Проведена серия численных экспериментов, нацеленных на выявление закономерностей формирования возмущений на внутренних границах раздела и поверхностях твердого тела при внешней приложенной механической нагрузке. Применен разработанный авторами стохастический алгоритм, использующий как базовые понятия классической теории упругости на макромасштабном уровне, так и результаты, полученные в рамках вероятностных подходов для более низких масштабных уровней. Обнаружено, что деформационный профиль поверхностного слоя нагруженного твердого тела имеет многоуровневую самоподобную структуру, где форма поверхности фронта возмущений на более высоком масштабном уровне подобна форме фронтов возмущений от концентраторов напряжений на более низких масштабных уровнях. Распределение напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой – подложка» имеет «шахматный» характер.

Проведена экспериментальная верификация предсказанного А.В. Паниным эффекта «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсе «поверхностный слой – основной кристалл» в деформируемом твердом теле. При знакопеременном изгибе плоских образцов титана ВТ1-0 с наводороженным поверхностным слоем получено прямое экспериментальное подтверждение эффекта «шахматного» распределения пластического течения на мезомасштабном уровне в сдвигонеустойчивом наводороженном поверхностном слое. Все обнаруженные авторами мезоскопические механизмы деформации в наводороженных поверхностных слоях поли- или субмикрокристаллического титана при растяжении или знакопеременном изгибе удовлетворительно объясняются эффектом каналирования сдвигов в условиях клеточной структуры интерфейса «наводороженный поверхностный слой – кристаллическая подложка титана».

Проведен анализ применимости многоуровневого подхода физической мезомеханики к описанию сопряжения упрочненного поверхностного слоя с упруго нагруженной подложкой в парах трения. На примере стали Гадфильда показано, что на поверхностях трения возникает многоуровневая клеточная мезосубструктура, согласующаяся со стохастической моделью интерфейсов в мезомеханике структурно-неоднородных сред.

На основе системного подхода обосновывается концепция физической мезомеханики, согласно которой поверхностный слой в деформируемом твердом теле является самостоятельной подсистемой. С ростом степени деформации в нем развиваются автономные процессы, оказывающие определяющее влияние на стадийность локализации пластического течения и разрушение образца в целом. Ключевую роль в мезомеханике поверхностного слоя играют его «эффективная» толщина и интерфейс с объемом кристалла, на котором распределение напряженно-деформированного состояния имеет вид «шахматной доски».

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.

Представлен обзор работ. выполненных в последние годы в физической мезомеханике по системному подходу к описанию деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. на основе теоретических и экспериментальных исследований обосновывается тезис, что поверхностные слои и внутренние границы раздела в нагруженном материале являются важными функциональными подсистемами. Развиваемый подход является основой конструирования материалов новых поколений и методов их упрочнения в современном материаловедении.

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.

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.

Приведено краткое описание одномерной динамической модели развития сдвиговой пластической деформации в поверхностном слое материала при трении скольжения с обоснованием снижения размерности рассматриваемой задачи от 3D до 1D. Представлены некоторые результаты моделирования, иллюстрирующие особенности режима пластического деформирования под действием двух конкурирующих процессов - деформационного упрочнения и термического разупрочнения за счет фрикционного нагрева. Также приведены экспериментальные данные, на основании которых сделан вывод о возможности течения поверхностного слоя подобно вязкой жидкости. Для оценки возможности турбулизации такого слоя по числу Рейнольдса использованы результаты моделирования.

Проведено исследование локализации пластической деформации и эволюции напряженно-деформированного состояния в образцах технического титана, поверхностно модифицированных ультразвуковой обработкой. Задача мезомеханики в постановке плоской деформации решалась численно методом конечных разностей. Структура и механические свойства композиции задавались в расчетах в соответствии с экспериментами по измерению микротвердости, механическими испытаниями на растяжение и металлографическими исследованиями. Установлены зависимости характеристик локализации пластического течения от геометрии и механических свойств поверхностных слоев, полученных ультразвуковой обработкой.

