На основе уравнений полевой теории дефектов исследована структура волн поля дефектов в вязкопластической среде. Установлен поперечный характер волн поля дефектов, характеризуемого тензором плотности и плотности потока дефектов. Найдена связь этих величин в плоской гармонической волне. Рассмотрены частные случаи сред с сильно и слабозатухающими волнами.

В рамках калибровочной модели упругого тела с дефектами получены динамические уравнения дислокационного ансамбля. С учетом аналогии между полученными уравнениями и уравнениями Максвелла в электродинамике записано определяющее соотношение, связывающее поле дефектов с материальным континуумом. В феноменологических теориях пластичности данное соотношение соответствует определению вязкопластического тела. Рассчитаны дисперсионные соотношения и конфигурации нормальных колебаний дислокационного ансамбля в вязкопластической среде.

На основе исследований авторов и анализа литературных данных экспериментально обнаружен и теоретически обоснован мезоскопический эффект «шахматного» распределения нормальных и касательных напряжений на интерфейсе разнородных сред в полях внешних воздействий. Данный мезоэффект возникает при сопряжении самых различных сред независимо от их агрегатного состояния (твердое тело — жидкость — газ) и обусловливает развитие нелинейных волновых процессов массопереноса различного типа. Делается заключение о важной роли обнаруженного эффекта в многочисленных явлениях природы, различных областях науки и техники.

Рассмотрены волновые решения системы уравнений полевой теории дефектов в вязкоупругой среде. Определены показатели преломления и поглощения, скорости распространения волн упругого континуума и континуума дефектов. Проанализированы особенности корреляции различных волн.

Показано, что четырехмерная формулировка теории дефектов приводит к описанию жидкокристаллических сред. Получены динамические уравнения, описывающие поведение дефектов, характерных для жидкокристаллических сред. Установлено, что вихрь является динамическим дефектом жидкости, подобно дислокации в твердом теле.

На основе динамических уравнений континуальной теории дефектов получены соотношения, определяющие законы отражения и преломления плоской волны поля дефектов на границе раздела двух вязкопластичных сред. Определены коэффициенты отражения и преломления, связывающие амплитуды отраженной и преломленной волн с амплитудой падающей волны. на основе полученных выражений рассмотрен частный случай сред со слабо затухающими волнами.

На основе динамических уравнений континуальной теории дефектов исследована структура волн поля дефектов, характеризуемого тензором плотности и тензором плотности поля дефектов, в вязкопластической среде. получены соотношения, определяющие закономерности прохождения волн поля дефектов через границу раздела двух сред. Рассмотрены частные случаи сред с сильно- и слабозатухающими волнами.

На основе динамических уравнений континуальной теории дефектов проведен анализ потоков энергии поля дефектов через границу раздела двух вязкопластических сред. Получены соотношения, определяющие отражательную и пропускательную способности границ раздела, которые показывают, какая доля энергии падающей волны дефектов уносится отраженной волной и какая переносится преломленной во вторую среду. Рассчитаны и проанализированы зависимости коэффициентов преломления от угла падения первичной волны.

На основе уравнений полевой теории дефектов, содержащей кинематические тождества упругого континуума с дислокациями и динамические уравнения калибровочной теории дислокаций, рассмотрены закономерности распространения плоских гармонических волн в однородных упруго-вязкопластических средах и при наличии границ раздела. Определены коэффициенты отражения и преломления волн поля дефектов, характеризуемого тензорами плотности дислокаций и плотности потока. Проанализированы зависимости полученных величин от размеров контактирующих сред.

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.

На основе уравнений полевой теории дефектов, замкнутой определяющим соотношением вязкоупругих тел, рассмотрены закономерности распространения плоских волн поля дефектов через границу раздела. Записаны граничные условия, определяющие соотношения параметров поля дефектов на границе раздела, что позволило получить выражения для коэффициентов отражения и преломления и сдвига фаз волн на границе раздела.

На основе уравнений полевой теории дефектов с использованием кинематических тождеств для упругого континуума с дефектами и динамических уравнений калибровочной теории рассмотрены закономерности распространения плоских гармонических волн в вязкоупругих и упруговязкопластических средах. Определены скорости распространения волн, показатели преломления и поглощения. Проанализированы структура волн и особенности корреляции волн смещений и волн поля дефектов, определяющих пластическую деформацию.

Излагается современная теория вязкопластических течений, сформировавшаяся в течение ХХ в. в самостоятельный раздел гидромеханики и механики деформируемого твердого тела. Наряду с классическими постановками начально-красных задач и точными стационарными решениями подробно рассмотрены новые направления в исследовании вязкопластических течений. Эти новые направления - нестационарные и переходные режимы, динамический хаос, гидродинамическая устойчивость, перемешивание - быстро развиваются благодаря прогрессу в компьютерном моделировании. Для специалистов по механике сплошной среды, научных сотрудников, аспирантов, студентов, изучающих гидромеханику и механику деформируемого твердого тела.

