При растяжении в широкой области температур поликристаллов свинцовых сплавов, существенно различающихся состоянием объемов и границ зерен, показано, что на характер зависимости сопротивления деформированию от величины зерна значительное влияние оказывает развитие поворотных мод деформации на различных масштабных уровнях. Полученный результат необходимо учитывать при интерпретации параметров уравнения Холла-Петча в представлениях многоуровневого подхода физической мезомеханики.

На базе представлений физической мезомеханики исследована связь эффектов электрической поляризации при сжатии монокристаллов LiF с масштабными уровнями локализации пластического течения. Существует четкая корреляция между скоростью изменения электрических сигналов и стадиями развития локализованных сдвигов в объеме монокристалла. Масштабные уровни локализации пластической деформации ионного кристалла при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Обсуждается возможность использования выявленного эффекта для предсказания землетрясений.

Развиты основные положения многоуровневого описания деформируемого твердого тела как нелинейной иерархически организованной системы. Первичное пластическое течение развивается в 2D планарной подсистеме (поверхностные слои и все внутренние границы раздела), создавая многоуровневые эффекты кривизны решетки 3D кристаллической подсистемы. Эти эффекты лежат в основе генерации деформационных дефектов всех типов на интерфейсах 2D- и ЗD-подсистем, возникновения бифуркационных межузельных структурных состояний, которые обусловливают вихревую пластическую дисторсию, развитие кривизны нелинейных потоков структурных трансформаций на мезомасштабных уровнях и определяют нелинейную механику разрушения как структурно-фазового распада твердого тела в зонах закритической кривизны его кристаллической структуры. Приведены основы нелинейной теории представленного многоуровневого описания.

The paper presents basic propositions for multiscale description of a deformed solid as a hierarchically organized nonlinear system consisting of a 3D crystal subsystem and a 2D planar subsystem (surface layers and all internal interfaces). The 2D planar subsystem is a source of primary plastic flows which create multiscale effects of lattice curvature in the 3D crystal subsystem. These effects underlie the generation of all types of strain-induced defects in a solid at the interfaces of its 2D and 3D subsystems and the formation of bifiircational interstitial structural states responsible for v ortical plastic distortion, curvature of nonlinear flows of mesoscale structural transformations, and nonlinear fracture as structural phase decomposition in supercritical lattice curvature zones. Basic aspects of the multiscale nonlinear theory are considered.

На основе неравновесной термодинамики развита методология описания деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. Делается заключение о единой природе всех механизмов пластической деформации и разрушения твердых тел как локальных структурных превращений в зонах концентраторов напряжений различного масштаба. Все типы деформационных дефектов зарождаются в локальных зонах гидростатического растяжения около концентраторов напряжений, где необходимо рассматривать локальный неравновесный термодинамический потенциал Гиббса. Показан корпускулярно-волновой дуализм пластического сдвига и рассмотрена его специфика на различных структурно-масштабных уровнях пластической деформации. Проведен термодинамический анализ возникновения субмикро- (нано-) кристаллической структуры в твердых телах в условиях интенсивной пластической деформации. Ключевые слова: деформация, масштабные уровни, термодинамический подход.

Представлены основные положения физической мезомеханики структурно-неоднородных сред, которая развивается на базе совместных подходов неравновесной термодинамики, калибровочной теории дефектов и механики сред со структурой. Многоуровневый подход рассматривает развитие пластической деформации во всей иерархии структурно-масштабных уровней: нано-, микро-, мезо- и макро. Разрушение представляется как завершающая стадия возрастная неравновесности деформируемого твердого тела, когда в некоторой зоне неравновесный термодинамический потенциал Гиббса становится равным нулю и кристалл испытывает структурно-фазовый распад.

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.

Localized plastic strain evolution stages in notched aluminum AA 2024 alloy tension specimens have been investigated. Integral calculations of the microscale strain have employed acoustic emission data. The mesoscale strain has been studied by calculating the normalized integral equivalent shear strain from television-optical data. To gain insight into the special features of the macroscale strain, the time derivative of the applied loading has been examined. Early in the loading process, acoustic emission is shown to respond best to deformation and fracture. This makes it possible to reveal a transition from stage I to stage II in the evolution of localized strain where the mesoscale level comes to dominate over the macroscale one. At high strains, the digital image correlation method provides a consistent characterization of the predominance of the mesoscale level. The results of the investigations under review point to the fact that an analysis of localized plastic strain stages is an effective means of interpreting the data on the evolution of plastic flow at different scale levels.