Проведено исследование зарождения и распространения мезополос неупругой деформации в двухуровневой неравновесной системе "поверхностный слой - подложка" при одноосном растяжении. Применен метод стохастических возбудимых клеточных автоматов, подробно изложенный в [1]. Показано, что мезополосы неупругой деформации зарождаются в областях растягивающих нормальных напряжений на интерфейсе и распространяются в глубь материла по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. При пересечении мезополос, распространяющихся в двух смежных сопряженных направлениях, их развитие прекращается.

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».

В настоящей работе с позиций физической мезомеханики численно исследуются процессы формирования деформационного рельефа на поверхности структурно-неоднородных материалов на примере поликристаллических материалов и материалов с покрытиями. В трехмерной постановке исследовано напряженно-деформированное состояние в объеме и на поверхности материалов в условиях одноосного растяжения. Проанализировано влияние внутренних границ раздела на процессы, происходящие на поверхности. Показана роль внутренней структуры в процессе формирования деформационного рельефа на свободной поверхности.

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.

В работе показана возможность изучения закономерностей поведения и диагностики структуры и свойств поверхностных слоев и покрытий на основе спектрального анализа акустических колебаний и силы сопротивления при трении. Исследования проведены на наноскопическом масштабе с использованием численного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. Развита методика анализа упругих волн на основе обработки зависимостей от времени таких величин, как компоненты скорости, давление и интенсивность напряжений, регистрируемых в определенной точке поверхности контртела. Идентифицированы основные пики на спектрах регистрируемых данных, обусловленные собственными частотами системы, геометрическими и адгезионными параметрами модели, а также шероховатостью взаимодействующих поверхностей. Показано, что спектры изменения давления в модели качественно подобны акустическим спектрам записи звука в реальном эксперименте. Теоретически обосновывается возможность применения трибоспектрального анализа на основе вычисления силы трения для диагностики неоднородностей и несплошностей наноскопического масштаба в поверхностном слое толщиной до 100 нм. Результаты изучения показали возможность оценки ряда параметров наноскопических несплошностей, таких как характерный пространственный период их расположения и линейные размеры. Обсуждаются области применения предложенного подхода как перспективного неразрушающего метода исследования поведения и диагностики структуры и поврежденности покрытий и поверхностных слоев наноскопической толщины.

Представлены метод и устройство для измерения рельефа поверхности, предназначенные для изучения процессов пластической деформации на мезо- и макромасштабных уровнях и последующего приложения результатов исследований для неразрушающего контроля материалов. Описана структурная схема автоматизированной системы для измерения рельефа поверхности нагруженных материалов, принцип действия которой основан на прямом методе измерения с помощью цехового профилометра. Даны основные технические характеристики работы автоматизированной системы; анализируются причины возникновения погрешностей измерений. Приведены типичные картины распределения рельефа поверхности образцов, полученные с помощью автоматизированной системы.

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.

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.

Обнаружен новый механизм деформации в наноструктурированных поверхностных слоях деформируемого твердого тела и тонких пленках — развитие локализованного пластического течения в виде двойных спиралей. Сформулированы условия развития нового механизма деформации мезомасштабного уровня. Показано, что подобный механизм деформации может развиваться только в многоуровневой среде, имеет волновую природу и хорошо согласуется с полевой теорией неупругой деформации.

Изложены результаты по исследованию влияния ультразвуковой обработки на микро- и мезорельеф, микроструктуру и фазовое состояние поверхности материала с эффектом памяти формы на основе никелида титана. Методами микроиндентирования, оптической профилометрии, рентгеноструктурного анализа, сканирующей туннельной микроскопии и позитронной аннигиляционной спектроскопии показано, что интенсивная пластическая деформация поверхностных слоев приводит к появлению мезорельефа, сильному (в 2–3 раза) упрочнению поверхностного слоя, его нанофрагментации и изменению фазового состава. В наноструктурном состоянии наблюдается высокая концентрация вакансий на границах зерен.

