В монографии обоснован новый в теории деформации твердых тел подход, базирующийся на концепции иерархии структурных уровней деформации. Теоретически и экспериментально показано: протекающая одновременно на нескольких структурных уровнях деформация твердых тел обусловлена появлением в деформируемом кристалле диссипативных структур и движением трехмерых структурных элементов деформации. Развиваемая в книге теория дефектов предсказывает вихревой характер пластической деформации твердых тел. Использование описанного подхода позволяет выработать рекомендации для создания материалов с заранее заданными свойствами.Книга рассчитана на специалистов в области механики и физики пластичности.

В монографии изложены основные положения структурной теории конструктивной прочности материалов с реальной структурой на макро-, мезо- и микромасштабном уровнях. Модели (механизмы) развития упругой пластической деформации и разрушения материалов разработаны на основе синтеза новейших достижений физики конденсированных сред, структурной механики разрушения и материаловедения. Основные выводы структурной теории конструктивной прочности, разработанной научной школой Новосибирского государственного технического университета, положены в основу анализа упрочнения реальных промышленных сплавов для повышения их надежности и долговечности. Книга адресована материаловедам научно-исследовательских и промышленных учреждений, преподавателям, аспирантам, магистрантам и студентам высших учебных заведений.

Предложена численная модель эволюции локализованной пластической деформации на макроуровне с использованием подходов континуальной механики. Для описания упругопластического перехода в локальных точках матерала предлагается двупредельный критерий пластичности, основанный на экспериментальных представлениях об эволюции дислокационной структуры во фронтах полос Людерса. Показано, что в комбинации с реальной геометрией образцов предложенный критерий позволяет описать поведение стальных лопаток при растяжении. Методом численного эксперимента исследуются основные особенности упругопластического течения на начальном этапе нагружения. Локальные характеристики напряженно-деформированного состояния анализируются в сопоставлении с интегральной кривой течения. Выполнен параметрический анализ модели для исследования влияния ее констант на отклик материала.

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.

В книге изложено статистическое описание закономерностей акустической эмиссии при пластической деформации сталей. Приведена методика определения параметров кристаллической структуры по одной дифракционной линии численно-аналитическим методом. Показано применение этих методов для исследования пластической деформации в сталях. Предназначена для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области материаловедения и неразрушающего контроля, а также может быть полезна студентам, аспирантам и преподавателям вузов соответствующего профиля.

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

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

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

Проведены исследования деформирования пористой керамики на основе нанокристаллического диоксида циркония. Показано, что накопление микроповреждений носит пороговый характер и после локального разрушения материал продолжает деформироваться по прежнему закону. Существует прямая корреляция между макронапряжениями и локальными (мезоскопическими) параметрами распределения деформаций, области равномерного накопления деформации чередуются с ее резкими изменениями, приводящими сначала к локальному, а затем к макроразрушению всего материала.

В работе представлены результаты исследований влияния трехсторонней ковки при 873...673 K на микроструктуру, фазовый состав и мартенситные превращения в никелиде титана. Показано, что при понижении температуры ковки увеличивается объемная доля субмикрокристаллической фракции, а после ковки при 673 K субмикрокристаллическая фракция преобладает, присутствует наноструктурная фракция (~30 %) и встречаются единичные зерна размером ~ 1 мкм. Установлена корреляция размеров фрагментов зеренно-субзеренной структуры TiNi с их фазовым составом. Обнаружена смена последовательности мартенситных превращений при охлаждении образцов, деформированных при 873...673 K.

Представлены результаты исследования закономерностей формирования микроструктуры в титане ВТ1-00 и ВТ1-0, подвергнутом интенсивной пластической деформации методами равноканального углового и одноосного прессования в пресс-форме при различных деформационно-температурных режимах. Применение пресс-формы позволяет создать стесненные условия и повысить эффективность прессования. Показано, что прессование указанными методами приводит к формированию подобных субмикроструктур со средним размером зерна не более 0.3 мкм. Для достижения наноструктурного состояния была применена дополнительная пластическая деформация прокаткой в гладких или ручьевых валках. При этом было достигнуто состояние с характерным размером зеренно-субзеренной структуры менее 100 нм. Отжиг при 250 °С позволил повысить пластичность до 6 % при незначительном увеличении характерного размера зеренно-субзеренной структуры.

В рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики исследованы механизмы самосогласования поворотных мод циклической деформации на мезомасштабном уровне в поврехностных слоях поликристаллов различной природы. Получено прямое экспериментальное подтверждение эффекта "шахматного" распределения пластической деформации в зоне интерфейса "поверхностный слой - подложка" и на внутренних границах раздела.

