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.

Исследовано влияние интенсивной пластической деформации на микроструктуру и свойства металлических материалов на примере алюминиевого сплава А85, подвергнутого равноканальному угловому прессованию и циркониевого сплава Г110, подвергнутого ковке с переменой осей осаживания. Установлено, что при деформациях в сплавах формируется промежуточная мелкозернистая структура с бимодальным распределением зерен по размерам. При растяжении образцов из материалов с такой структурой происходит быстрая локализация деформации и образование шейки, способной к значительному утонению.

В сплаве Zr+1% Nb в двух структурных состояниях прослежено распределение дефектов в зонах локализации пластической деформации. Установлено, что на стадии параболического деформационного упрочнения дислокационная структура развивается неравномерно. Накопление дефектов и развитие дислокационной структуры в зонах локализованной деформации происходят быстрее, чем в зонах с пониженной скоростью течения.

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.).

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.

Приведено электронно-микроскопическое исследование эволюции дефектной субструктуры сплава V-4Ti-4Cr в процессе его больших пластических деформаций кручением на наковальнях Бриджмена. В интервале значений истинной логарифмической деформации обнаружены нанополосовые структурные состояния с дипольными и мультипольным характером разориентировок и размерами кристаллитов ( или нанополос) от нескольких до нескольких десятков нанометров, формирующихся внутри субмикрокристаллов размером около 100 nm или объединяющихся в мезополосы с выраженным вихревым характером распространения. Образование таких состояний связано с активизацией квазивязких (потоками неравновесных точечных дефектов в полях напряжений) механизмов деформации и переориентации кристаллической решетки, обеспечивающих возможность генерации и распространения нанодиполей частичных дисклинаций и с развитием коллективных эффектов в дисклинационной субструктуре, приводящих к групповому движению нанодиполей внутри мезополос.

Исследовано изменение скорости распространения ультразвука при пластической деформации поликристаллического алюминия. Показано, что зависимости скорости ультразвука от деформации и действующего напряжения являются трехстадийными. Сложный характер этих зависимостей позволяет выделить на параболической кривой пластического течения материала дополнительные стадии, не обнаруживаемые традиционными методами. Предложено объяснение полученных закономерностей на базе представлений об изменении дефектной структуры материала при деформации.

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.

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 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.

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.

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.).

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.

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.

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.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования неравновесных структурных состояний с высокими значениями кривизны и градиентов кривизны кристаллической решетки. формирующихся в объемных наноструктурных металлических материалах, полученных методами интенсивной пластической деформации. Изложена методика их электронно-микроскопической аттестации, исследования внутренних напряжений и градиентов (моментов) этих напряжений, локализованных на субмикронном масштабном уровне. Предложена структурная модель этих состояний как состояний с высокой континуальной плотностью дефектов (дислокаций и дисклинаций) в объеме и на границах зерен.

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.

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.

Рассмотрен механизм формирования фрагментированной микроструктуры при больших степенях деформации, которые реализуются на поверхности металла при трении. Показано, что размер фрагментов в данных условиях является минимальным и связан с достижением дислокационной плотностью критического значения в предельно деформированном состоянии, выше которого силы междислокационного взаимодействия оказываются больше сил внутреннего трения.

Приведены результаты теоретического и экспериментального исследования связи локализации пластической деформации твердых тел на различных масштабных уровнях с концентраторами напряжений соответствующих масштабов, которые возникают в поверхностных слоях и на всех внутренних границах раздела. Сделано заключение, что локализованное пластическое течение всех видов может зарождаться и распространяться только в зонах растягивающих нормальных напряжений, где возникают сильно неравновесные состояния. В пространстве междоузлий в условиях избыточного атомного объема появляются виртуальные узлы более высокоэнергетической структуры и происходит локальное структурное превращение путем коллективных атом-вакансионных конфигурационных возбуждений. Описать природу локализации пластического течения можно только на основе представления деформируемого твердого тела как многоуровневой системы.

Рассмотрены закономерности, определяющие развитие локализованной пластической деформации твёрдых тел. При анализе характеристик локализованного пластического течения металлов, неметаллов и горных пород обнаружена корреляция произведений масштабов и скоростей процессов упругой и пластической деформаций. На этом основании высказана гипотеза о причинной взаимосвязи упругой и пластической составляющих деформации и введён упругопластический инвариант деформации, играющий роль основного уравнения развиваемой автоволновой модели пластичности. Предложены автоволновой и квазичастичный варианты описания явления локализованной пластичности.