Приводятся экспериментальные данные о развитии в поверхностных слоях поликристаллов при их циклическом нагружении каналированных локальных структурных превращений вдоль направлений максимальных касательных напряжений. Данный процесс развивается стадийно. На первой стадии нагружения происходит каналированная экструзия островков материала поверхностного слоя, на второй стадии - их коагуляция во фрагментированные складчатые структуры. Геометрические параметры складчатых структур коррелируют с энергией дефекта упаковки материала. Полученные результаты подтверждают концепцию физической мезомеханики о «шахматном» распределении растягивающих и сжимающих нормальных напряжений на интерфейсе «ослабленный поверхностный слой - кристаллическая подложка материала».

На основе анализа системного подхода к описанию сложных иерархических объектов в биологии предлагается аналогичный системный подход в физической мезомеханике деформируемого твердого тела.

Проведен анализ стадийности локализованной пластической деформации на различных масштабных уровнях при растяжении образцов с надрезами. Интегральный анализ развития деформации на микромасштабном уровне проводили по данным регистрации акустической эмиссии. Анализ мезоскопических деформаций выполняли путем расчета интегрального нормированного значения интенсивности деформации сдвига по данным оптико-телевизионной регистрации. Для оценки закономерностей развития деформации на макромасштабном уровне анализировали производную величины приложенной нагрузки по времени. Показано, что на начальных этапах нагружения метод акустической эмиссии оказывается наиболее чувствительным к деформационным процессам и разрушению, что позволяет идентифицировать переход от первой ко второй стадии деформации (ведущей роли от микро- к мезомасштабному уровню). При больших степенях деформации метод корреляции цифровых изображений более четко характеризует переход ведущей роли от мезо- к макроскопическому масштабу развития деформации. Полученные данные свидетельствуют о том, что анализ процессов локализованной пластической деформации в терминах стадийности представляется достаточно эффективным способом интерпретации данных о развитии деформации на различных масштабных уровнях.

Рассмотрены масштабные уровни неупругой мартенситной деформации поликристаллов при термоупругом мартенситном превращении под нагрузкой. На примере сплавов Ti(Ni-Cu-Fe) с В2-структурой исследована роль микро- и мезомасштабных уровней в неупругой мартенситной деформации при охлаждении поликристаллов под нагрузкой и нагружении в разных исходных структурных состояниях.

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.

На основе многоуровневого исследования эволюции пластического течения в шейке образцов показана физическая природа различия механизмов их разрушения. Экспериментально и численным методом обосновывается принципиально важная роль локальных зон гидростатического растяжения в возникновении микропор, трещин и развитии разрушения.

Исследованы механизмы знакопеременной интенсивной пластической деформации на мезомасштабных уровнях тонких фольг высокочистого алюминия. Поликристаллические фольги различной толщины приклеивали к более жестким образцам технического титана или алюминия и подвергали знакопеременному изгибу. Это обусловило сильное различие граничных условий на лицевой и обратной сторонах фольги и позволило показать важную роль взаимного влияния растягивающих и сжимающих нормальных напряжений в развитии пластической деформации материала. Исследованные механизмы локализованной пластической деформации и ее самоорганизация на мезомасштабных уровнях контролируются полем максимальных касательных напряжений и вызываемых ими поворотных мод деформации. На свободных поверхностях фольг в условиях их интенсивной пластической деформации развивается пористость, которая сильно зависит от толщины фольги. На обратных сторонах всех исследованных фольг пористость не возникает. Очень тонкое скольжение и формирование твидовой структуры в тонких фольгах связывается с «шахматным» распределением растягивающих и сжимающих напряжений на внутренних границах раздела. Влияние степени неравновесности материала в условиях интенсивной пластической деформации на механизмы деформации анализируется на основе неравновесной термодинамики локальных структурно-фазовых превращений в зонах гидростатического растяжения.

В 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.

Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации (ИПД) при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упруго деформируемый плоски образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Установлены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильно деформированных металлических материалов. Доказывается необходимость учета обнаруженных закономерностей ИПД при описании поведения наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.

Для анализа деформации твердых тел предложено использовать одновременно три in situ метода регистрации данных, включая диаграмму нагружения (макромасштабный уровень), корреляцию цифровых изображений (мезомасштабный уровень) и акустическую эмиссию (микромасштабный уровень). Реализован комплекс in situ исследования процессов деформации и разрушения, принцип действия которого основан на установлении взаимосвязи длительности характерных стадий изменения информативных параметров и их соотношения с лидирующим масштабным уровнем. на примере растяжения образцов алюминиевого сплава Д16 с надрезом различной глубины выделены характерные стадии изменения производной приложенной нагрузки, активности АЭ и интенсивности деформации сдвига от степени деформации. Показано, что характерные стадии, выделяемые на графиках изменения всех информативных параметров от времени, хорошо согласуются между собой и относятся к упругой деформации, параболическому упрочнению и распространению трещины.

