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.

Изучены механический свойства при растяжении, организация пластического течения и разрушение в образцах с надрезами типа Менаже субмикрокристаллического (СМК) титана. Исследованы два структурных состояния СМК титана, изготовленного равноканальным угловым прессованием (РКУП), отличающиеся размерами областей когерентного рассеяния. уровнем внутренних микронапряжений и текстурой. Выявлена конфигурация зон пластической деформации вблизи концентраторов напряжений и исследовано их развитие с ростом степени макродеформации. Установлено, что разрушение начинается в областях с максимальным значением локальной интенсивности деформации. Изучена стадийность и микромеханизмы процесса разрушения. Обнаружен квазихрупкий характер разрушения СМК титана в более высокопрочном состоянии (тип II).

Проведено электронно-микроскопическое исследование микроструктуры аустенитной стали 02Х17Н14М2 после больших пластических деформаций прокаткой и кручением под давлением в наковальнях Бриджмена. Показано, что основными механизмами формирования дефектной структуры являются механическое двойникование и формирование полос локализации деформации. Обнаружено явление механического двойникования в нанокристаллическом состоянии. Обсуждаются механизмы деформации и формирования наноструктурных состояний.

Приведены результаты изучения потребности населения в России при наличии дефектов зубочелюстной системы в ортопедической помощи на зубных имплантатах. Показано, что потребность населения в ортопедической помощи крайне высока во всех возрастных группах. Описана технология получения заготовок титана ВТ1-0 с объемной наноструктурой, обеспечивающей высокие механические свойства. Выполнено сравнение механических свойств наноструктурного титана со свойствами крупнокристаллического аналога и титановых сплавов медицинского назначения. Описаны новые результаты разработки новых конструкций дентальных винтовых внутрикостных имплантатов из высокопрочного наноструктурного титана с резорбируемым кальций-фосфатным покрытием, обеспечивающим высокую степень остеоинтеграции имплантата с костной тканью.

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.

Методом просвечивающей электронной микроскопии проведено исследование особенностей структурных состояний, формирующихся в сплава V-4%Ti-4%Cr в зависимости от режимов его термомеханической обработки с применением метода многократного всестороннего прессования. Показано, что использование этого метода позволяет модифицировать гетерофазную и зеренную (субзеренную) структуру сплава и существенно повысить характеристики его прочности и пластичности.

Представлены результаты электронномикроскопического исследования эволюции микроструктуры субмикрокристаллического сплава Mo-47%Re-0,2%Zr (вес%) после кручения под давлением до больших степеней деформации. Количественно определены параметры зеренной и дефектной структуры и проведено их сопоставление с соответствующими для данных состояний значениями микротвердости. При больших степенях деформации обнаружено формирование двухуровневых структурных состояний. Представлен дисклинационный механизм фрагментации и переориентации кристаллической решетки как основной механизм формирования обнаруженных высокодефектных состояний в условиях подавленной диффузионной и дислокационной активности.

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.

Развит подход физической мезомеханики к описанию трибоконтакта как многоуровневой иерархически организованной системы. В основе фрагментации и изнашивания поверхностных слоев материалов в парах трения лежит нескомпенсированность поворотных мод в иерархической системе "пластически деформируемый поворотный слой - аккомодационный переходный слой пластических сдвигов - поворотов - упруго нагруженная подложка". Экспериментальное структурно-трибологическое исследование эволюции трибоконтакта в аустенитной стали 20Х18Н10Т и дискретно-континуальное компьютерное моделирование показали хорошее согласие с развиваемой концепцией физической мезомеханики.

Представлены результаты исследования влияния толщины упрочненного поверхностного слоя образцов стали 12Х18Н10Т в состоянии поставки и с ионным азотированием на стадийность деформации и разрушения с использованием метода акустической эмиссии, корреляции цифровых изоборажений и тензометрии. Использованы критерии идентификации источников акустической эмиссии, связанных с пластической деформацией и хрупким разрушением, на основе анализа параметров регистрируемых сигналов акустической эмиссии. Построены зависимости энергии сигналов акустической эмиссии от толщины упрочняющего слоя и числа сформированных поверхностных трещин. Проведено сопоставление данных об интенсивности деформации сдвига и активности событий акустической эмиссии в зависимости от толщины азотированного слоя. Показано, что корреляция стадий наблюдается лишь на этапе формирования в упрочненном поверхностном слое трещин, что связано с локализацией деформации на мезомасштабном уровне. В то же время стадийность деформации, определяемая по графику изменения коэффициента деформационного упрочнения от степени деформации, хорошо согласуется с изменением активности акустической эмиссии всех трех идентифицированных типов источников: дислокационной природы, микро- и макротрещин.

Цель работы - увеличение области исследуемой поверхности материала при измерении полей смещений и деформации методом корреляции цифровых изображений. Показана принципиальная возможность нахождения координат перекрытия (сдвига) векторных полей. Предложен алгоритм согласования векторных полей при их объединении. Выполнено численное моделирование влияние аддитивной погрешности с нормальным и равномерным законами распределения на точность определения координат сдвига. Рассмотрена возможность сшивки векторных полей при сканировании методом "скользящего окна". На примере многоцикловой усталости сварного соединения показана принципиальная возможность оценки текущего механического состояния путем измерения необратимой деформации в масштабе образца.

Для описания катастрофических сейсмических явлений представлен подход, основанный на идеях эволюции геосреды в полях действующих сил. Обсуждены недостатки существующих моделей очага землетрясений, а также ключевые положения и особенности эволюционной модели. На примерах проведенных численных расчетов показано, что разные элементы нагружаемых геосред эволюционируют как типичные нелинейные синергетические системы.