Проведены сравнительные исследования влияния легирования водородом в количестве 0,002-0,24 масс. % на структуру, фазовый состав, деформационное поведение и характер разрушения при растяжении сплава Ti-6Al-4V в субмикрокристаллическом и крупнозернистом состояниях. Установлено, что формирование субмикрокристаллической структуры повышает устойчивость сплава к локализации деформации на макромасштабном уровне и сопротивление водородному охрупчиванию при комнатной температуре. Обсуждаются возможные причины повышения устойчивости сплава к локализации деформации на макромасштабном уровне в присутствии водорода.

Методами молекулярной динамики исследованы атомные механизмы зарождения пластической деформации в кристаллических материалах (на примере кристалла меди). Тепловые флуктуации могут являться причиной генерации дефектов структуры. Существует некоторое пороговое значение деформации, при котором происходит практически скачкообразный рост областей с локальными структурными изменениями (протодефектов). Исследована роль локального избыточного объема и особенности зарождения протодефектов в предварительно нагруженном кристаллите.

Работа посвящена моделированию процессов зарождения и развития локализованной пластической деформации в образцах низкоуглеродистой стали со сварными соединениями. Для описания распространения полос Людерса используется модель на основе двупредельного критерия пластического течения. Исследовано поведение трехмерных сварных образцов с градиентным и скачкообразным изменением механических свойств в зоне термического влияния. Показано, что характер эволюции пластической деформации в сварных образцах зависит от механических характеристик зоны термического влияния и конкурирующих процессов концентрации напряжений вблизи захватов испытательной машины и границ раздела «шов – зона термического влияния – основной металл».

Методами электронной микроскопии и эмиссионной мессбауэровской спектроскопии выполнено исследование грани зерен субмикрокристаллического молибдена, полученного кручением под высоким давлением.

В рамках полевой теории дефектов получено соотношение, описывающее эволюцию пластической деформации под действием приложенных напряжений, которое использовано для анализа закономерностей деформирования при циклическом знакопеременном нагружении. Исследовано влияние амплитуды приложенных напряжений, частоты нагружения и коэффициента асимметрии цикла на процесс деформирования при одноосном нагружении. Рассмотрены особенности эволюции пластической деформации в случае устойчивого процесса деформирования и определено время до разрушения системы в случае неустойчивого процесса.

Проведено исследование деформационного поведения рекристаллизованного цирконий-ниобиевого сплава Э125 на макроскопическом уровне. Проанализирована эволюция пространственно-временных распределений локальных деформаций на всех стадиях кривой деформационного упрочнения. Установлено, что на стадии предразрушения наблюдаются очаги локализованного пластического течения с различным уровнем накопления деформации. Очаг с максимальной амплитудой деформации практически неподвижен и отмечает место будущего разрушения. Остальные зоны локализованной деформации движутся с тем большей скоростью, чем дальше они отстоят от места разрушения. Кинетика очагов локализации деформации позволяет оценивать время жизни образца и координаты места разрушения.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование микрополосовых наноструктурных состояний, формирующихся при комнатной температуре в процессе больших деформаций прокаткой сплава V-4Ti-4Cr (ФГУП-ВНИИНМ)ю Показано, что характерными особенностями этих состояний являются: высокие значения кривизны кристаллической решетки; границы с переменными векторами разориентации и высокой плотностью частичных дисклинаций; локальные внутренние напряжения; преимущественный характер переориентации вокруг направлений с высокой плотностью высокоугловых границ . Высказано предположение, что эти особенности, а также возможность очень больших деформаций сплава прокаткой при комнатной температуре, являются результатом пластической деформации и переориентации кристаллической решетки механизмами прямых плюс обратных (по альтернативным системам) мартенситных превращений в полях высоких локальных напряжений.

В работе приведен краткий обзор основных методов измерения деформаций, применяемых для анализа напряженно-деформированного состояния образцов и деталей, включая оптико-телевизионный метод, разработанный в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН. На примере оценки конфигурации зон пластичности с помощью оптико-телевизионного метода в модельном медном образце с надрезом показана и обоснована возможность использования данного метода для исследования механического поведения материала, в том числе и на стадии накопления повреждений и разрушения, а также оценки величины трещиностойкости K1с. Показаны преимущества оптико-телевизионного метода по сравнению с другими известными методами измерения деформаций и перспективность его использования. Ключевые слова: деформация, разрушение, методы измерения деформаций, зоны пластичности, трещиностойкость.