Настоящее издание представляет собой первый том избранных трудов выдающегося отечественного ученого академика В. П. Мясникова. В содержание тома вошли работы по механике сплошных сред с различными реологическими свойствами. В этих работах нашли свое отражение идеи, методы и подходы В. П. Мясникова к решению различных проблем в теории упруго-, жестко-, вязкопластических и разносопротивляющихся сред, а также сред с внутренними степенями свободы. Книга предназначена для специалистов в области математики и механики, а также аспирантов и студентов старших курсов соответствующих специальностей.

Представлены результаты первопринципных расчетов энергий формирования моновакансий и комплексов точечных дефектов в палладии и титане. Проведены оценки энергии взаимодействия водорода с вакансиями и примесями в зависимости от их расположения в матрице палладия или титана. Анализируется влияния точечных дефектов на электронную структуру металлов и сорбцию водорода.

Приведен обзор работ авторов с сотрудниками, посвященных проблемам природы процессов массопереноса через интерфейсы в твердых телах и биологические мембраны. На основе термодинамического подхода физической мезомеханики сделано заключение, что в основе распространения транспортных потоков через интерфейсы и мембраны в живой и неживой природе лежат структурно-фазовые переходы наноструктурных состояний на границах раздела в гетерогенных средах. Такие состояния возникают на интерфейсах и в мембранах в условиях «шахматного» распределения напряжений, деформаций и химических потенциалов компонентов сопрягаемых разнородных сред. Рассмотрены актуальные практические приложения развиваемого подхода в биологии и современном материаловедении.

В работе исследовано влияние формы упрочняющих частиц и прочностных свойств границы раздела на процессы деформации и разрушения в металлокерамическом композите Al/Al2O3. Проведены трехмерные расчеты деформации и разрушения в условиях одноосного растяжения и сжатия для пяти различных случаев, в которых форма включений варьировалась от идеальной сферической до существенно неправильной. Показано, что вблизи границ раздела «матрица – включение» как при растяжении, так и при сжатии существуют локальные области материала, испытывающие растягивающие нагрузки. Установлено, что в рассмотренном диапазоне нагрузок прочность на сжатие не достигается ни в одной области материала включения, т.е. все трещины распространяются исключительно под действием растягивающих напряжений как при приложенном растяжении, так и при сжатии. Выявлены два основных механизма разрушения упрочняющих частиц — отслаивание по границе раздела и объемное растрескивание. Изучено влияние прочностных свойств границ раздела на механизмы разрушения композита.

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.

Представлены результаты первопринципных расчетов электронной структуры сплавов Гейслера Co2MnGa(Si) и Ni2MnGa, а также их тонких пленок на полупроводниковых подложках. Анализируется влияние структурных дефектов на электронную структуру и магнитные свойства в объеме, на поверхности и границах раздела.

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.

С использованием метода погруженного атома в квазигармоническом приближении рассчитаны энергии связи комплексов собственных точечных дефектов малых размеров в меди как функции температуры. Исследована роль температурных эффектов в реализации различных атомных конфигураций собственных точечных дефектов.

Рассмотрены автомодельные решения нелинейной системы уравнений полевой теории дефектов в форме бегущей волны. На основе уравнения динамического равновесия, представляющего условие совместности данной системы уравнений, получено условие существования решений в виде бегущей волны. Рассмотрены частные случаи автомодельных решений полевой теории дефектов при заданных внешних воздействиях и отсутствии диссипации энергии.

Проведено исследование динамики накопления электрически активных радиационных дефектов при ионном легировании эпитаксиальных пленок Cd2Hg1-xTe с различным распределением состава материала в области внедрения имплантанта. Образцы эпитаксиальных пленок облучались ионами бора при комнатной температуре в непрерывном режиме в диапазоне доз, энергий, плотности тока ионов. Обнаружено, что натуральный логарифм скорости введения электрически активных радиационных дефектов линейным образом зависит от состава материала эпитаксиальной пленки в области среднего проецированного пробега имплантируемых ионов. Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что динамика накопления электрически активных радиационных дефектов определяется составом материала эпитаксиальной пленки в области внедрения имплантируемых ионов.

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.

Предложено описание многоуровневой дефектной подсистемы в шейке деформируемого твердого тела на основе полевой теории дефектов. Ведущий механизм пластической деформации в шейке связан с самоорганизацией двух макрополос локализованных сдвигов, ориентированных по сопряженным направлениям максимальных касательных напряжений. Их материальные повороты компенсируются на мезомасштабном уровне фрагментацией материала в шейке как аккомодационный механизм кристаллографических поворотов. Дислокационная деформация на микромасштабном уровне описывается калибровочной теорией дефектов. Полевая теория дефектов позволяет описать известные механизмы пластической деформации в шейк на различных масштабных уровнях.