Исследован характер отслоения покрытия SiAlN, напыленного на подложку Cu в процессе термоциклирования, одноосного растяжения и знакопеременного изгиба. Выявлено многоуровневое распределение напряжений и деформаций на границе раздела покрытие - подложка, обусловленное необходимостью совместности деформации покрытия и подложки, которые характеризуются различными модулями Юнга и коэффициентами теплового расширения.

Исследованы закономерности макролокализации пластической деформации на параболической стадии деформационного упрочнения циркониевых сплавов. Обнаружена неустойчивость пластического течения, определяемая колебательным периодическим изменением пространственно-временной картины распределения локальных деформаций, наблюдаемой методом спеклинтерферометрии. Полученные результаты обсуждаются в рамках синергетической модели, основанной на представлении эволюции пластического течения на завершающей стадии как неустойчивого предельного цикла.

Предложен и обсужден автоволновой механизм локализации пластической деформации. Показано, что эффект локализации является общим для всех металлов и сплавов в моно- и поликристаллическом состояниях и проявляется на всех стадиях пластического течения независимо от типа кристаллической решетки и механизма деформации (дислокационное скольжение, двойникование, деформация фазового превращения). Обсуждаются величина и природа таких характеристик автоволн, как длина волны, скорость распространения волн и закон дисперсии. Формулируются основные представления о механизме генерации автоволн в системах, расслаивающихся на информационную и динамическую подсистемы.

Приведено концептуальное обоснование необходимости рассмотрения в физике пластичности и прочности твердых тел наномасштабного структурного уровня пластической деформации. Делается заключение, что в качестве основополагающего механизма пластической деформации следует рассматривать локальные структурные превращения (по типцу перестроения атомных кластеров различных конфигураций), которые происходят в нагруженном твердом теле в локальных зонах растягивающих нормальных напряжений. Данный механизм определяет общность природы всех возможных видов пластической деформации твердых тел.

Проведены исследования локализации пластической деформации при активном одноосном растяжении ГЦК-, ОЦК- и ГПУ-моно- и поликристаллических материалов на разных стадиях кривой нагружения. Установлено, что картины локализации имеют упорядоченный характер и могут быть классифицированы по четырем типам, каждый из которых соответствует определенной стадии кривой нагружения. Наблюдаемые закономерности интерпретируются в терминах самоорганизации в открытых системах. Показано, что все выделанные типы картин локализации можно трактовать как автоволны пластического течения. Проанализированы параметры этих волн и продемонстрировано коренное отличие от известных волн пластичности при ударном нагружении.

Крупные порошки алюминия марки ПА-2 были подвергнуты при комнатной температуре равноканальному угловому прессованию с интенсивностью y=2. В результате получен плотный материал с большой площадью контактов между частицами. Однако прочность прессовки оставалась низкой, ее разрушение проходило по плоскостям максимального сопряжения порошков. Показано, что причины низкой прочности прессовок обусловлены особенностями химического состава и рельефа контактной поверхности порошков, подвергнутых интенсивной пластической деформации.

Теоретически и экспериментально показано, что в механике деформируемого твердого тела наряду с трехмерной структурно равновесной кристаллической подсистемой следует описывать поведение структурно неравновесной планарной подсистемы в виде совокупности поверхностных слоев и всех внутренних границ раздела с нарушенной трансляционной инвариантностью. Первичное пластическое течение в нагруженном твердом теле развивается в неравновесной структуре планарной подсистемы по ротационному механизму каналированных нелинейных волн локальных структурных превращений, которые определяют закон самоорганизации многоуровневого пластического течения. Они вызывают ротационные поворотные моды деформации на мезомасштабном уровне и обусловливают генерацию в планарной подсистеме всех видов деформационных дефектов на микромасштабном уровне. Деформационные дефекты испытывают эмиссию в кристаллическую подсистему как ингибитор нелинейных волн пластического течения в планарной подсистеме. При любом виде нагружения пластическая деформация твердых тел развивается в поле поворотных моментов. Нарушение иерархического самосогласования поворотных мод деформации завершается разрушением материала как нескомпенсированной поворотной моды деформации на макромасштабном уровне.

