Выполнены систематические исследования мезоскопических механизмов деформации поликристаллов свинца и сплавов на его основе в условиях знакопеременного изгиба при комнатной температуре. Показано, что усталостное разрушение обусловлено эволюцией вихревой мезоскопической субструктуры. В основе деформации этого вида лежит множественное скольжение, разнесенное в смежные зерна. Это обусловливает чрезвычайно сильную локализацию сдвига в отдельных, благоприятно ориентированных зернах и самоорганизацию этих зерен в соответствии с законом структурных уровней деформации. В поликристаллах свинца мезосубструктура имеет блочный характер, каждый блок охватывает несколько зерен. Элементы такой субструктуры зарождаются в зонах мезоконцентраторов напряжений, возникающих на границах зерен в условиях интенсивного зернограничного проскальзывания. В ходе циклирования они постепенно распространяются через все поперечное сечение образца, что завершается его разрушением. Легирование существенно изменяет характер формирующейся мезосубструктуры. Рассмотрены различные типы вихревых мезосубструктур и изучена их связь с циклической долговечностью сплава. Даются рекомендации повышения сопротивления усталости пластичных поликристаллов.

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

Исследованы закономерности накопления усталостных повреждений при циклическом нагружении поликристаллов алюминиевого сплава в условиях многоцикловой усталости путем анализа динамики пространственно-временных мезоскопических субструктур. Показано, что на мезоуровне при периодическом воздействии внешнего механического поля в материале формируются деформационные домены. Эволюция динамических мезоскопических доменных субструктур определяет кинетику усталостного разрушения поликристаллов.

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.

В работе описана методика выявления на оптических изображениях элементов деформационного рельефа, формирующегося в результате локализованного развития деформации в области вершины усталостной трещины, с использованием аппарата анализа изображений. Предложена численная характеристика, основанная на вычислении отношения площади элементов деформационного рельефа к площади фона, как интегральный параметр оценки степени деформированности поверхности.

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

Исследованы 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».

В монографии изложены представления о механизмах деформации и разрушения порошковых твердых сплавов вольфрамовой группы. Рассмотрены их механические характеристики в качестве критериев оценки качества и долговечности твердосплавных изделий в условиях эксплуатации. Широко представлены результаты исследований закономерностей усталостного разрушения твердых сплавов при ударном и гармоническом нагружениях и поведения в условиях сложно-напряженного состояния. Даны рекомендации по оценке прочности и долговечности с учетом ряда технологических факторов, таких, как исходная структура твердых сплавов, геометрические размеры образцов или изделий, состояние поверхностного слоя и др. Показана возможность увеличения прочностных характеристик порошковых твердых сплавов объемным и поверхностны упрочнением и определены области эффективного его применения. Для научных и инженерно-технических работников, создающих новые инструментальные материалы, занимающихся разработкой, изготовлением и применением твердосплавного инструмента и других изделий из твердых сплавов, а также для преподавателей и студентов вузов.

С помощью оптико-телевизионной измерительной системы проведено исследование закономерностей пластической деформации на мезо- и макроуровне при растяжении поликристаллов Fe+3ат.% Si. Описаны признаки и особенности вихревого характера пластического течения поликристаллов. Полученные данные подтверждают основной вывод теории вихревого механического поля: разрушение обусловлено поворотной модой деформации.

Исследованы механизмы локализации пластической деформации на мезоуровне при растяжении поликристаллов низкоуглеродистой стали с различной степенью предварительной холодной прокатки. Нестабильность холоднодеформированного прокаткой состояния при последующем растяжении проявляется в формировании сопряженных полос микроскопической локализованной деформации в образце. Их ориентация не зависит от типа кристаллической решетки, текстуры материала и определяется направлениями касательных напряжений. Размерные параметры макрополос зависят от степени и направления предварительной прокатки. механизмом образования полос локализованной деформации является сдвиг одной части поликристалла относительно другой. В полосе суперлокализации на заключительной стадии деформации реализуется встречный сдвиг двух частей поликристалла с образованием макрополосового диполя. Разрушение поликристалла в области локализации пластического течения обусловлено фрагментацией материала и ростом поворотных мод деформации на мезоуровне. Закономерности деформации на макро- и микроуровнях подчиняются принципу масштабной инвариантности.

В монографии изложены современные представления о диагностике усталостного разрушения сталей и сплавов, увеличении ресурса нагружаемых изделий путем обработки мощными короткими токовыми и импульсами. Проанализированы возможные механизмы электростимулированной обработки, повышающей на 20-30% выносливость сталей и сплавов при малоцикловом нагружении. Обращено внимание на методическое и аппаратурное обоснование исследования электростимулированной малоцикловой усталости. Книга предназначена для специалистов в области физики твердого тела, механики деформированного твердого тела, физики прочности и пластичности, металловедения.

