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.

Предложен новый подход к проблеме пластического течения кристаллических твердых тел, основанный на изучении картин макролокализации пластической деформации, которые могут рассматриваться как различные типы автоволновых процессов самоорганизации дефектов. Установлено однозначное соответствие между картинами локализации и стадиями пластического течения моно- и поликристаллов. Для автоволн локализованной пластичности скорость распространения обратно пропорциональна коэффициенту деформационного упрочнения я, а дисперсионное соотношение имеет квадратичный характер. Предложена новая модель развития локализации пластического течения.

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.

Исследована температурная зависимость напряжений предела текучести/мартенситного сдвига, кривых сжатия s(e) и механизмов пластической деформации в монокристаллах сплава TiNi(Fe, Mo), ориентированных вдоль направления [001]. Показано, что инициированное напряжением мартенситное В2 ® В19¢ превращение и механическое двойникование в В2-фазе являются основными микромеханизмами деформации во всем исследованном интервале температур (300-773 K). Переход к локальному действию этих механизмов на мезоуровне деформации при Т Мd приводит к изменению наклона кривых s0.1(Т) при сжатии.

Предложен подход к выбору оптимальных параметров индукционного нагрева при залечивании усталостных микротрещин на поверхности материала. Показана возможность выбора таких параметров индуктора, при которых достигается максимальное тепловыделение в области микротрещины. Предложена процедура оптимизации параметров технологического режима термической обработки материала, обеспечивающего эффективную релаксацию напряжений в вершине микротрещины.

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.

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.

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".

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.

Проведен анализ особенностей проявления эффекта ускорения ползучести поликристаллических металлов и сплавов при наличии зернограничных диффузионных потоков примеси из внешней среды (покрытия). Рассмотрено влияние толщины разупрочненного (за счет диффузионных потоков примеси) слоя на характер ползучести молибдена в условиях диффузионного контакта с никелем. Проведен анализ влияния режима зернограничной диффузии примеси на величину показателя скоростной чувствительности и зависимость скорости миграции границ зерен (ГЗ) от внешних напряжений. на примере субмикрокристаллического (СМК) никеля изучено влияние состояния ГЗ на свойства металлических материалов в СМК-состоянии. Проведены прямые измерения и теоретические расчеты, а также сделаны косвенные оценки различия коэффициентов зернограничной диффузии в крупно- и ультрамелкозернистом состояниях. Рассмотрена роль дисперсного упрочнения в стабилизации СМК-структуры и увеличении сопротивления ползучести, в том числе в условиях воздействия зернограничными диффузионными потоками атомов примеси из внешней среды.

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.

На основе уравнений линейной механики разрушения построены векторные поля упругих смещений перед вершиной трещины моды I, II и смешанной моды (I+ II). Предложен алгоритм выделения базовых мод I и II при смешанном характере развития усталостной трещины как для упругих, так и для необратимых смещений. Применение такого подхода рассмотрено на мезоуровне на примере векторного поля неупругих смещений, экспериментально измеренных оптико-телевизионным методом в условиях циклического растяжения поликристаллов.

На примере поликристаллов алюминиевого сплава АВТ-1 предложен метод оценки эффективности поверхностно упрочняющей обработки материалов с целью повышения их усталостной прочности по результатам испытания образцов активным растяжением. Метод основан на фрактальном анализе оптических изображений деформационной структуры, возникающей на поверхности образцов при активном растяжении, и сопоставлении полученных характеристик с результатами усталостных испытаний образцов. Получены зависимости двух пар характеристик, которые характеризуют самоорганизацию структуры материала при активном растяжении на двух масштабных уровнях, от степени пластической деформации образцов. Обосновано применение компактной, наглядной и информативной формы представления указанных зависимостей. Эти зависимости выражают изменение числа блоков, формирующих самоподобный поверхностный фрактал с ростом степени деформации на втором масштабном уровне. Результаты поведенных исследований показали, что предложенный параметр имеет высокую чувствительность к режимам поверхностно упрочняющей обработки и может быть использован для оценки эффективности обработки для повышения усталостной прочности образцов.

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».

Показана возможность оценки механическогос остояния, прогнозирования остаточного ресурса и диагностики стадии предразрушения сварных соединений при многоцикловой усталости на основе измерения и анализа полей векторов необратимых смещений оптико-телевизионный м методом. Описаны основные типы полей смещений перед вершиной трещины и их эволюция в процессе нагружения. Предложены новые критерии, характеризующие накопление усталостных повреждений на мезомасштабном уровне.

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.

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.

Показано, что в поликристаллическом ферримагнитном замкнутом сердечнике, помещенном во внешние переменные встречные магнитные поля с равными амплитудами, возникает переменное магнитное поле. Как следствие, во вторичной обмотке, намотанной на первичную, появляется электрический ток.

Исследованы структура, механические и коррозионные свойства, закономерности развития процессов усталости и микродеформации наноструктурного нелегированного титана, полученного воздействием интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования. Определены оптимальные режимы термомеханических обработок, обеспечивающие в наноструктурном титане комплекс физико-механических свойств, позволяющих рекомендовать наноструктурный титан для использования его в качестве медицинских имплантатов и материала для протезов.

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.