Методами лазерной спекл-интерферометрии и профилирования поверхности исследована эволюция локализации пластической деформации при одноосном растяжении ГПУ циркониевых сплавов. Установлено, что возникновение колебательной неустойчивости на параболической стадии пластического течения сплавов циркония связано с началом локального неоднородного геометрического изменения формы деформируемого образца. Показано, что кинетика процесса прогрессирующего уменьшения поперечного сечения образца имеет нелинейный характер и определяется колебательным изменением деформаций сужения и удлинения в очаге макролокализации в режиме "упрочнение-разупрочнение".

Исследуется начальная стадия инициации процесса локализации атомных смещений в приповерхностной области на основе анализа особенностей перераспределения избыточного объема. Исследования проведены на основе компьютерного моделирования методом молекулярной динамики. Показано, что избыточный объем концентрируется в тех областях, где в дальнейшем наблюдаются структурные изменения. При этом выявлено, что превышение избыточного объема для этих областей может достигать 5% по сравнению с удельным объемом, приходящимся на атомы, находящиеся вне зоны локализации смещений. Полученные результаты позволяют с новых позиций рассматривать роль избыточного объема в вопросах зарождения и развития пластической деформации на атомном уровне.

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.

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.

В работе исследуются механические свойства, конфигурация зон пластичности и их изменение во время растяжения образцов с надрезами конструкционной стали ВКС-12. Количественные исследования зон пластичности выполнены с использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC путем построения картин распределения интенсивности деформации. Сопоставляя фрактограммы и картины распределения характеристик деформации, в работе также анализировали процесс разрушения, взаимосвязанный с пластическим течением. Обнаружено, что разрушение начинается в области с максимальной величиной интенсивности деформации. Установлено, что закономерности пластического течения в образцах с П 1.58 и П 4.65, где П - показатель исходной жесткости напряженного состояния, существенно различны. Показано, что в исследованных образцах стали ВКС-12 характер разрушения квазихрупкий, однако на всех стадиях разрушения сохраняется вязкий микромеханизм разрушении путем зарождения и роста пор.

Рассмотрено изменение энтропии в процессах генерации и распространения волн локализованной пластической деформации. Показано, что при образовании таких волн энтропия уменьшается, что может рассматриваться как основание для отнесения процессов локализации пластической деформации твердых тел к процессам самоорганизации.

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 изложена процедура численного описания поведения упруго-хрупкопластичных материалов. Отмечены основные трудности, возникающие при численном моделировании поведения таких материалов под действием нагрузок, и методы их решения. Кратко описаны некоторые алгоритмы, как известные в литературе, так и разработанные автором, с использованием которых был решен ряд задач. Представлены некоторые результаты расчетов локализации деформации и разрушения геоматериалов.

Исследовано влияние термического отжига на структуру, характер локализации пластического течения и механические свойства образцов ВТ1-0, подвергнутых предварительной ультразвуковой обработке или равноканальному угловому прессованию. Показано, что разрушение в процессе отжига субмикрокристаллической структуры обусловливает размытие полос локализованной деформации различных масштабов. Отжиг при 450 oС в течение 1 ч позволяет добиться увеличения пластичности субмикрокристаллического титана при одновременном сохранении высоких прочностных свойств материала.

Проведен сравнительный анализ закономерностей развития пластической деформации при ползучести титанового сплава марки ВТ6 в мелкозернистом и субмикрокристаллическом состояниях. Показано, что формирование в двухфазном сплаве ВТ6 субмикрокристаллической структуры воздействием интенсивной пластической деформации приводит к существенному росту его устойчивости к локализации деформации на макроуровне в процессе ползучести. Изучено влияние структурного состояния сплава на развитие зернограничного проскальзывания. Обсуждаются физические причины уменьшения величины кажущейся энергии активации ползучести сплава ВТ6 в субмикрокристаллическом состоянии.

Изложены основы строения материалов и формирования их структуры в процессах кристаллизации и пластической деформации, методы механических испытаний. Значительное внимание уделено анализу структурообразования в сплавах. Приведены особенности композиционного упрочнения сплавов. Приведены особенности композиционного упрочнения сплавов. Рассмотрены вопросы рационального выбора конструкционных сталей и обеспечения их необходимых свойств. Представлены структурная классификация чугунов и сведения по их новым видам. Отражены особенности строения, свойств, способов получения и применения наноструктурных материалов. для студентов вузов.

С позиций физической мезомеханики исследованы механизмы пластической деформации и механические свойства частично-кристаллического полиэтилена. Показано, что пластическая деформация с самого начала происходит на мезо-уровне.. Разрушению предшествует фрагментация материала. Наблюдаемая стадийность процесса пластической деформации полиэтилена качественно подобна стадийности этого процесса для металлических материалов. Влияние облучения на механические свойства полиэтилена объясняется измельчением мезосубструктуры, формирующейся при пластической деформации.