Исследованы закономерности усталостного разрушения сварных соединений высокопрочной стали. Обнаружено, что на мезоуровне малоцикловая усталость сварных соединений представляет собой трехстадийный процесс. Стадия формирования усталостной трещины очень длительна, а разрушение определяется высокими значениями скорости роста трещины в глубину образца и скорости раскрытия ее берегов на последней стадии разрушения. Развитие трещины связано с образованием доменной мезоструктуры вблизи ее вершин и происходит по смешанному типу (I + II), где мода II преобладает.??.

В работе проведено исследование структуры и фазового состава ряда хромистых сталей, подвергнутых низкоэнергетической ионно-лучевой обработке азотом, а также изучено влияние параметров структурного состояния модифицированных слоев на их износостойкость и выносливость. Показано, что ионно-лучевое азотирование эффективно повышает износостойкость и циклическую долговечность модифицированных хромистых сталей.??.

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.

Рассмотрены возможности контроля накопления повреждений при усталостном нагружении с помощью измерения скорости распространения ультразвука. Показано, что зависимость скорости ультразвука от числа циклов нагружения является трехстадийной кривой, на каждой стадии которой скорость ультразвука снижается. Наиболее быстрый спад наблюдается на последней стадии испытания непосредственно перед разрушением. Показано, что переход в критическое состояние может быть обнаружен при измерениях скорости ультразвука. Предложен способ повышения ресурса работы образца, приблизившегося к критическому состоянию, за счет обработки серией мощных импульсов электрического тока, при этом ресурс работы повышается на 30...40% по сравнению с исходным.

Описана методика контроля измерения прочностных свойств сталей в процессе усталостных испытаний с помощью измерения скорости распространения ультразвука. Установлена возможность обнаружения опасной стадии развития усталостных повреждений на отдельных деталях. Предложен способ восстановления работоспособности изделий с помощью обработки мощными импульсами электрического тока. Показано, что подобная обработка существенно повышает ресурс работы и может предотвратить усталостное разрушение.

Изменение структурного состояния поверхностных слоев образцов альфа-титана сильно влияет на механизмы их усталостного разрушения и усталостную долговечность. При знакопеременном изгибе образцов альфа-титана развивается усталостная трещина поперечных сдвигов, в которых происходит слабое расслоение материала. Наводораживание поверхностных слоев образцов сохраняет тип трещины поперечных сдвигов, но резко увеличивает в них расслоение материала. Расслоение происходит в наводороженных поверхностных слоях. Наноструктурирование поверхностных слоев вызывает повышение их нанотвердости, модуля упругости и обусловливает развитие усталостной трещины нормального отрыва. Усталостная долговечность уменьшается в три раза при наводораживании поверхностных слоев и возрастает в четыре раза при их наноструктурировании.

В работе проведено численное исследование деформации и разрушения мезообъема композиционного материала Al + Al2O3 при растяжении и сжатии. Иерархическое моделирование подразумевает введение различных моделей для описания механического поведения пластичной матрицы и хрупких керамических включений: упруго-пластическая формулировка с учетом деформационного упрочнения и модель растрескивания, использующая критерий разрушения типа Хубера, соответственно. Критерий учитывает различия в критических величинах для разных типов локальных состояний: растяжение и сжатие. Показано, что комплексное механическое поведение мезообъема композита как целого контролируется взаимосвязанными процессами формирования полос локализованного сдвига в матрице и растрескивания включений. Применительно к структурно-неоднородной среде предложенный критерий наибольшей интенсивности касательных напряжений позволяет правильно описать направление распространения трещин при отрыве для разных способов нагружения (растяжение, сжатие).??.

Книга посвящена развитию представлений о кинетике, механизмах, основных и общих закономерностях разрушения твердых тел в различных условиях, включающих однократное, циклическое, динамическое нагружение, разрушение в условиях коррозионной среды и радиационного воздействия. Основное внимание уделено стадии накопления несплошностей в зоне локализации разрушения и взаимосвязи накопленной поврежденности с изменением акустических свойств материала. Для описания кинетики разрушения под действием различных факторов использована теория фазовых переходов и предложен единый подход к анализу кинетических процессов в разных средах и на различных масштабных уровнях. Для специалистов в области механики, физики твердого тела, тектонофизики, металловедения, обработки материалов, научных и заводских работников, занимающихся изучением механических и акустических свойств материалов, а также неразрушающим контролем элементов конструкций.