Упругие волны, генерируемые при трении, рассматриваются как источник информации о процессах деформации, разрушения и адгезионного схватывания в зоне контактного взаимодействия. На основе компьютерного моделирования показано, что вследствие динамической природы процесса трения для анализа регистрируемых сигналов даже в установившемся режиме помимо преобразования Фурье необходимо применят средства частотно-временного анализа. Полученные результаты позволяют сделать вывод. что закономерности процесса изнашивания могут быть изучены на основе анализа соответствующих акустических спектров.

Исследуется роль поверхностного слоя в развитии пластической деформации на наноструктурном уровне в условиях динамического нагружения. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что начало процесса локализации деформации непосредственно связано с потерей структурной устойчивости в поверхностных слоях, формированием зон локализации на поверхности и их распространением вглубь материала. Этому предшествуют рассогласованные смещения атомов в приповерхностных областях. Полученные результаты согласуются с известными экспериментальными данными и наглядно подтверждают особую роль поверхностного слоя в формировании и развитии процессов пластической деформации материалов.

В рамках междисциплинарного исследования процессов деформации и разрушения композиций покрытие — подложка при их контактном взаимодействии выполнен теоретический и экспериментальный анализ влияния дисперсного переходного слоя между сопряженными слоями на процесс формирования деформационных структур вблизи границы раздела. С помощью метода возбудимых клеточных автоматов проведено моделирование переноса упругой энергии от индентора с учетом процессов самоорганизации сдвигов и поворотов структуры вблизи интерфейса. С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC экспериментально исследовано влияние переходного слоя между покрытием и подложкой на формирование деформационных структур в условиях контактного взаимодействия с индентором при трехточечном изгибе.

Приведен обзор работ авторов с сотрудниками [1-20 и др.], посвященных проблемам природы процессов массопереноса через интерфейсы в твердых телах и биологические мембраны. Сделано заключение, что в основе распространения транспортных потоков лежат структурно-фазовые переходы наноструктурных состояний на границах раздела в гетерогенных средах.

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.

Обсуждаются методика и результаты численного анализа внутренних напряжений и деформаций в дисперсно-наполненном полимерном материале при изменении его температуры, когда матрица и включения имеют различные теплофизические свойства. Пространственно-временные распределения температуры определяют постановку задач на мезоуровне, где рассматривается представительный объем (мезообъем) материала как матрица с относительно небольшим числом включений. Анализ детального распределения напряжений и деформаций в окрестности включения позволяет сформулировать утверждение, что одной из причин образования межфазного слоя на границе "матрица-включение" могут служить возникающие особенности напряженно-деформированного состояния. Этим же обстоятельством можно объяснить существенные расхождения получаемых теоретических макрохарактеристик высоконаполненного полимерного композитного материала с их экспериментально полученными значениями.

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.

Предложена модель диффузии легирующего элемента в поверхностном слое материала, активированного ионно-лучевым воздействием. В рамках модели процесс характеризуется временем и глубиной активации. Продемонстрировано принципиальное значение учета активации поверхностного слоя для описания формирования диффузионной зоны. Теоретически показана возможность экспериментального определения параметров модели.

На основе анализа экспериментальных результатов последних лет сделано заключение, что поверхностные слои нагруженных твердых тел являются самостоятельной подсистемой, в которой развиваются волновые механизмы пластического течения, определяющие зарождение первичных деформационных дефектов всех видов. Эти процессы являются синергетическим активатором пластического течения о объеме деформируемого твердого тела.