В работе анализируются последовательности дефектов различной природы, возникающие в процессе деформации. Традиционно дефект рассматривается только как источник внутренних напряжений, поэтому процесс деформирования описывается фазовой кривой в пространстве двух измерений напряжение – деформация. Необходимо учесть, что дефект как локальная неоднородность обладает собственной энергией. Учет собственной энергии дефектов приводит к увеличению размерности фазового пространства, поскольку необходимо вводить параметры, характеризующие возникающие в процессе деформации дефектные структуры. Анализ потенциальной энергии деформируемой системы позволяет прояснить причину возникновения дефектов различной природы и ввести понятие деформационных уровней в фазовом пространстве. В этом случае в фазовом пространстве можно выделить деформационные уровни, вдоль которых при эволюции природа и количество параметров деформируемой системы не изменяются. Таким образом, переход деформируемой системы с одного деформационного уровня на другой связан с их качественными и количественными изменениями. В рамках развиваемых представлений процесс деформирования от упругости до разрушения описывается кривой в фазовом пространстве, размерность которого определится, помимо параметров напряжение – деформация, еще и параметрами возникающих в ходе деформации дефектных структур. Стандартная кривая напряжение – деформация является проекцией пространственной кривой фазового пространства на плоскость напряжение – деформация.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование влияния межзеренных границ на формирование радиационно-поврежденных областей в кристаллитах ванадия. Межатомное взаимодействие описано в рамках метода погруженного атома. В кристаллитах ванадия ка с идеальной структурой, так и с границами раздела, после релаксации каскадов атомных смещений формируется относительно малое число кластеров, состоящих из точечных дефектов (вакансий и собственных межузельных атомов-СМА). Характер развития каскадов атомных смещений во многом определяется наличием в материалах протяженных границ раздела. Межзеренные границы раздела служат барьером для распространения каскадов атомных смещений и аккумулируют значительную долю радиационных дефектов.

Проведено молекулярно-динамическое исследование термофлуктуационного формирования дефектов структуры в материалах с исходно идеальной кристаллической решеткой при высокоскоростных деформациях. показано, что тепловые флуктуации могут быть причиной генерации дефектов структуры. При этом существует некоторое пороговое значение деформации, характеризующееся практически скачкообразным ростом областей с локальными структурными изменениями.

Исследована возможность генерации дефектов структуры в материалах с идеальной кристаллической решеткой в широком температурном интервале при динамическом нагружении. Расчеты проводились в рамках метода молекулярной динамики с применением многочастичных потенциалов межатомного взаимодействия, полученных в приближении метода погруженного атома. Показано, что тепловые флуктуации могут приводить к скачкообразному зарождению дефектов в материалах с идеальной структурой при высокоскоростной деформации. Исследованы особенности зарождения дефектов структуры в зависимости от температуры для различных условий нагружения.

Рассмотрены некоторые условия возникновения и перераспределения нормальных и касательных напряжений в трущихся парах передач трением первого вида с помощью метода калибровочной теории дефектов. Получены аналитические зависимости для анализа нормальных и касательных напряжений в трущихся парах с учетом напряженно-деформированного состояния формирующегося между ними «третьего тела». Проведен анализ напряжений в трущейся паре передачи «шкив – ленточная пила».

Рассчитаны энергетические параметры вакансий и вакансионных комплексов вблизи межзеренной границы и свободной поверхности. Расчеты проводились на основе метода молекулярной динамики. Для описания межатомного взаимодействия были использованы многочастичные потенциалы, полученные в рамках метода погруженного атома. Показано, что радиус взаимодействия вакансий и радиус захвата вакансий и вакансионных комплексов границами зерен и свободными поверхностями для меди значительно меньше, чем для ванадия. Рассчитана энергетическая выгодность в меди и ванадии вакансионных комплексов, состоящих из четырех вакансий.

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.

Обобщены результаты электронномикроскопического исследования высокодефектных структурных состояний в наноструктурных (НС) материалах (Cu, Ni, Ni3Al, аустенитные стали), полученных в различных условиях интенсивной пластической деформации: кручение в наковальнях Бриджмена, равноканально 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 НС материалов.

Анализ изменения предела текучести sigmaT в В2(CsCl) интерметаллических соединениях в зависимости от температуры показывает, что при конструировании новых материалов на основе этих соединений необходимо учитывать энергетические характеристики вакансий. В зависимости от соотношения между энергией активации образования вакансий EV и их миграции Еm в этих соединениях на процессы упрочнения с повышением температуры могут влиять либо вакансии, либо точечные дефекты замещения.??.

Представлены результаты электронно-микроскопического исследования микроструктуры молибдена после ионной имплантации (ИИ) иттрия и титана в криогенном вакууме. Проведен анализ влияния ионно-стимулированного взаимодействия поверхности с реактивными элементами остаточного вакуума на закономерности модификации дефектной субструктуры ионно-легированных слоев. Изучены характерные типы дефектных субструктур в зависимости от расстояния от поверхности мишени. Обнаружены эффекты коллективных мод релаксации напряжений в поверхностных и подповерхностных слоях ионно-имплантированных образцов. Проведен анализ этих напряжений и их роли в реализации эффекта дальнодействия - модификации дефектно субструктуры на глубинах, на порядки превышающих толщину ионно-легированных слоев.