Приведены результаты исследований физико-математических и триботехнических свойств композиционных микро- и макрогетерогенных материалов матрично-наполненного типа, содержащих в качестве твердой фазы карбид титана. Показано, что создание многоуровневой демпфирующей структуры позволяет регулировать процесс изнашивания материала, заданием наиболее выгодного для данных условий трения структурного уровня деформирования поверхностного слоя.

Выполнен обзор закономерностей электростимулированной пластической деформации на разных структурных уровнях. Рассмотрены: иерархия внешних токовых воздействий на процесс пластической деформации; изменение подвижности индивидуальных дислокаций в областях термически активируемого и квазивязкого движения при механическом, токовом и совместном воздействии в широком диапазоне температур (микроуровень); эволюция дефектной структуры в материалах различных структурных классов, подвергнутых электростимулированию в широком диапазоне деформации (мезоуровень); упорядоченный характер неоднородностей пластической деформации и модели напряженно-деформированного состояния при токовом воздействии (макроуровень); дана их физическая интерпретация.

В работе проведен сравнительный анализ распределений напряжений и деформаций на мезоуровне в поликристаллических структурах, находящихся в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния, и в сечениях трехмерного образца. Показано, что при одинаковых макроскопических кривых нагружения картины локализации пластической деформации на мезоуровне в двумерных и трехмерной моделях существенно отличаются качественно и количественно. Один и тот же эффективный отклик материала может быть обеспечен различными распределениями напряжений и деформаций на мезоуровне, в зависимости от способа приложения нагрузки и геометрических особенностей образца (тонкие пластины, массивные образцы и т.д.).

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

Проведен анализ диаграмм динамического деформирования, картин деформационного рельефа и поверхностей разрушения образцов стали 25Х1М1Ф при испытании ударным нагружением при температурах 293, 648, 873 K. Показано, что меньшая релаксационная способность стали 25Х1М1Ф при комнатной температуре (T = 293 K) приводит при ударе к изгибу образца и возникновению зоны сжимающих напряжений, что в условиях хрупкого разрушения сопровождается возникновением локального продольного расслоения материала перед вершиной распространяющейся трещины. Для повышенных температур (T = 648 K) характерна максимальная пластичность образцов, что сопровождается увеличением энергоемкости разрушения при зарождении и распространении трещины. При испытании при T = 873 K максимальное разупрочнение материала приводит к усложнению механизмов разрушения, а также развитию микротрещин расслоения в образце в процессе роста трещины, что снижает энергию ее зарождения при высокой температуре испытаний. На основании полученных результатов предлагается выявленные различия интерпретировать с позиции выделения ведущего масштабного уровня деформации и разрушения, а также стадийности развивающихся процессов. Полученные результаты о влиянии температуры на характер разрушения обсуждаются в рамках концепции жесткости напряженного состояния, а также масштабных уровней действия поворотных мод деформации.

На основе представлений физической мезомеханики дается анализ большого экспериментального материала об особенностях и механизмах возникновения, формирования и взаимодействия полос локализованной пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях в различных материалах и при различных видах нагружения.

Приведены результаты комплексных экспериментальных исследований и численного моделирования процессов пластической деформации материалов с покрытиями или поверхностным упрочнением на мезо- и макромасштабном уровнях. Показано влияние процессов, развивающихся на границе раздела покрытие - подложка, на развитие пластической деформации всей композиции. На основании полученных данных даются рекомендации по созданию поверхностно-упрочненных материалов, обладающих высокими эксплуатационными свойствами.

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.

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

На основе совместных подходов физической мезомеханики и неравновесной термодинамики рассмотрены механизмы возникновения в деформируемом твердом теле как многоуровневой системе нелинейных волн локализованного пластического течения и разрушения. Показано, что в основе возникновения нелинейных волн локализованного пластического течения лежит самоорганизация каналированных на мезомасштабном уровне потоков локальных структурных превращений, развивающихся на наномасштабном уровне. В условиях деформационного упрочнения бегущие волны локализованного пластического течения трансформируются в фазовые волны стационарной макролокализации, сопровождаемые фазовыми волнами разрушения. В структурно неоднородной среде в иерархии мезомасштабных уровней распространение каналированных локальных структурных превращений сопровождается генерацией дислокаций, мезополос сдвига и других деформационных дефектов. Эти механизмы деформации определяют диссипативную составляющую общего процесса пластического течения твердых тел. Предложена теория нелинейных волновых процессов локализованного пластического течения в деформируемом твердом теле, которая хорошо согласуется с известными в литературе экспериментальными результатами.