В монографии сделана попытка сформулировать целостную физически обоснованную систему представлений о факторах, контролирующих предельный уровень прочности металла на трех масштабных уровнях: атомном, микро- и мезоуровнях, а также на макроуровне (прочность металла в конструкции) Изложены результаты молекулярно-динамического моделирования деформирования металлических наночастиц и разработанные на их основе представления об атомистике процессов потери устойчивости, деформации и разрушения идеальных кристаллов и металлических наночастиц. Установлена связь между объемными и энергетическими изменениями при деформации кристалла. Рассмотрена статистическая модель хрупкого разрушения поликристаллов, основанная на концепции зародышевых трещин. Кроме результатов теоретических исследований, приведен значительный объем экспериментальных данных по влиянию структурного состояния конструкционных сталей на уровень предельной прочности, а также изложены основы оптимизации структурного состояния конструкционных сталей и идеи, касающиеся технологических путей х реализации. Вводится понятие предельной прочности метала в конструкции - Rs. Возможности разработанного подхода продемонстрированы на примере прогнозирования предельного состояния корпуса реактора. Для специалистов в области физики прочности, материаловедения, инженеров-конструкторов, а также студентов вузов.

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.

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.

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.).

Обнаружено явление возникновения деформационных доменов в поле векторов смещений на мезоуровне при растяжении поликристаллов алюминия с пористым керамическим покрытием, в которых квази-однородное движение дислокаций на микроуровне подавлено. деформационные домены классифицируются как мезодефекты, осуществляющие аккомодационную деформацию поворотного типа.

В ходе циклических испытаний образцов композиционного материала на основе углеродных волокон проведена оценка их наработки с помощью датчика деформации интегрального типа (ДДИТ). В состав датчика входит полированная алюминиевая фольга (чувствительный элемент), наклеенная на поверхность образца и деформирующаяся совместно с ним. Ее изображения регистрировали с помощью микроскопа МБС-9, дооснащенного цифровой фотокамерой. Для анализа деформационного рельефа ДДИТ рассчитывали комплекс информативных параметров, обсуждали и трактовали характер и типичные стадии их изменения. Полученные данные предложено использовать при создании встроенных датчиков контроля состояния деталей техники ответственного назначения.

Changes of structural states in near-surface layers of alfa-titanium strongly affect its fatigue life and fatigue fracture mechanisms. In alfa-titanium subjected to alternate bending a sliding mode crack develops, resulting in slight delamination of the material. Hydrogenation of alfa-titanium surface layers preserves their sliding mode cracking but greatly enhances their delamination. Nanostructuring of alfa-titanium surface layers increases their nanohardness and elastic modulus and causes opening mode cracking. The fatigue life of the material after surface hydrogenation decreases three times, and after surface nanostructuring, it increases four times.

В работе рассмотрены закономерности деформации и разрушения на мезоуровне материалов с покрытиями при различных схемах нагружения, полученные с применением оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. Показано, что зарождение в покрытии (поверхностном упрочненном слое) трещин и фрагментированной мезоструктуры в объеме материала подложки происходит около базового концентратора напряжений у головки образца и развивается вдоль образца как нелинейный волновой процесс. Его характер существенно зависит от геометрии границы раздела «покрытие (упрочненный поверхностный слой) – подложка». Сформулирован качественный критерий усталостного предразрушения при знакопеременном циклическом изгибе. Показано, что при циклическом нагружении композиции с более твердым покрытием определяющую роль играют возникновение зон концентрации напряжений и локализация деформации на границе раздела «покрытие – основа». Сформулированы рекомендации по оптимизации режимов формирования покрытий.

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.

Моделирование процессов деформации и разрушения угля выполнено на мезо- и макроуровнях. На мезоуровне численно исследован процесс разрушения мезообъема угля как композиционного материала, в котором явно учтены значимые структурные элементы, включая крупные поры. По известным физико-механическим параметрам компонентов получены усредненные параметры для заданного состава и пористости. На основе полученных усредненных характеристик рассмотрен процесс резания угля на макроуровне, с использованием определяющих соотношений, интегрально учитывающих внутреннее трение и дилатансию в деформируемом материале. Особенности напряженно-деформированного состояния вблизи кромки режущего инструмента воспроизводились при изучении поведения мезообъемов с целью оценки выхода пылевых частиц. Полученные данные о распределении пылевых частиц по размерам и массе хорошо согласуются с экспериментальными данными.

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.

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.