На основе динамических уравнений полевой теории дефектов получены зависимости, описывающие кривые ползучести и связь внешне приложенного напряжения и времени до разрушения системы при разных режимах деформирования. Установлены закономерности изменения длительности процессов ползучести при варьировании внешних параметров, в качестве которых рассматриваются напряжения и начальная скорость деформации и характеристик материала - предельно допустимой деформации, определяющей разрушение.

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.

Проанализированы особенности взаимодействия уединенных импульсов (солитонообразных волн), возникающих при высокоскоростном нагружении, с дефектами структуры в кристаллите Al. расчеты проводились на основе метода молекулярной динамики. Показано, что при сдвиговом нагружении и при сжатии материала формируются различные типы уединенных импульсов, которые по-разному взаимодействуют с областями, содержащими дефекты структуры. Волны, образующиеся при сжатии, обладают более высокой скоростью распространения в материале, и их форма достаточно быстро восстанавливается после прохождения дефектных областей. Изученные явления представляют интерес для развития методов неразрушающего контроля.

Книга представляет собой первый подробный обзор передовой технологии выращивания кристаллов нитрида галлия. Проведен анализ возможностей долгосрочного и краткосрочного применения объемных подложек на основе GaN, а также мотивация и задачи по внедрению соответствующей технологии в конкретные приборы. Книга написана командой из 45 специалистов, признанных лидеров науки и промышленности, и подготовлена опытными редакторами. Издание окажется незаменимым ресурсом для инженеров, исследователей и студентов, работающих в области выращивания кристаллов GaN и занимающихся обработкой и изготовление приборов на их основе как в сугубо научных, так и промышленных целях.

Рассмотрено образование дефектов кристаллической решетки в зоне концентратора напряжений как локальное структурное превращение кристалла, протекающее в два этапа. На первом этапе кристалл переходит в сильновозбужденное состояние. Получена зависимость вероятности образования сильновозбужденного состояния от величины механических напряжений и энергии возбуждения этого состояния. Константа скорости реакции указанного процесса определяется формулой, подобной формуле Журкова. На втором этапе сильновозбужденное состояние под действием напряжений переходит в структурное состояние, соответствующее кристаллу с дефектом. Проанализировано влияние размера концентратора напряжений на концентрацию образующихся дефектов различного типа.

Развит нелинейный волновой подход к описанию деформируемого твердого тела как многоуровневой иерархически организованной системы. Показано, что все типы деформационных дефектов могут быть представлены в виде солитонов кривизны кристаллической структуры, которые являются обобщенными волновыми структурными носителями пластической деформации и разрушения твердых тел. Тип деформационного дефекта определяется масштабным уровнем солитона кривизны. Волны солитонов кривизны могут быть диспергированы. Солитон кривизны генерирует трещину, если термодинамический потенциал Гиббса в зоне локальной кривизны оказывается положительным и материал испытывает структурно-фазовый распад.

Изучены особенности формирования и развития динамических вихревых структур в материалах на различных структурных уровнях. Показано, что генерация таких структур может быть основным механизмом аккомодации материалов к внешнему механическому нагружению. На микроскопическом уровне формирование и эволюция вихревых динамических структур в процессе нагружения могут обеспечивать межзеренное проскальзывание, миграцию границ зерен с аномально высокими скоростями. на более высоких структурных уровнях вихревые динамические дефекты могут быть основным механизмом зарождения и распространения трещин, фрагментации материала, формирования "квазижидкого слоя" в парах трения и т.д. Результаты и выводы работы подтверждены численными расчетами, проведенными в рамках молекулярно-динамического подхода и подвижных клеточных автоматов, применительно к различным видам материалов.

В рамках нелинейного многоуровневого подхода показано, что в основе генерации деформационных дефектов при пластической деформации и трещин при разрушении лежат масштабные уровни локальной кривизны кристаллической структуры твердых тел. Деформационные дефекты генерируются на интерфейсах 2D планарных и 3D кристаллических подсистем механизмом «лазерной накачки». Трещины зарождаются как структурно-фазовый распад кристаллической структуры в зонах локальной кривизны, где неравновесный термодинамический потенциал Гиббса оказывается больше нуля. Нелинейная механика разрушения исключает проблему сингулярности 1/r в уравнении распространяющейся трещины, но должна учитывать локальную кривизну кристаллической решетки в вершине трещины при ее зарождении и распространении.

В монографии последовательно рассмотрены вопросы моделирования фазовых превращений в конденсированных средах с особенностями в наномасштабе. Используется обобщенная модель Изинга, а также некоторые другие модели, в том числе электронные. Монография предназначена для широкого круга специалистов: научных сотрудников, преподавателей, аспирантов, магистров, студентов, интересующихся вопросами моделирования конденсированных сред. Книгу можно использовать также для организации самостоятельной работы студентов и аспирантов по специальностям, на которых изучается математическое и компьютерное моделирование.