Методами ОЭС, ПЭМ и рентгеновского фазового анализа исследован элементный состав, морфология и структурно-фазовое состояние поверхностного слоя титана, имплантированного ионами алюминия. Установлено, что в имплантированном слое толщиной 2.6 мкм со структурой твердого раствора алюминия в титане образуются мелкодисперсные (-70 нм) фазы интерметаллидов Ti3Al и TiAl, которые могут объединяться в конгломераты размером до 584 нм, а также соединения состава TiAl3. Модифицированный поверхностный слой ионо-имплантированного титана характеризуется повышенными физико-механическими свойствами.

Представлены результаты экспериментального исследования микроструктуры и фазового состава поверхностных легированных слоев никелевой мишени, сформированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на вакуумно-дуговом источнике ускоренных ионов "Радуга-5". Установлено формирование наноразмерных интерметаллидных фаз Ni3Al и NiAl и твердого раствора переменного состава системы Ni-Al.

Рассмотрены процессы упругой и пластической деформации металлических, оксидных и полупроводниковых пленок в процессе роста, термического отжига и механического нагружения. Показано, что при сжатии тонких пленок на податливой подложке на их поверхности формируются складки и происходит когерентная деформация подложки. В случае жесткой подложки сжимающие напряжения приводят к упругому изгибу пленки с локальным либо периодическим отслаиванием от подложки. Процесс пластической деформации тонких пленок определяется конкуренцией между изменениями их поверхностной энергии и энергии деформации. Выявлена фундаментальная роль периодического распределения напряжений и деформаций на границе раздела двух сред, лежащего в основе механизмов деградации тонких пленок при различных внешних воздействиях.

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.

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.

Приведены результаты теоретического исследования влияния физико-механических свойств поверхностных слоев интерфейсно контролируемых материалов на характер распределения деформаций в объеме образцов, находящихся в сложных условиях нагружения, и на величину их предельной деформации. Показано, что модификация поверхности, связанная с уменьшением модуля Юнга и предела упругости границ раздела структурных элементов в поверхностных слоях материала, способствует более равномерному распределению необратимых деформаций в объеме образца. Это приводит к росту его предельной деформации.

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.

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.

Развит подход физической мезомеханики к описанию трибоконтакта как многоуровневой иерархически организованной системы. В основе фрагментации и изнашивания поверхностных слоев материалов в парах трения лежит нескомпенсированность поворотных мод в иерархической системе "пластически деформируемый поворотный слой - аккомодационный переходный слой пластических сдвигов - поворотов - упруго нагруженная подложка". Экспериментальное структурно-трибологическое исследование эволюции трибоконтакта в аустенитной стали 20Х18Н10Т и дискретно-континуальное компьютерное моделирование показали хорошее согласие с развиваемой концепцией физической мезомеханики.

В динамике проведено моделирование процесса выглаживания тонкого поверхностного слоя стального образца под внедряемым с постоянной силой и затем движущимся с постоянной скоростью индентором. Моделирование проведено с использованием метода конечных элементов в рамках приближения плоского деформированного состояния. Индентор моделировался абсолютно жестким телом, а для стали была принята модель упругопластического тела с изотропным упрочнением по экспериментально определенному закону. В работе исследованы закономерности изменения напряженно-деформированного состояния материала вблизи обрабатываемой поверхности и выявлены механизмы образования наноструктурированного слоя. Проведен анализ влияния коэффициента трения и силы выглаживания на высоту валика оттесненного материала. результаты исследований находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.

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.

В работе исследуются процессы деформации и разрушения стали с боридным покрытием. Краевая динамическая задача решается численно методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Геометрия границы раздела «покрытие - подложка» соответствует экспериментально наблюдаемой и задается в расчетах явно. Для описания механической реакции стальной основы используется упругопластическая модель изотропно упрочняющегося материала, которая включает соотношения для описания медленных течений. Исследованы особенности локализации пластической деформации и разрушения в условиях распространения полосы Чернова-Людерса в стальной подложке при растяжении.