Изучено влияние напряженно-деформированного состояния на границе раздела пленка-подложка на процессы упругой деформации пленок Ti при знакопеременном изгибе. Показано, что податливость подложки Al обусловливает когерентную деформацию системы пленка-подложка, приводя к гофрированию пленки Ti и возникновению волнистой границы раздела пленка-подложка. В процессе усталостных испытаний вдоль границ раздела формируется периодическое распределение нормальных и касательных напряжений, вызывающее периодическое коробление пленок. Коробление пленок Ti на подложке Ti происходит случайным образом на участках локального отслоения пленок и обусловлено накоплением дефектов на границе раздела.

Получены характеристики диаграмм нагружения поликристаллов a-Fe и высокопрочного сплава ВТ-6 с учетом формоизменения образца в зоне формирования шейки перед разрушением. Предложен способ измерения степени пластической деформации в локальной зоне минимального сечения образца. Показано, что для выяснения стадийности процесса деформационного упрочнения материала в процессе нагружения принципиально важен учет локализации пластической деформации в локальном объеме образца на стадии формирования шейки перед разрушением материала.

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.).

Проведены сравнительные исследования ползучести поликристаллов никеля с зернограничными ансамблями, содержащими около 5 и 60 % границ специального типа, в условиях диффузии серебра с поверхности. Установлено, что увеличение в зернограничном ансамбле границ специального типа с 5 до 60 % приводит к увеличению сопротивления ползучести никеля. При этом эффект ускорения ползучести, связанный с воздействием диффузионных потоков атомов серебра на границы зерен, уменьшается в 3-6 раз, а его максимум сдвигается в область низких скоростей ползучести. Предполагается, что указанное повышение сопротивления ползучести никеля в условиях диффузии серебра с поверхности обусловлено высокой устойчивостью специальных границ зерен к межзеренному разрушению.

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 концепции физической мезомеханики материалов и механики разрушения рассмотрены закономерности деформирования и разрушения теплостойкой стали 25Х1М1Ф, содержащей сетку трещин термической усталости. Использование оптико-телевизионного способа измерения деформаций позволило охарактеризовать деформационные характеристики стали 25Х1М1Ф на мезомасштабном уровне, для чего использовали параметр-интенсивность деформации сдвига. Выявлены и количественно описаны основные закономерности и характерные стадии процесса деформирования в образцах стали 25Х1М1Ф, объемно поврежденных сеткой трещин в условиях локализации пластической деформации. С применением деформационного и энергетического критериев нелинейной механики разрушения проведена оценка трещиностойкости образцов исследуемой стали с множественными дефектами.

Приведены основные результаты выполненных под руководством авторов статьи исследований по некоторым актуальным вопросам физики пластичности моно- и поликристаллов металлических сплавов. Рассмотрены закономерности микродеформации и формирования предела текучести в поликристаллах; характерные особенности механизма деформации, деформационного упрочнения и дефектных субструктур в высокопрочных металлических сплавах. Выполнен анализ явлений, связанных с активацией границ зерен зернограничными потоками атомов примеси, экспериментально обоснованы особенности деформации на различных структурных уровнях в условиях активного растяжения, ползучести и знакопеременного нагружения. особое внимание уделено развитию коллективных мод деформации. Представлены и обсуждены некоторые структурные аспекты реализации мезоуровня пластического течения при различных условиях деформации.

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.

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

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

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

Исследованы закономерности накопления усталостных повреждений при циклическом нагружении стали 25Х1М1Ф при частотах 0.1 и 1.0 Гц, в том числе с использованием оптико-телевизионного комплекса TOMSС. Выявлены физические закономерности, определяющие взаимосвязь подходов механики разрушения и физической мезомеханики материалов. Для описания поля макронапряжений в вершине трещины использован силовой критерий механики разрушения - коэффициент интенсивности напряжений. При этом физико-механические закономерности накопления усталостных повреждений отражают органическую взаимосвязь пластической деформации и разрушения материала в зоне макроконцентратора напряжений, представляют собой стадийный процесс и могут быть описаны в рамках многоуровневого подхода физической мезомеханики. Повышение частоты нагружения от 0.1 до 1.0 Гц обусловливает снижение продолжительности единовременного пребывания образца в нагруженном состоянии, что при значениях коэффициента интенсивности напряжений до 40 МПа × м1/2 практически не влияет на скорость роста усталостной трещины, а при больших его величинах приводит к увеличению скорости ее роста в 2.0-2.5 раза. Данные процессы проявляются также в снижении влияния процессов пластической деформации на мезоуровне, при этом значение интенсивности деформации сдвига gavg для частоты f = 1.0 Гц в 3-6 раз меньше, чем для частоты f = 0.1 Гц.

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

Проведены испытания на статическое и циклическое растяжение, а также знакопеременный циклический изгиб образцов стали 12Х1МФ в исходном состоянии и после наноструктурирования поверхности ионным пучком Zr+.Методами оптической и растровой электронной микроскопии, интерференционной профилометрии показаны различия в формировании деформационного рельефа, а также характере растрескивания модифицированного поверхностного слоя. Оценка изменений в последнем проведена путем наноиндентирования, рентгенографических, а также фрактографических исследований. анализ сформировавшейся в результате обработки наноструктуры в приповерхностном слое проведен с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Различие в характере деформационного поведения интерпретируется с использованием концепции множественного растрескивания. эффект существенного повышения усталостной прочности связывается со сдерживанием развития пластической деформации и распространения усталостной трещины в модифицированном поверхностном слое.