В работе с использованием компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов исследованы некоторые закономерности отклика, включая разрушение, образцов блочных геологических сред, находящихся в условиях неравноосного сжатия, при сдвиговом деформировании. В качестве характеристики степени неравноосности авторами предложен безразмерный параметр, который, как свидетельствуют результаты расчетов, может быть эффективно использован для определения режима деформирования среды в условиях стесненного сдвига. Показано, что увеличение сжимающих напряжений в направлении сдвигового деформирования приводит к снижению продолжительности стадии квазипластического деформирования геосреды и величины ее сдвиговой прочности. Это связано с тем, что при увеличении степени стеснения основную роль в процессах деформации и разрушения блочной среды начинают играть механизмы мезомасштабного уровня, связанные с нарушением сплошности межблочных интерфейсных областей. Одним из проявлений данного эффекта является возрастание эффективной скорости расширения сдвиговой зоны, вызванное замещением деформационных механизмов низких масштабных уровней механизмами более высокого структурного ранга.

Приведено теоретическое и экспериментальное обоснование высокой эффективности повышения макромеханических характеристик конструкционных и инструментальных материалов путем наноструктурирования их поверхностных слоев или нанесения наноструктурных покрытий. Нагруженное твердое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой поверхностные слои являются самостоятельной подсистемой. Особое внимание уделяется интерфейсу "поверхностный слой (покрытие) - подложка", на котором возникает "шахматное" распределение нормальных и касательных напряжений и связанных с ними концентраторов напряжений различного масштаба.

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.

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

Исследовано влияние межзеренных границ на особенности развития каскадов атомных соударений и формирование радиационно-поврежденных областей в кристаллитах ванадия. Наличие в материалах границ зерен оказывает существенное влияние на характер радиационной повреждаемости, в частности на распределение и размеры радиационных дефектов. Показано, что межзеренные границы раздела служат барьером для распространения каскадов атомных смещений и аккумулируют в своей области значительную долю радиационных дефектов. В кристаллитах ванадия после релаксации содержится относительно малое число кластеров, состоящих из точечных дефектов, т.е. вакансий и собственных межузельных атомов. Ключевые слова: радиационные дефекты, молекулярная динамика, границы зерен.

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.

Проведено молекулярно-динамическое моделирование поведения незамкнутых наноструктур, полученных самосворачиванием двухслойных наноразмерных пленок Ni-Cu с различной композицией внутренней структуры. В процессе самосворачивания наноразмерных пленок в отсутствие внешних воздействий ее края совершают слабозатухающие гармонические колебания. Установлены особенности влияния внутренней структуры исходной пленки на характеристики колебаний. Показано, что, меняя композицию слоев исходной пленки или насыщая ее дефектами структуры, можно целенаправленно менять амплитуду или частоту колебаний, либо обе эти характеристики одновременно. Изменение композиции слоев производится таким образом, что геометрические размеры моделируемой наноструктуры остаются практически неизменными. Полученные закономерности представляют интерес для исследования и разработок комплектующих узлов наноустройств различного типа и назначения.

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.

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.

Сформулирован задача об устойчивости фронта превращения в вязкоупругой среде. Исследование устойчивости проведено методом малых возмущений. Найдены нелинейные уравнения для декрементов затухания и комплексной частоты. Проанализированы различные частные случаи. Показано существенное влияние времени релаксации вязких напряжений на верхний и нижний пределы устойчивого горения, как для низкоскоростного, так и для высокоскоростного режимов.

Численно исследовано механическое поведение пористых керамических материалов со стохастической структурой порового пространства при сдвиговом нагружении. Расчеты проводились методом подвижных клеточных автоматов. Предложена методика количественного описания внутренней структуры таких материалов на основе дисперсии распределения пор по слоям образца, параллельным направлению нагружения. Проанализирована зависимость макроскопических упругих свойств пористых сред от особенностей их внутренней структуры. Показано, что у образцов с круглыми порами и порами, вытянутыми вдоль направления нагружения, существует корреляция между их осредненным модулем сдвига и дисперсией распределения пор. Таким образом, результаты позволяют сделать заключение о том, что модуль упругости таких сред является структурно чувствительной характеристикой. Предложенный подход дает возможность сравнивать упругие свойства образцов на основании данных об их поровой структуре.

На основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов изучено влияние напряженного состояния границ раздела структурных элементов в блочных средах на их деформационный отклик при динамических воздействиях. Полученные результаты позволили выделить ряд параметров деформационного отклика, величина которых претерпевает качественное изменение при изменении характера напряженного состояния. В качестве таких параметров выступают величина инициированного воздействием относительного тангенциального смещения блоков и некоторые характеристики частотного спектра скоростей таких смещений. Проведенный анализ позволяет предложить комплексный подход к диагностике напряженного состояния фрагментов активных границ раздела в блочных средах различной природы, в частности в иерархически организованной геологической среде.

Описан подход к моделированию экзотермических химических реакций, основанный на концепции клеточных автоматов. Для анализа адекватности подхода приведены результаты моделирования процесса распространения фронта реакции при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе в системе Ni-Al. Показано хорошее согласие между модельными и экспериментальными зависимостями скорости движения фронта и максимальной температуры горения от температуры начального прогрева порошковой смеси. Сделан вывод о необходимости явного учета кинетики реакции, в частности растекания жидкой фазы, для корректного описания влияния пористости на протекание экзотермической реакции.