Проведены экспериментальные исследования формирования дефектной структуры в тонком поверхностном слое стали 20Х18Н10Т в процессе изнашивания в паре трения. Показано, что пластическая деформация в стесненных условиях пары трения является неоднородной и носит вихревой ротационный характер. Для теоретического описания процессов формирования вихревых структур в многоуровневых поликристаллических структурах развит метод возбудимых клеточных автоматов. Численные эксперименты показали формирование ротационных мод деформации на различных структурно-масштабных уровнях — модуляцию значений локального момента силы вдоль межзеренных границ и фрагментацию исходных структурных элементов в исходных конгломератах самосогласованно деформирующихся зерен в поле моментных напряжений.

Рассмотрены экспериментальные и теоретические основы учета кривизны в многоуровневом подходе к компьютерному моделированию поведения границ раздела как самостоятельных планарных подсистем в нагруженном поликристалле. На базе гибридного дискретно-континуального метода возбудимых клеточных автоматов, использующего синергетические принципы дискретных переключений и законы механики сплошных сред, проведены комплексные исследования динамики потоков вещества и энергии вдоль межзеренных границ. Показано, что эти потоки имеют ротационно-волновую природу и зависят от условия нагружения межзеренной границы.

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.

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.

На основе компьютерного моделирования рассмотрен налет двух частиц на тонкую пластину. Исследовалось влияние возбуждаемых в результате соударения волн на взаимодействие частиц с поверхностью. Показано, что волновые возбуждения в пластине приводят к существенному динамическому изменению поверхностного отклика. проанализировано распределение повреждений и пластической деформации, генерируемых в результате соударений, обнаружена корреляция этого распределения со структурой волны.

Метод рентгеноструктурного анализа с использованием асимметричной схемы отражения развит до получения одномерных распределений структурно-чувствительных физических величин по глубине. Из получаемого в эксперименте набора усредненных величин по различным толщинам эффективно отражающего слоя, методика позволяет восстанавливать координатную зависимость этих величин. Методика может быть полезна при изучении физической и химической неоднородностей в поверхностном слое материала, создаваемых закалкой, различными видами поверхностного облучения, поверхностным легированием, наплавкой, нанесением пленок и т. д. В работе она применена для получения распределений по глубине нормальной и касательной микродеформаций, связанных с напряжениями 1-го рода, в подвергнутых электронному облучению образцах никелида титана с плоской поверхностью.

Сформулирована и исследована математическая модель роста покрытия при магнетронном напылении. В оценке средних механических напряжений учитывается вклад как термической, так и диффузионно-химической природы. Показано. что кинетика реакции на поверхности играет не меньшую роль в эволюции напряжений, чем соотношение механических свойств растущего покрытия и подложки.

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.

В работе проведено сравнение результатов количественной оценки остаточных напряжений в поверхностных слоях образцов никелида титана после электронно-пучкового воздействия при использовании различных рентгеновских методик измерения этих напряжений из картин рентгеновской дифракции, полученных в симметричной и асимметричной геометрии съемок. В работе представлен подход, демонстрирующий возможности эффективного использования рентгеновских методов для количественной оценки величины остаточных напряжений в материалах с градиентным изменением микроструктуры и физических свойств, в том числе модуля упругости.

Методами дифракции обратнорассеянных электронов проведено исследование изменения микроструктуры приповерхностного слоя никелида титана после импульсных воздействий на поверхность образцов сплава потоками ионов кремния средних энергий. Показано, что после ионно-пучкового облучения поверхности образцов наблюдается изменение и фрагментация структуры приповерхностного слоя на глубину 5-15 мкм, меньшую среднего размера исходного зерна исследуемого сплава. Установлено, что характерными особенностями слоя с фрагментированной структурой являются присутствие в нем мартенситной фазы В19' и высокая концентрация межфазных и внутрифазовых границ раздела, линейные размеры фрагментов превышают 1 мкм, измельчение структуры слоя под облученной поверхностью неоднородно и зависит от кристаллографической ориентации исходного зерна. Высказано предположение, что одной из причин интенсивной фрагментации отдельных зерен исходной фазы В2 после ионно-пучковой обработки является близость ориентации основных систем скольжения направлению воздействия ионными пучками. Возможно, это привело к более раннему, по сравнению с остальными зернами, запуску процесса пластической деформации таких зерен и, как результат, частичной фрагментации их структуры.

