равного уровня интенсивности скорости деформации и по металлографическим картинам деформационного рельефа. Определен механизм влияния экстремальных величин интенсивности деформации на макроориентированность поверхности разрушения азотированных образцов и сформулирован критерий предразрушения материалов с упрочненным поверхностным слоем.

Эксплуатационные характеристики различных деталей и узлов машин во многом определяются физико-механическими свойствами поверхностного слоя. Однако до сих пор нет полного понимания того, какие параметры и механизмы отвечают за определенную модификацию свойств поверхностного слоя. В этой связи методы компьютерного моделирования могут являться полезным инструментом для исследования изменения свойств поверхности во время контактного взаимодействия, а также в условиях приработки. Принципиальную значимость имеет возможность рассмотрения процессов, происходящих на нанометровом масштабе и на масштабе отдельных атомов. В работе в рамках компьютерного моделирования воспроизведены условия нагружения, реализуемые при поверхностном пластическом деформировании. Исследования проведены на макромасштабе (традиционный подход), а также на атомном и мезоскопическом уровнях. Для получения информации о моделируемой системе использованы три метода компьютерного моделирования: метод конечных элементов, метод подвижных клеточных автоматов и метод молекулярной динамики. Результаты моделирования находятся в хорошем качественном согласии с данными экспериментальных измерений.

Методами атомно-силовой, электронной и оптической микроскопии исследована эволюция структуры сверхпроводящего кабеля на основе сплава Nb+47% Ti на промежуточной стадии волочения. Изучены микроструктура, фазовый состав и свойства сверхпроводящего сплава Nb-Ti после холодного волочения и промежуточного отжига. Выявлены зоны локализации пластической деформации в местах обрыва сверхпроводника, обнаружено изменение формы и химического состава волокон Nb-Ti в бездефектной области и в зоне разрыва кабеля, а также частичное отсутствие диффузионного Nb барьера вокруг волокон Nb-Ti в местах обрыва.

Проведено исследование фазового состава, микроструктуры, механизмов пластической деформации и разрушения при ударном нагружении слоистого материала, полученного сваркой под давлением листов титанового сплава ВТ6. В ходе ударного нагружения при 20 и -196 °С происходит расслоение образца на пакеты листов, которое влияет на скорость их разрушения. На поверхностях разрушения происходит структурно-фазовый распад исходной кристаллической структуры с образованием динамических ротаций. В кристаллических подслоях поверхностей разрушения и расслоя развивается фрагментация материала. Данные эффекты выражены более сильно при T(def)= -196 °С.

The paper presents the results of complex research on microstructural peculiarities of copper and mechanisms of its hardening after mechanical activation in planetary ball mills, high-pressure torsion, and combined treatment which includes mechanical activation and subsequent consolidation under high-pressure torsion in Bridgman anvils. The main structural factors responsible for the hardening mechanisms are discussed depending on the pattern and degree of deformation.

Исследована эволюция макро- и микроструктуры спечённых композитов AI - Sn с широким концентрационным содержанием второй фазы при обработке их методом равноканального углового прессования (РКУП) по маршруту А. Установлено, что в случае непрерывной алюминиевой матрицы, деформация распределяется по объёму композитов равномерно, и все составляющие их фазы испытывают равную деформацию. В процессе пластического формоизменения алюминиевые зёрна фрагментируются на более мелкие субзёрна, что приводит к упрочнению матрицы и всего композита, пропорционально содержанию в нём алюминия (правило смеси). Наибольшее упрочнение матрица испытывает в ходе первого РКУП, а при последующих трёх проходах темп её упрочнения снижается и определяется скоростью утонения межфазных прослоек.

В рамках нелинейного многоуровневого подхода показано, что в основе генерации деформационных дефектов при пластической деформации и трещин при разрушении лежат масштабные уровни локальной кривизны кристаллической структуры твердых тел. Деформационные дефекты генерируются на интерфейсах 2D планарных и 3D кристаллических подсистем механизмом «лазерной накачки». Трещины зарождаются как структурно-фазовый распад кристаллической структуры в зонах локальной кривизны, где неравновесный термодинамический потенциал Гиббса оказывается больше нуля. Нелинейная механика разрушения исключает проблему сингулярности 1/r в уравнении распространяющейся трещины, но должна учитывать локальную кривизну кристаллической решетки в вершине трещины при ее зарождении и распространении.

Методом просвечивающей электронной микроскопии исследованы особенности эволюции микроструктуры и изменения микротвердости Та в зависимости от величины пластической деформации в процессе кручения на наковальнях Бриджмена при комнатной температуре. Выполнена количественная аттестация зеренной и дефектной структуры материала и величины локальных внутренних напряжений на разных стадиях деформационного воздействия. Проведен анализ механизмов формирования субмикрокристаллических и наноструктурных состояний и закономерностей изменения микротвердости в зависимости от особенностей дефектной субструктуры, степени деформации и расстояния от оси кручения.

Изучены закономерности деформационного поведения ультрамелкозернистого алюминиевого сплава, полученного интенсивной пластической деформацией. Показано, что в сравнении с ультрамелкозернистым алюминием выделяющиеся в объеме и на границах зерен сплава частицы вторичных фаз препятствуют развитию зернограничного проскальзывания и локализации пластической деформации. Это приводит к увеличению протяженности стадии деформационного упрочнения и соответствующему повышению величины равномерного удлинения в гетерофазном алюминиевом сплаве по сравнению с чистым алюминием.

Изучено влияние отжигов при 673 К в течение 6—24 ч на структурно-фазовое состояние и механические свойства титанового сплава системы Ti—Аl—V, предварительно подвергнутого интенсивной пластической деформации методом всестороннего прессования. Установлено, что указанные отжиги приводят к немонотонной зависимости механических свойств сплава от времени отжига. Показано, что при отжигах сплава Ti—Аl—V в субмикрокристаллическом состоянии в нем одновременно протекают как процессы, способствующие упрочнению сплава (образование в результате фазовых превращений мелкодисперсных частиц и формирование новых зерен в нанометровом диапазоне), так и процессы, приводящие к его разупрочнению (развитие процессов возврата и рост зерен до микронных размеров). Превалирование тех или иных процессов при отжигах определяет рост или падение механических свойств сплава.