В статье на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов (методом МСА) изучены особенности деформирования и разрушения интерфейсных материалов, находящихся в сложном напряженном состоянии, в условиях циклического нагружения. Показано, что вибрационное воздействие с «высокими» частотами, превышающими собственные частоты образца, может существенно повышать деформационную способность интерфейсных материалов, что связано с действием вибрации как своеобразного «деформационного насоса». Развитый формализм интерфейсных сред применен для теоретического исследования отклика границ раздела структурно-тектонических блоков земной коры (разломов) на вибрационные воздействия и изменение их состояния, реализуемое обводнением. Важнейшим результатом исследования является установление того факта, что совместное влияние «высокочастотного» вибрационного воздействия и обводнения принципиально меняет характер отклика обводненного разлома и может приводить к инициации аномальных по величине, но плавных смещений геоблоков без выделения мощных сейсмических импульсов. Результаты расчетов подтверждены в ходе натурных экспериментов на Ангарском разломе Байкальской рифтовой зоны. Это позволило предложить новый подход к техногенному управлению режимом смещений в зонах сейсмоактивных разломов, который может быть использован для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности.

Исследованы связанные системы уравнений тепло- и массопереноса для твердых сред на примере моделей металлотермических превращений и диффузии в бинарной системе. Показано, что связанные модели представляют собой системы уравнений переменного типа: тип систем определяется областью параметров модели. Сравнительный анализ моделей приводит к выводу об отсутствии подобия в общем случае процессов тепло- и массопереноса в твердых средах.

Задача о распространении стационарного фронта превращения в вязкоупругой среде максвеловского типа в приближении малых деформаций решена методом сращиваемых асимптотических разложений. Решение задачи найдено для предельных случаев малого и большого времени релаксации вязких напряжений. Показано, что в модели существуют как дозвуковая, так и сверхзвуковая скорость распространения фронта реакции, как и в связанных моделях твердофазного горения для термоупругого тела. Тип решения зависит от соотношений характерных скоростей различных физических процессов: характерной скорости превращения, скорости релаксации вязких напряжений и скорости распространения упругих волн.??.

Работа посвящена теоретическому исследованию особенностей развития дилатансионных процессов в блочных средах при сдвиговом деформировании. Исследование проводилось на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. Рассмотрены системы, находящиеся в условиях неравноосного сжатия. В качестве характеристики неравноосности сжатия (именуемой также степенью стеснения) авторами использован безразмерный параметр, характеризующий отношение бокового и нормального давлений в плоскости деформирования. Основной целью исследования было исследование последовательности вовлечения различных дилатансионных механизмов в зависимости от уровня сдвиговых напряжений и степени стеснения. Результаты расчетов показали, что в блочной среде как иерархически организованной системе увеличение степени стеснения приводит к смене доминирующего дилатансионного механизма от механизма проскальзывания поверхностей несплошностей к механизму, связанному с раскрытием/расширением пор. Это связано с тем, что с ростом степени стеснения возрастает величина порогового сдвигового напряжения, при которой происходит активизация механизма проскальзывания. начиная с некоторого уровня боковых давлений реализация данного дилатансионного механизма затрудняется и на первый план выходит увеличение порового пространства среды, которое, однако, не обеспечивает столь же значительного изменения объема, как проскальзывание контактирующих поверхностей повреждений. Следствием этого является изменение важных дилатансионных характеристик среды, в частности изменения объема и коэффициента дилатансии.

Работа посвящена развитию формализма метода подвижных клеточных автоматов для моделирования консолидированных гетерогенных упругопластических сред на различных масштабных уровнях. На основе развитого формализма сформулирован подход к построению структурных моделей для мезоскопического описания отклика (включая разрушение) гетерогенных сред с учетом иерархической организации их внутренней структуры. В рамках данного подхода учет влияния структурных уровней более высокого, в сравнении с рассматриваемым, масштаба осуществляется с использованием техники совмещения метода частиц с традиционными методами механики сплошных сред. Эффективный учет структурных уровней более низкого ранга реализуется путем определения интегральных характеристик отклика представительных объемов среды меньшего масштаба и задания соответствующих значений параметров взаимодействия частиц. Проведено развитие предложенного формализма для описания контрастных гетерогенных сред, различные компоненты которых могут находиться в различных агрегатных состояниях. Возможности метода частиц для описания иерархически организованных сред иллюстрируются на примере изучения закономерностей отклика и разрушения материалов с развитой поровой структурой, в том числе контрастных.

Пластическая деформация рассматривается как неравновесное структурное превращение, характеризуемое параметрами порядка. Параметры порядка определяют пластическую часть тензора деформации. Получены нелинейные кинетические уравнения реакционно-диффузионного типа для их определения с коэффициентами, зависящими от температуры и напряжений. Проведен расчет указанных коэффициентов в случае, когда пластическая деформация описывается одним параметром порядка.