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

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 проведено моделирование в трехмерной постановке поведения структурно-неоднородных материалов поликристаллического и композиционного типов в условиях квазистатического растяжения. Для введения в расчеты структуры мезоскопического масштаба (зерна, включения) применена процедура генерации структур поликристаллического и композиционного типов, сходных с экспериментальными по количественным и качественным характеристикам. На основе концепций физической мезомеханики проведен анализ напряженно-деформированного состояния в объеме и на поверхности исследуемых материалов. Исследовано напряженно-деформированное состояние в различных сечениях мезообъемов и эволюция пластической деформации на начальных стадиях пластического течения. На основе результатов моделирования сделаны выводы относительно особенностей пластической деформации в трехмерных структурах на мезо- и макроуровнях. На примере композиционной структуры исследован вопрос о степени соответствия двумерных и трехмерных моделей на мезоуровне в случае явного учета мезоструктуры. Для этого проведен сравнительный анализ трехмерных и двумерных расчетов в постановке плоской деформации и плоского напряженного состояния.

Исследованы эффекты электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии при сжатии гранита, мрамора и монокристаллов LiF. Обнаружено большое сходство качественного изменения амплитуды измеряемых сигналов различной физической природы с увеличением внешнего напряжения до разрушения. На примере исследования токов поляризации в монокристаллах LiF показано, что существует четкая связь качественного и количественного изменения амплитуды сигнала со стадиями развития локализованных сдвигов в объеме материала. Масштабные уровни локализации пластической деформации кристаллических материалов и горных пород при сжатии качественно подобны таковым при растяжении металлических материалов. Полученные данные анализируются с позиции представлений физической мезомеханики. Обсуждается возможность использования эффектов электрической поляризации, электромагнитного излучения и акустической эмиссии для предсказания землетрясений.

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

Проведено исследование процессов пластической деформации на мезо- и макромасштабном уровнях при трении и изнашивании конструкционной стали с композиционным упрочняющим покрытием. Показано, что характер пластической деформации на мезомасштабном уровне в композициях с покрытиями характеризуется рядом существенных особенностей, связанных с возникновением иерархии концентраторов напряжений на двух границах раздела: "контртело-покрытие" и "покрытие-основа". Анализ изображений поверхности трения с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC позволил установить, что под действием поперечных составляющих сдвигов, развивающихся в результате релаксации мезоконцентраторов напряжений на границе раздела "контртело-покрытие", создается периодическое чередование зон растяжения и сжатия. Это обусловливает поперечное перераспредление твердых частиц в тонком поверхностном слое и возникновение в нем "строчечной" структуры.

В работе на основании измерения механических характеристик, а также данных оптической и электронной микроскопии исследовали особенности деформации и разрушения при растяжении образцов стали 25Х1М1Ф в исходном состоянии и после термоциклической наработки. Показано, что деформация образцов данной стали в исходном состоянии характеризуется крайне малым деформационным упрочнением и существенным удлинением на этапе формирования шейки. После термоциклической наработки напряжение течения снижается, пластичность заметно возрастает, деформационное упрочнение становится более выраженным. Полученные результаты обсуждаются с использованием данных металлографии. Данные фрактографических исследований свидетельствуют о том, что характер разрушения определяется закономерностями зарождения микроспор, их слиянием и образованием центральной макротрещины отрыва. Согласно экспериментальным результатам образец разрушается по смешанному механизму, включающему локальный сдвиг и отрыв. При этом значительное влияние на характер разрушения оказывают вторичные микротрещины и интенсивная внутризеренная пластическая деформация. На основании полученных результатов предлагается схема структурных уровней деформации и разрушения исследованных образцов при статическом растяжении.

Исследованы температурно-скоростные зависимости сопротивления деформации и закономерности зернограничного скольжения при активном растяжении поликристаллов свинца и ряда сплавов на его основе. Определены энергии активации процессов пластической деформации и зернограничного скольжения. Исследованы структурные механизмы зернограничного скольжения в широком интервале температур. Делается заключение, что в основе самосогласования зернограничного скольжения и внутризеренного пластического течения лежат поворотные моды деформации. При этом зернограничное скольжение является первичным. Проведен теоретический анализ поворотных мод деформации, сопровождающих зернограничное скольжение. Показано, что зависимость деформирующего напряжения от величины зерна поликристалла не может быть описана одним универсальным уравнением Холла-Петча.