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.

Исследованы мезоскопические масштабные уровни пластической деформации поверхностных слоев поликристаллов свинца, его сплавов с малорастворимыми элементами, алюминия и титана при знакопеременном изгибе. Обнаружены новые механизмы пластического течения на мезоуровне: расслоение материала в зонах стесненной деформации на ламели и их взаимное смещение (свинец и его сплавы), самосогласованное гофрирование поверхностного слоя в иерархии мезомасштабных уровней деформации (алюминий), аномально большие вертикальные смещения мезоблоков поверхностного слоя с формированием двухуровневой клеточной структуры (титан с наводороженным поверхностным слоем). На основе многоуровневого подхода делается заключение, что механизмы деформации поверхностных слоев твердых тел на мезоуровне при знакопеременном изгибе определяются самосогласованием поворотных мод деформации в поверхностных слоях и «шахматным» распределением нормальных и касательных напряжений на границе раздела «поверхностный слой – подложка».

Дан краткий обзор основных идей и выводов нелинейной динамики, на основе которых анализируются возможности «иерархического моделирования». Центральные проблемы при выполнении такого моделирования видятся: 1) в нахождении путей и методов анализа общих свойств решений соответствующих нелинейных динамических уравнений механики сплошных сред в контексте основополагающих идей синергетики; 2) в установлении «генетического кода» организации пространственно-временных иерархий, рождающихся в нагружаемых материалах и средах. Утверждается, что нелинейные уравнения механики сплошных сред с релаксационными определяющими уравнениями (т.е. эволюционными уравнениями) для описания скоростей пластической деформации, накопления повреждений и разрушения, с положительными и отрицательными обратными связями между параметрами являются самодостаточными для выполнения иерархического моделирования. В общем случае это нелинейные уравнения смешанного типа, которые содержат как гиперболические, так и параболические решения. Их потенциальные возможности описывать эволюцию нагружаемых прочных сред по сценарию синергетики колоссальны и практически не изучены.

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.

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.

Исследован элементный состав и структурно-фазовое состояние поверхностных слоев никеля и титана, легированных в режиме высокоинтенсивной имплантации ионов алюминия на ионно-плазменном, вакуумно-дуговом источнике "Радуга-5". Установлено, что происходит формирование ионно-легированных слоев толщиной до 1000 нм (Ni) и 2000 нм (Ti) в процессе ионной имплантации. Показано, что поверхностные модифицированные слои содержат наноразмерные (средний диаметр 20-70 нм) интерметаллидные фазы Me3Al, MeAl (Me=Ni, Ti) и твердые растворы переменного по глубине состава, соответствующие равновесным диаграммам состояния систем Ni-Al и Ti-Al. Обнаружено, что увеличение дозы облучения титановых мишеней ионами алюминия приводит к росту толщины ионно-легированного слоя и среднего размера зрен интерметаллидных фаз. Установлена обща закономерность в локализации фаз, сформированных в процессе имплантации, по глубине легированных слоев металлов. Поверхностные слои содержат несколько многофазных зон, количество фаз в которых уменьшается по мере удаления о облучаемой поверхности. Область, содержащая интерметаллиды Me3Al, MeAl и наиболее близко расположенная к поверхности, способствует улучшению физико-механических свойств материалов.

В работе с помощью современных методов профилометрического анализа, оптической металлографии и просвечивающей электронной микроскопии показаны морфологические и структурные превращения, происходящие в поверхностном слое малоуглеродистой стали при точении и последующих операциях шлифования и ультразвуковой финишной обработки (УФО). Показано. что при соблюдении оптимальных режимов УФО технологическая наследственность, создаваемая точением, устраняется. Поверхностный слой стали имеет однородную модифицированную структуру.