В работе получено точное аналитическое решение сопряженной задачи о диффузионном взаимодействии двух веществ, представленных как две полубесконечные твердофазные среды. Математическая модель описывает известный факт, что причиной возникновения напряжений и деформаций в диффузионной зоне является не только отличие атомных объемов веществ, но и различие в их парциальных коэффициентах диффузии. Проиллюстрировано, что характер и величина напряжений и деформаций определяются упругими свойствами и атомными объемами взаимодействующих компонентов.

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.

Приведены физико-химические исследования товарного и отработанного вакуумных масел марки ВМ-4. На модельной системе показана возможность биохимического окисления отработанного вакуумного масла углеводородокисляющими микроорганизмами. Численность микроорганизмов в процессе окисления углеводородов, входящих в состав отработанного масла, возрастает до десятков миллиардов клеток на миллилитр среды. Эффективность окисления углеводородв, входящих в состав масла, составляет 24-26% в зависимости от первоначальной концентрации.

На территории нефтяных месторождений вокруг факелов сжигаемого попутного нефтяного газа формируются обширные шлейфы аэрозольного загрязнения. Методика построения карт тепловых аномалий и экологического риска поражения растительных сообществ при сжигании газа в факелах разработана на основе тепловых космических снимков Landsat и продуктов MODIS. Нами исследована аозможность применения таких карт для экологического мониторинга антропогенного воздействия на растительность территорий нефтяных месторождений Западной Сибири.

Труднодоступные и обширные заболоченные территории нефтедобывающих предприятий Западной Сибири не позволяют своевременно оценивать масштаб загрязнения и планировать рекультивационные мероприятия. Нами разработана методика картографирования и оценка антропогенного преобразования растительного покрова нефтезагрязненных территорий на основе космических снимков (КС). Для оценки загрязнения окружающей среды нефтью и динамики восстановления растительного покрова использовали нормализованный вегетационный индекс NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), рассчитанный на основе КС. Значения полученных индексов подтверждены данными физико-химических и микробиологических анализов проб, отобранных на загрязненной территории. С помощью топографических карт и снимков, полученных с космического аппарата Landsat, для труднодоступной заболоченной территории нефтедобывющих предприятий Западной Сибири выделена сеть трубопроводо, представляющих особый риск воздействия на компоненты окружающей среды.

Работа посвящена теоретическому исследованию влияния ряда параметров напряженного состояния фрагментов залеченных разломных зон на особенности их механического отклика при сдвиговом деформировании в условиях неравноосного сжатия. Исследование проводилось на основе компьютерного моделирования методом подвижных клеточных автоматов. В качестве основного параметра напряженного состояния среды в работе использован безразмерный параметр - степень неравноосности сжатия, характеризующий отношение бокового и нормального напряжений в плоскости деформирования. Основной целью работы являлся анализ зависимостей сдвиговой прочности, величины предельной сдвиговой деформации и изменения объема фрагмента среды (дилатансии) от степени неравноосности сжатия на начальной стадии активизации фрагмента разломной зоны. Показано, что важным фактором, влияющим на условия, при которых происходит активизация залеченной разломной зоны, является степень неравноосности сжатия среды. При этом величина сдвиговых напряжений, действующих во фрагменте среды, а также соответствующие ей уровни предельной сдвиговой деформации и дилатансии, при которых возможна активизация разломной зоны, существенно зависят от динамики изменения и соотношения локальных значений некоторых инвариантов тензора напряжений. Среди них можно выделить такие характеристики напряженного состояния, как давление и интенсивность напряжений. Это связано с тем, что данные параметры определяют возможность функционирования в геологической среде одного из ключевых деформационных механизмов, который связан с формированием и эволюцией повреждений на границах раздела структурных элементов в блочной среде. В частности, снижение во фрагменте среды уровня давления при относительно низких уровнях интенсивности напряжений может приводить к увеличению его предельной сдвиговой деформации и дилатансии в момент начала активизации разломной зоны. В то же время значительное увеличение интенсивности напряжений при одновременном снижении давления может приводить к значительному снижению сдвиговой прочности геосреды.

На основе уравнений полевой теории дефектов, описывающей динамику дислокационного континуума, исследованы закономерности прохождения плоских косых гармонических волн через границу раздела вязкоупругих сред Фойгта и Максвелла. Определена структура волн поля дефектов при различной поляризации волны смещений. Получены аналитические выражения коэффициентов отражения и преломления волн смещений и волн поля дефектов, распространяющихся в изучаемых средах. Проанализированы зависимости найденных коэффициентов Френеля от угла падения первичной волны и параметров контактирующих сред.

Изучено влияние напряженного состояния границ раздела структурных элементов блочной среды на ее деформационный отклик при динамических воздействиях. Показано, что приведенная величина сдвигового напряжения и среднее напряжение являются основными факторами, определяющими деформационный отклик границы раздела. Для аналитического описания зависимости величины инициированного необратимого смещения на границе от приведенного сдвигового напряжения предложено использовать логистическую функцию, центральная точка которой соответствует переходу от квазиупругой к квазипластической стадии сдвигового деформирования межблочной границы. Показана значимость полученных эмпирических зависимостей для понимания закономерностей накопления необратимых деформаций во фрагментах разломных зон и, в частности, для развития предложенного ранее авторами подхода к оценке характерного уровня действующих сдвиговых напряжений на отдельных участках тектонических разломов.