Рассмотрена природа крупномасштабных корреляций в расположении очагов пластического течения при деформации кристаллических твердых тел. Показано, что закономерности рождения и развития таких очагов могут быть описаны как различные типы автоволн, возникающих за счет процессов самоорганизации. приведены примеры экспериментально наблюдаемых при деформации моно- и поликристаллов металлов и сплавов автоволновых процессов типа волн возбуждения и фазовых волн. Оценены некоторые численные параметры автоволновых процессов.

Изучен характер изменения фрактальной размерности в разрушенных образцах поликристаллов алюминия и кремнистого железа в зависимости от расстояния места разрушения. Показано, что при активном растяжении наблюдается три стадии изменения фрактальной размерности, а при знакопеременном изгибе - две стадии по мере приближения к месту разрушения. Фрактальная размерность поверхности может служить хорошей качественной характеристикой степени повреждаемости нагруженного материала.

Изучены механизмы пластической деформации и стадийность кривой течения поликристаллов высокоазотистой стали на различных масштабных уровнях. Неравновесность стали обусловливает возрастание роли мезомасштабного уровня пластического течения. На микро- и мезомасштабном уровнях выполняется закон подобия. Выяснена природа стадийности пластического течения и разрушения высокоазотистых сталей.

Проведено экспериментальное исследование деформационной структуры пористого железа со степенью пористости Р от 4 до 40% и в диапазоне деформаций ε вплоть до разрушения. Измерены величины зернограничного проскальзывания, поворотов структурных элементов, отдельных вкладов в общую деформацию в зависимости от Р и ε. Установлена смена доминирующих механизмов пластической деформации при повышении пористости, связанная с изменением топологических характеристик системы и соответствующая переходу от внутризеренного скольжения к группе механизмов, обеспечивающих движение зерен как целого. Проведен анализ установленных закономерностей на основе концепции структурных уровней деформации.

Пластическая деформация твердых тел рассматривается как процесс формирования и распространения автоволн различного типа при нагружении образцов из пластичных материалов. Показано, что каждому типу автоволн отвечает определенный тип активной среды ( возбудимой или автоволновой), которые различаются природой и масштабом структурных неоднородностей, создающихся в процессе пластического течения. Прослежена эволюция активных сред и соответствующих им волновых режимов в твердых телах с различной природой пластической деформации. Приведены количественные оценки параметров автоволн, таких как длина и скорость распространения. Показано, что автоволновые картины расширяют возможности анализа кинетики процессов, ответственных за пластическое течение и локализацию деформации.

Сравниваются особенности локализации пластической деформации в низкоуглеродистой листовой стали 08пс (0,07% мас. С) на площадке текучести при отсутствии деформационного упрочнения, на стадии линейного деформационного упрочнения с постоянным коэффициентом деформационного упрочнения и на стадии параболического деформационного упрочнения. С помощью метода двухэкспозиционной спекл-фотографии определены основные типы и параметры локализации пластического течения на разных стадиях деформационного упрочнения стали в трёх состояниях: после горячей прокатки, после размотки горячекатаного рулона и травления для удаления окалины, в результате электролитического насыщения водородом в трёхэлектродной электрохимической ячейке при постоянном контролируемом катодном потенциале образцов после горячей прокатки.

Проведены исследования изменения кристаллографической ориентации в поверхностных слоях монокристаллов меди методом анализа картин дифракции обратно отраженных электронов. Выявлено, что развитие разориентировок и фрагментация в поверхностных слоях существенно зависят от кристаллографической ориентации оси нормального давления и оси трения.

Выявлено, что статистические характеристики акустической эмиссии при пластической деформации и разрушении стеклотекстолита подчиняются скейлинговым соотношениям. Увеличение степени деформации, вызывавшее смену доминирующих механизмов разрушения, проявлялось в появлении новых "ветвей" в амплитудных распределениях акустических импульсов с другими показателями скейлинга. Предложенный подход позволил выявить влияние механизмов разрушения на эволюцию характеристик акустической эмиссии.

Исследованы закономерности генерации макроскопических фазовых автоволн локализации пластического течения на линейных стадиях деформационного упрочнения. Показано, что характеристики упругих и пластических волн образуют инвариантную величину. Существование упругопластического инварианта деформации определяется закономерностями изменения энтропии системы при формировании таких автоволн. Рассмотрены следствия из существования упругопластического инварианта и оценены его роль и возможности в описании закономерностей развития локализованного пластического течения.