Очередной выпуск межвузовского сборника содержит статьи, посвященные разработке и развитию современных математических моделей и методов решения широкого круга задач механики деформируемого твердого тела, включая задачи исследования деформирования и разрушения материалов и конструкций при различных физико-механических воздействиях, в частности, нелинейные и нестационарные задачи оболочечных конструкций, задачи нестационарного взаимодействия сред и конструкций. В статьях отражены теоретические и экспериментальные исследования, математические модели, вопросы алгоритмизации и компьютерного моделирования физико-механических процессов, методология оптимального проектирования несущих конструкций с учетом различных критериев и ограничений.

Очередной выпуск межвузовского сборника содержит статьи, посвященные разработке и развитию современных математических моделей и методов решения широкого круга задач механики деформируемого твердого тела, включая задачи исследования деформирования и разрушения материалов и конструкций при различных физико-механических воздействиях, в частности, нелинейные и нестационарные задачи оболочечных конструкций, задачи нестационарного взаимодействия сред и конструкций. В статьях отражены теоретические и экспериментальные исследования, математические модели, вопросы алгоритмизации и компьютерного моделирования физико-механических процессов, методология оптимального проектирования несущих конструкций с учетом различных критериев и ограничений.

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.

Представлена модель, описывающая начальные стадии формирования барьерного слоя при высоковольтной импульсной поляризации при формировании оксидно-керамических покрытий, в которой скорость процесса определяется скоростью доставки кислородсодержащих ионов к поверхности. Получено согласие расчетных вольтамперных зависимостей с экспериментальными кривыми.

Для упругопластических ортотропных металлов приведена модель поведения при динамическом нагружении, включающая в себя упругую, пластическую стадии деформирования и разрушение. Нагружение ортотропной преграды моделируется в трехмерной постановке, упругопластическое поведение материала преграды и ударника описывается теорией течения. Деформирование изотропного ударника моделируется упругопластической модель Прандтля-Рейса. В качестве численного метода решения используется метод конечных элементов.

В работе на основе анализа представительного объема полимерной высоконаполненной композиции методами механики сплошной среды получены ее эффективные деформационно-прочностные характеристики. Особенность анализируемого материала связана с большим разбросом размеров дисперсных включений (наполнителя), что делает неприменимыми известные подходы к моделированию напряженно-деформированного состояния представительного объема. Предлагаемый подход иллюстрируется примером анализа композиции, когда в ней присутствуют дисперсные включения двух типоразмеров.

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.

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

Рассмотрены особенности локализации пластического течения на стадиях линейного и параболического деформационного упрочнения, а также на стадии предразрушения. Показано, что макроскопическая локализация пластического течения на этих стадиях может рассматриваться как процесс самоорганизации. На стадии линейного упрочнения в образце возникает автоволновой процесс локализации течения, которому в соответствие может быть поставлена квазичастица. На стадии предразрушения автоволновой процесс коллапсирует с формированием макрошейки и последующим зарождением вязкой трещины.

Обобщены результаты экспериментального и теоретического обоснований нового механизма деформации и переориентации кристаллической решетки - механизма локальных обратимых превращений мартенситного типа. Представлены атомные модели этих превращений, результаты анализа в зонах превращений тензоров дисторсии, матриц (векторов) переориентации кристаллической решетки для различных (ГЦК - ОЦК - ГЦК, ОЦК - ГПУ - ОЦК) вариантов этих превращений. На основе этих результатов проведено обсуждение физической природы ряда явлений недислокационной пластичности.

Представлены физические основы методологии описания деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. Сделано концептуальное заключение, что базовым механизмом пластической деформации твердых тел является локальное структурное превращение в зонах концентраторов напряжений, испытывающих растягивающие нормальные напряжения, где есть избыточный атомный объем и в пространстве междоузлий возникают виртуальные узлы другой структуры (так называемые атом-вакансионные или сильновозбужденные состояния). Данный механизм определяет общность природы всех возможных механизмов пластической деформации твердых тел. При наличии в деформируемом твердом теле трансляционно-инвариантной кристаллической структуры рассматриваемый механизм определяет зарождение и кристаллографическое движение дислокаций.

Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упругодеформируемый плоский образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Обнаружены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильнодеформированных металлических материалов. Подчеркивается необходимость учета найденных закономерностей интенсивной пластической деформации в описании поведения твердых тел в экстремальных условиях нагружения, наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.

Представлены результаты измерения нанотвердости деформированного поверхностного слоя стали Гадфильда после испытаний на трение. Обнаружено явление восстановления формы поверхности после индентирования, которое сохраняется в течение нескольких дней после испытаний. Высказано предположение о существовании в деформированном материале эффекта, подобного нелинейной упругости.

Показано влияние легирования алюминием на прочностные свойства и механизм деформации (скольжение, двойникование) при растяжении 123 монокристаллов стали Гадфильда при Т=300 К. Установлено, что легирование алюминием подавляет развитие деформации двойникованием 123 монокристаллов, приводит к изменению типа дислокационной структуры при скольжении от однородного распределения дислокаций к планарной дислокационной структуре.

Изучено влияние состояния поверхностного слоя образцов композиционного материала Al + 10 % Al2O3 на локальные характеристики прерывистой текучести и уровень деформирующих напряжений при растяжении. Полученные результаты хорошо согласуются с концепцией физической мезомеханики о важной функциональной роли поверхностного слоя в деформируемом твердом теле как многоуровневой системе.

Методом оже-спектроскопии определены профили распределения концентрации никеля в границах зерен по глубине в субмикрокристаллическом молибдене, полученном интенсивной пластической деформацией. Рассчитаны коэффициенты и энергия активации зернограничной диффузии никеля в субмикрокристаллическом молибдене в интервале температур 973 - 1123К. Из полученных результатов следует, что различие коэффициентов зернограничной диффузии никеля в субмикрокристаллическом и крупнозернистом молибдене связано с неравновесным состоянием границ зерен, формируемым при интенсивной пластической деформации.

В деформируемом в условиях ползучести бикристалле выделены дополнительные по отношению к плотностям зернограничных дефектов переменные (параметры порядка), связанные с очагами пластической деформации. На основе анализа решения уравнений эволюции для параметров порядка показано, что неравномерность, цикличность собственного зернограничного проскальзывания в бикристаллах, увеличение скорости межзеренной деформации в условиях взаимодействиях границы с решетчатыми дислокациями могут быть связаны с возбуждением на границе зерен неравновесных локализованных областей - автосолитонов.

Исследованы субмикрокристаллическая структура, сформированная при глубокой пластической деформации, и ее влияние на механические свойства титановых сплавов системы Ti-Al-V. Установлено, что деформационное поведение, прочностные и пластические характеристики сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом состоянии во многом зависят от неоднородности элементов зеренно-субзеренной структуры.

В данной работе проведено исследование особенностей зарождения и распространения мезополос неупругой деформации в двухуровневой системе «поверхностный слой – подложка». В качестве инструмента исследования был применен метод стохастических возбудимых клеточных автоматов. В отличие от предыдущих работ, посвященных формированию регулярных деформационных мезоструктур исключительно на интерфейсе «поверхностный слой – подложка», в данной работе моделировался процесс неупругой деформации основного материала. Показано, что мезополосы неупругой деформации зарождаются в областях растягивающих нормальных напряжений на интерфейсе и распространяются вглубь материала по направлениям максимальных касательных напряжений. При пересечении мезополос, распространяющихся в двух сопряженных направлениях, их развитие прекращается. Авторы связывают данный эффект с «шунтированием» потоков энергии от соседних зон растягивающих нормальных напряжений.

Методом подвижных клеточных автоматов моделировался отклик пористых кальций-фосфатных покрытий с градиентом механических свойств по глубине в условиях сдвигового нагружения. Показано, что гетерогенное покрытие определенного типа можно корректно моделировать однородным покрытием с соответствующими упругими и прочностными характеристиками. Рассмотрены различные способы неявного учета поровой структуры материала. Показано, что структурно-параметрический способ является достаточно корректным для моделирования деформации и разрушения хрупких пористых покрытий.