Исследована взаимосвязь электрических характеристик и интенсивности изнашивания зоны трения металлических композитов без смазки при контактной плотности тока более 100 А/см2, получено начальное представление о микроструктуре поверхностного слоя и распределения химических элементов в нем.

Методом Оже-спектрометрии установлено, что содержание меди более 20% (ат.) в контактном слое металлических композитов приводит к низкой износостойкости при скользящем токосъеме без смазки. Износостойкость увеличивается при увеличении содержания кислорода до 40% (ат.) в контактном слое. Рентгеновским фазовым анализом установлено образование оксидов железа и меди на поверхности трения. Присутствие менее 50% (об.) Cu в первичной структуре вызывает образование оксида FeO, который способствует увеличению износостойкости и электропроводности контакта.

Показано, что при усреднении по полупространствам упругие поля напряжений и деформаций, создаваемые плоскими скоплениями дислокаций, приобретают своеобразную топологическую особенность вида у/[y], т. е. терпят скачок при переходе через плоскость скопления. Эти средние поля оказываются эквивалентными полям дислокаций наиболее общего вида - дислокаций Сомилианы. В терминах средних полей описание деформационных границ в кристаллах, в частности границ кручения, оказывается особенно удобным. В таком описании граница кручения, например, есть поверхность, на которой среднее поле поворотов претерпевает топологический скачок.

По результатам дислокационного анализа на субструктурном уровне предложна новая физическая трактовка процесса резания материалов как их управляемого разрушения с предшествующей пластической деформацией. С единых физических позиций рассмотрены основные вопросы теории резания: реакция обрабатываемого и инструментального материалов, формирование свойств поверхностного слоя детали, обрабатываемость резанием. методы интенсификации. а также детерминированной и стохастической оптимизации. Содержится много примеров практической реализации теоретических положений и разработанных методик оптимизации обработки резанием деталей из труднообрабатываемых материалов. Для инженерно-технических и научных работников, специалистов промышленности, полезна преподавателям, аспирантам и студентам втузов.

В работе исследуются процессы деформации и разрушения материалов с покрытиями различной толщины. Краевая задача механики решается численно методом конечных разностей в постановке плоской деформации. Для описания механического отклика стальной подложки и боридного покрытия используются модели упругопластической среды с изотропным упрочнением и упруго-хрупкого разрушения соответственно. Геометрия границы раздела «покрытие - подложка» соответствует экспериментально наблюдаемой и учитывается в расчетах явно. Проведены серии численных экспериментов при варьировании толщины покрытия. Показано, что в пределах тонкого поверхностного слоя (около 80 мкм) концентрация напряжений вблизи границы раздела «покрытие - подложка» увеличивается при уменьшении толщины покрытия, т.е. по мере приближения данной границы к свободной поверхности образца. Установлено, что данный эффект проявляется уже на упругой стадии и усиливается по мере развития пластической деформации в подложке.

Описаны закономерности взаимного проникания частиц в композитах «сталь – медно-свинцовый шликер» и «железо – свинец» под электроимпульсным или ударно-волновым воздействием. Предложена теоретическая трактовка наблюдаемых явлений на основе многоуровневого подхода физической мезомеханики и концепции атом-вакансионных конфигурационных возбуждений в сильнонеравновесных системах.

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.

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.

Работа посвящена исследованию влияния ультразвукового поверхностного пластического деформирования сварных соединений стали ВКС-12 на их структурно-фазовое состояние и механические характеристики. Показано, что материал приповерхностного слоя толщиной около 40 мкм после обработки приобретает трехслойное строение с образованием наноструктуры на глубине до 3...4 мкм. На большей глубине регистрируются субзеренная структура с большеугловой разориентацией субзерен и фрагментированная структура. Установлена связь наноструктурирования поверхностного слоя с повышением циклической долговечности сварных соединений.