Разработан спектрометр, предназначенный для регистрации спектров спонтанного комбинационного рассеяния света в газовых средах. Спектрометр имеет увеличенную чувствительность за счет использования эффективного спектрального прибора, а также устройства для сжатия анализируемой газовой среды. Представлены результаты экспериментальной апробации спектрометра.

При наблюдениях за фазовым состоянием конденсированных сред и метеорологическими условиями обнаружен эффект их синхронного изменения. Обнаруженный эффект открывает новые возможности для инструментального контроля изменений метеоусловий, включая экстремальные, а также для выявления возможных общих факторов, вызывающих эти изменения.

Анализируются результаты многолетних комплексных экспедиционных исследований динамических явлений в ледовом покрове озера Байкал, обладающем многоуровневой блочной структурой, а также общностью структурных, реологических и динамических (сейсмотектонических) характеристик с литосферой. Средствами физического моделирования исследованы параметры деформационного и сейсмического режима, а также контактного взаимодействия в блочной геологической среде. Установлены и оценены метеорологические факторы, воздействующие на ледовую обстановку и формирующие отклик в виде динамического разрушения ледовых пластин и мощных ледовых ударов, сопровождающихся излучением сейсмических колебаний, сходных с землетрясениями. Анализируется сходство закономерностей сейсмических проявлений в блочной ледовой среде, в том числе на границах раздела ее блоков, и в субдукционных, коллизионных и сдвиговых зонах контактирования тектонических плит. В соответствии с известным законом динамических аналогий и благодаря выявленному сходству процессов деструкции в ледовой и геологической средах полученные результаты могут быть использованы для решения научных и прикладных задач, в частности для совершенствования методов прогноза землетрясений, установления закономерностей контактного взаимодействия между литосферными плитами в зонах разломов.

Численно исследовано напряженно-деформированное состояние в алюминиевых образцах с неразъемным соединением, полученным сваркой трением с перемешиванием, при растяжении и сжатии. Краевая динамическая задача решалась численно методом конечных разностей в постановке плоского деформированного состояния. Проведены расчеты на макро- и мезоуровнях. Структурная неоднородность сварного шва учитывалась явно посредством задания различия в механических свойствах материалов в различных зонах СТП соединения. На макроуровне в каждой зоне задавалась своя функция деформационного упрочнения, полученная на основе обработки экспериментальных кривых течения. На мезоуровне параметры функции упрочнения в локальных областях материала зависели от размера зерна поликристаллической структуры в соотношении Холла-Петча. Выявлена общая закономерность локализации напряженно-деформированного состояния в структурно-неоднородной среде.

Рассмотрены условия формирования автоволн локализованного пластического течения в деформируемых металлах при распространении полос Людерса, эффекте Портевена—Ле Шателье и формировании шейки с учетом различия микроскопических механизмов пластической деформации для этих явлений. Исследованы закономерности развития локализованного пластического течения металлов и их роль в развитии этих эффектов. Установлено, что особенности деформации, характерные для обсуждаемых явлений, определяются различием свойств активных сред, формирующихся в исследованных материалах при пластической деформации. Рассмотрены механизмы генерации различных автоволновых мод локализованного пластического течения при деформации Людерса, эффекте Портевена—Ле Шателье и формировании шейки в деформируемых активных средах разной природы.

Изучено поведение при сжатии керамики AI2О3 с объемом порового пространства от 35 до 60% с иерархической поровой структурой трех видов: крупной пористости размером 80—100мю m, мелкой пористости размером 14— 15мю m и промежуточной межблочной пористости, включающей протяженные (110—120мю m) поровые микроканалы, образованные в результате зонального обособления при спекании. Показано, что полученная иерархическая поровая структура обусловливает формирование иерархической деформационной структуры в объеме керамики и приводит к понижению масштаба процессов разрушения от макроскопического в случае унимодальной керамики до микромасштабного разрушения, сравнимого с размерами сформировавшихся при спекании блоков.

В монографии рассматриваются основные закономерности процессов деформирования и накопления повреждений в конструкционных материалах (металлах и их сплавах) при различных (квазистатических и динамических) режимах термосилового нагружения и математические модели указанных процессов. Приводится экспериментально-теоретическая методика определения материальных параметров и функций данных математических моделей. Даются результаты численного моделирования процессов деформирования и накопления повреждений металлов и ряда конструкционных сталей при квазистатических и динамических термосиловых воздействиях. Особое внимание уделяется вопросам моделирования процессов упругопластического деформирования и накопления усталостных повреждений для сложных процессов деформирования конструкционных сталей, сопровождающихся вращением главных площадок тензоров напряжений и деформаций. Монография представляет интерес для широкого круга научных работников, инженеров, аспирантов, специалистов в области механики деформируемого твердого тела.