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.

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 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.

Исследована дислокационная структура в стационарных зонах локализации пластической деформации, наблюдаемых методом спекл-интерферометрии в циркониевых сплавах. Установлено, что дефектная структура в областях минимумов и максимумов локализации деформации различна. Большая скорость накопления дефектов в очагах локализации деформации приводит к трансформации одного из них в шейку при увеличении степени общей деформации.

Исследованы кристаллографические особенности распределения зон локализации деформации при растяжении металлических монокристаллов с различной ориентировкой оси растяжения и с разными механизмами пластического течения (дислокационное скольжение и мартенситное превращение). Показано, что кристаллографическая ориентация зон локализации, трактуемых как картины самоорганизации пластического течения, сохраняется на всем протяжении процесса. Рассмотрены некоторые особенности динамики движения очагов локализации деформации.

Исследована кинетика развития очагов локализованной пластической деформации в поликристаллическом Al. Установлено, что на стадии линейного деформационного упрочения такие очаги синхронно движутся, а на стадии параболического упрочнения неподвижны. Определены количественные характеристики (длина волны, скорость распространения) деформационных волн, возникающих на стадии линейного упрочнения. Найдена связь количественных характеристик процесса локализации деформации с размером зерна. Исследовано перераспределение локальных деформаций при переходе от одной стадии течения к другой. Предложена модель, объясняющая возникновение крупномасштабных структур локализованной пластической деформации.

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

В 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.

В работе проводили исследования деформационного поведения при одноосном статическом сжатии керамических образцов из диоксида циркония, обладающих различной поровой структурой. Показано, что в образцах с крупными порами последние являются активным структурным промежуточным уровнем деформации, вовлечение которого в сопротивление пластическому деформированию обусловливает существенное (в 3 раза) повышение степени деформации при разрушении при сопоставимом уровне предела прочности в образцах обоих типов. Предложена методика установления стадийности деформационных процессов на мезомасштабном уровне, основанная на построении и последующем анализе зависимости внешнего деформирующего напряжения от логарифма интенсивности деформации сдвига. На основании полученных данных предложена схема структурных уровней деформации исследуемых материалов, в основу которой положен анализ стадийности зависимости sigma–gamma.

С использованием оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC проведены систематические исследования деформационного поведения на мезоуровне материалов с покрытиями и поверхностным упрочнением при различных схемах приложения нагрузки. Иллюстрируются характер возникновения и релаксации мезоконцентраторов напряжений и их влияние на макромеханические характеристики деформируемых поверхностно упрочненных материалов.??.

Экспериментально изучены закономерности и механизмы интенсивной пластической деформации при знакопеременном изгибе поликристаллической фольги высокочистого алюминия А999, наклеенной на упругодеформируемый плоский образец алюминия А7 или титана ВТ1-0. Обнаружены новые нелинейные волновые процессы, связанные с солитонами кривизны в поверхностных слоях сильнодеформированных металлических материалов. Подчеркивается необходимость учета найденных закономерностей интенсивной пластической деформации в описании поведения твердых тел в экстремальных условиях нагружения, наноструктурных материалов, тонких пленок и покрытий.

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.

Рассмотрена локализация пластического течения в моно- и поликристаллических образцах из кремнистого железа при одинаковых условиях деформирования растяжением. Картины локализации деформации проанализированы на стадиях линейного и параболического деформационного упрочнения, а также при переходе к образованию шейки и стадии вязкого разрушения. Проведено сравнение картин локализации деформации для моно- и поликристаллического состояний сплава.

Исследованы механизмы пластической деформации на мезомасштабном уровне плоских образцов поликристаллов алюминия с использованием оптико-телевизионной системы высокого разрешения TOMSC-1. Показано, что в деформируемом образце формируется многоуровневая мезополосовая структура, приводящая к возникновению двух типов стационарных волн длиной 120 мкм и 4,8 мкм. Результаты интерпретируются в рамках иерархии мезомасштабных уровней деформации и связываются с определяющей ролью поверхностной окисной пленки в возникновении мезополосовой структуры и стационарных волн пластического течения.