Представлены результаты двумерного моделирования локализации деформации на мезомасштабном уровне в поверхностном слое поликристаллов с хорошо выраженным эффектом Портевена–Ле Шателье. В работе использован метод элементов релаксации. Развиваемая модель действует по принципу клеточных автоматов. Результаты моделирования качественно хорошо согласуются с известными экспериментальными данными.

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.

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

Приведены поля смещений перед вершиной трещины мод I и II и пространственные распределения главного сдвига, построенные с использованием уравнений линейной механики разрушения, а также измеренные экспериментально. Показано, что деформационная структура реальной трещины может быть представлена в виде совокупности мод I и II, каждая из которых может быть полной или неполной. Неполная мода I характеризуется развитием деформации лишь слева или справа перед фронтом трещины. Поле векторов смещений неполной моды II имеет незамкнутый вихревой характер, ограничено некоторым сектором, а длина векторов в радиальном направлении аппроксимируется нормальным распределением.

Исследовано влияние больших пластических деформаций при "abc"-прессовании в интервале температур 873-573К на микроструктуру и мартенситные превращения в никелиде титана. Показано, что при пониженных температурах деформирования формируется смешанное ультрамелкозернистое состояние сплава на основе субмикрокристаллической и наноструктурной фракций. Построена диаграмма мартенситных превращений при охлаждении и нагреве деформированных образцов. Изучено влияние температуры "abc"-прессования на эффект памяти формы в никелиде титана.

Исследованы закономерности влияния интенсивной пластической деформации (ИПД) при ультразвуковой обработке (УЗО) на эволюцию дефектов кристаллического строения в поверхностных слоях никелида титана со структурой моноклинного мартенсита В19'. Установлено, сто при возрастании величины ИПД резко увеличивается концентрация как вакансионных, так и плотность дислокационных дефектов и одновременно происходит сильная фрагментация зеренно-субзеренной структуры. В наноструктурном состоянии преимущественно наблюдаются дефекты вакансионного типа на границах зерен, средний объем которых меньше объема равновесных вакансий в TiNi и сравним с величиной свободных объемов в аморфизированных сплавах на основе никелида титана. Обсуждается роль дефектов кристаллического строения в механизмах формирования наноструктурного состояния при ИПД.

Обобщены результаты экспериментальных исследований о предельных минимальных размерах зерен в наноструктурных металлических материалах, полученных методом кручения под давлением на наковальнях Бриджмена. Показано, что важным фактором способности материала к измельчению зеренной и субзеренной структуры в процессе интенсивной пластической деформации является подвижность элементарных носителей деформации (дислокаций и точечных дефектов), контролирующая пути их пробега в полях напряжений, характерные масштабы переориентирующихся микрообъемов, а следовательно, и размеры субмикро- и нанозерен и субзерен.

Представлены результаты исследования характера макролокализации пластического течения поликристаллического дуралюмина марки Д1. Установлено, что деформационная кривая этого материала содержит три основных стадии: линейного упрочнения, параболического упрочнения (n = 1/2), предразрушения (n 1/2). Картины распределения очагов локализованной пластической деформации эволюционируют в соответствии со стадиями упрочнения. На стадии предразрушения наблюдается самосогласованное движение очагов локализации к месту будущего разрушения. Скорости таких очагов линейно зависят от координат их зарождения.

Проведено исследование деформационного поведения крупнозернистого и субмикрокристаллического технически чистого титана. Основной особенностью поведения субмикрокристаллического материала является наличие на диаграммах нагружения продолжительного участка предразрушения, где деформирование происходит практически без упрочнения. На этой стадии наблюдаются очаги локализованного пластического течения с различным уровнем накопления деформации. Очаг с максимальной амплитудой деформации неподвижен и отмечает место будущего разрушения. Остальные домены локализованной деформации движутся с тем большей скоростью, чем дальше они отстоят от места будущего разрушения.