Рассмотрен общий характер локализации пластической деформации на стадии линейного деформационного упрочнения ГЦК-, ОЦК- и ГПУ-моно- и поликристаллов чистых металлов и сплавов. Подтверждена универсальность ранее установленного линейного закона, связывающего скорость распространения автоволны локализованной деформации и обратное значение коэффициента деформационного упрочнения. Установлен квадратичный закон дисперсии волн локализации пластического течения. Обсуждена возможность введения гипотетической квазичастицы, соответствующей автоволне локализованной деформации, и определены ее характеристики.

На примере поликристалла TiNi исследованы закономерности формирования мезоскопических субструктур, формирующихся на различных стадиях нагружения. Экспериментально показано выполнение принципа подобия в последовательности развития сдвигов различного типа и соответствующих стадий кривых "напряжение - деформация", на микро- и мезомасштабном уровнях, когда движение дислокаций сменяется движением объемных структурных элементов".

Рассмотрены основные закономерности макроскопической локализации пластической деформации в ОЦК-сплаве Fe-3%Si на стадии линейного деформационного упрочнения. Установлен волновой характер локализации деформации, определена скорость распространения волн локализации. Получены данные о законе дисперсии волн локализованной пластической деформации для поликристаллов Al и сплавов на основе Fe в моно- и поликристаллическом состояниях.

Исследована температурная зависимость зернограничного внутреннего трения у крупнозернистого и ультрамелкозернистого титана. Показано, что у ультрамелкозернистого титана, как и у крупнозернистых металлов, зернограничное внутреннее трение является следствием истинного зернограничного проскальзывания. Установлено, что при переходе от крупнозернистой структуры с совершенными границами зерен к ультрамелкозернистой структуре с несовершенными границами зерен понижаются температуры начала и интенсивного развития истинного зернограничного проскальзывания и уменьшается энергия активации этого процесса. обоснован диффузионный механизм истинного зернограничного проскальзывания при обоих структурных состояниях.

Приведены результаты исследования механизмов пластического течения и разрушения поликристаллов дуралюмина Д16АТ при статическом и повторно-статическом воздействии внешней нагрузки. Показано, что закономерности накопления больших пластических деформаций на мезомасштабном уровне для данных схем нагружения существенно различаются. Обсуждается возможность прогнозирования остаточного ресурса и диагностики состояния предразрушения элементов конструкций на основе анализа эволюции деформационных мезоструктур.

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.).

Изучено влияние крупномасштабных границ раздела в виде протяженных поперечных локализованных областей переплава на механизм пластической деформации поликристаллов низкоуглеродистой стали. Теоретически и экспериментально показано, что в зоне таких границ раздела возникают осциллирующие мезоконцентраторы напряжений, релаксация которых обусловливает формирование в деформируемых поликристаллах периодических полосовых структур мезомасштабного уровня.

Исследованы особенности локализации пластической деформации при растяжении поликристаллов низкоуглеродистой стали 08 пс после горячей прокатки и электролитического насыщения водородом. С помощью метода двухэкспозиционной спекл-фотографии определены основные типы и параметры локализации пластического течения на разных стадиях деформационного упрочнения.

На примере трубной стали, подвергнутой интенсивной пластической деформации, показана возможность подавления вязко-хрупкого перехода в сталях с ОЦК-структурой при низких температурах деформации. Данный эффект связывается с изменением структурного состояния планарной подсистемы (поверхностные слои и границы зерен в поликристаллах) и формированием субструктуры в 3D кристаллической подсистеме.

Методами дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD), оптической и атомно-силовой микроскопии, а также методом численного моделирования исследованы закономерности огрубления поверхности образцов технического титана ВТ1-0 в процессе одноосного растяжения. Показано, что внутризеренное скольжение обусловливает поворот поверхностных зерен, который сопровождается наклоном их поверхности, а также формированием ступени на их границе с соседними зернами. Продемонстрировано влияние кристаллографической ориентации зерен на характер их формоизменения, а также степень их поворотов, развивающихся в условиях стесненности пластической деформации.

Методами просвечивающей дифракционной электронной микроскопии на фольгах и репликах исследованы дислокационная структура, дефектная структура границ зерен и их параметры в сплаве Ni3Fe с ближним (БП) и дальним (ДП) атомным порядком на разных стадиях пластической деформации. Обнаружено, что атомное упорядочение приводит к уменьшению пластифицирующего эффекта от двойников сигма3, увеличению плотности зернограничных дефектов, ослаблению их аннигиляции в процессе деформации и, соответственно, к увеличению микронапряжений в тройных стыках границ зерен.