Предложены соотношения, описывающие взаимосвязь изменения поверхности предельного состояния и коэффициента дилатансии, которые позволяют учесть изменения режимов развития деформации. Численно исследовано развитие деформации в режимах дилатансии и уплотнения в рамках математической модели с комбинированной предельной поверхностью. Рассмотрено проявление смешанных режимов и их смены в ходе деформирования в зоне локализации. Показано, что в близких областях одновременно могут развиваться области сдвига с дилатансией и уплотнением.

Методами оптической петрографии и рентгеноструктурного анализа изучены дуниты, претерпевшие интенсивные пластические деформации с образованием различных петроструктурных типов. Показано, что в зависимости от увеличения степени деформации микроструктуры пород качественно изменяются в следующей последовательности: протогранулярная, порфирокластовая, порфиролейстовая, мозаичная, что отражается, соответственно, в изменении среднего размера кристаллитов на наноуровне.

Методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа проведено исследование особенностей микроструктуры механокомпозитов, образующихся в результате механической активации смесей порошков Ti и Al в энергонапряженной планетарной шаровой мельнице. Обнаружено формирование высокодефектных структурных состояний с высокими значениями кривизны кристаллической решетки и большой плотностью дисклинаций на границах субмикро- или нанокристаллов. Предполагается, что такое высокодефектное структурное состояние является важным каналом аккумулирования энергии деформации при механоактивации и играет существенную роль в явлениях увеличения реакционной способности компонентов смесевых систем, аномального массопереноса и твердофазного взаимодействия реагентов.

Предложена математическая модель неизотермической диффузии азота в поверхностном слое металлокерамического сплава на основе карбида титана с Ni-Cr связующим за время действия одиночного импульса облучения мощным электронным пучком. Показано, что в результате такой обработки образуется диффузионная зона с концентрацией азота 1,5-2,0 ат.%.

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.

Исследовано влияние режимов термической обработки и одноосного растяжения на механические свойства, внутренние напряжения, магнитные характеристики и удельное электросопротивление порошковой стали 50Н2М. Показано, что при термообработке и механическом нагружении в упругой области и в слабых магнитных полях наблюдается аномальное поведение таких магнитных характеристик, как коэрцитивная сила, максимальная магнитная проницаемость и остаточная индукция. Наблюдаемые аномалии анализируются в рамках физической мезомеханики и связываются с пористостью порошкового материала. Показывается перспективность использования подходов физической мезомеханики и измерения магнитных характеристик при изучении поведения пористых ферромагнитных материалов в различных полях внешних воздействий. Исследованные магнитные характеристики позволяют эффективно контролировать режимы термообработки порошковой стали 50Н2М.

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.

Рассматривается базовый этап процесса имплантации в виде протягивания одномерного протезирующего (фиксирующего, диагностирующего) элемента через отверстие в биоткани. Разработанная механико-математическая модель описывает взаимодействие данного имплантата с биотканями в условиях сцепления и проскальзывания контактирующих поверхностей. Получены расчетные зависимости для удлинения имплантата и максимального значения интенсивности тензора напряжений в прилегающих объемах материала, позволяющие получить теоретическую оценку фрикционно-механических характеристик одномерных имплантатов и определить их травмирующее воздействие.

Развиты научные основы описания деформируемого твердого тела как нелинейной иерархически организованной системы. Теоретически и экспериментально показано, что первичными пластическими сдвигами в нагруженном твердом теле являются нелинейные волны локальных структурных превращений в двухмерных поверхностных слоях и внутренних границах раздела, которые не имеют дальнего порядка. В основе развития нелинейных волн лежит многоуровневое согласование пластического течения на различных структурно-масштабных уровнях. Все типы деформационных дефектов в кристаллах рождаются в сильно возбужденных зонах гидростатического растяжения, возникающих при распространении в двумерных системах нелинейных волн каналированного пластического течения. Регулярность возникновения таких зон определяет природу локализации пластической деформации. Для многоуровневого согласования пластического течения во всей иерархии масштабов, включая электронную подсистему, предлагается рассматривать локальную кривизну х вихревых потоков пластического течения как обобщенный структурный параметр. Он позволяет адекватно описать поведение деформируемого твердого тела в различных термодинамических состояниях, включая сильную неравновесность наноструктурных материалов.

Предложен метод исследования напряженно-деформированного состояния с помощью оптико-телевизионного измерительного комплекса TOMSC. Это количественный экспресс-метод, основанный на компьютерной обработке больших массивов оптических изображений поверхности образца, снятых in situ в процессе его испытания на растяжение или сжатие. Возможности метода показаны на примере исследования деформированного состояния при растяжении медного образца с круговым надрезом.

Исследована зависимость скорости распространения ультразвуковых волн от действующего напряжения в пластически деформируемых поликристаллических металлах и сплавах. Установлено, что связь между действующим напряжением и скоростью ультразвука линейна, причем эта закономерность характерна для всех исследованных материалов. Предложен способ определения временного сопротивления отрыву материалов (предела прочности) при деформировании в области малых пластических деформаций без разрушения образцов.

Методами рентгеноструктурного анализа исследовано изменение микроструктурных параметров твердых сплавов на основе карбида вольфрама в исходном и деформированном состояниях в зависимости от химического состава матрицы. Определены параметры решетки, размеры областей когерентного рассеяния, микроискажения кристаллической решетки, плотность дислокаций структурных составляющих твердых сплавов до и после деформации. Установлено, что механические свойства всего композита определяются величинами изменения определенных параметров внутренней структуры компонентов: пластичность сплава - величиной изменения размера областей когерентного рассеяния в матрице, а его прочность - величиной изменения микроискажений кристаллической решетки упрочнителя.

В работе приведены экспериментальные и теоретические исследования складчатых структур, формирующихся на свободной поверхности поликристаллических материалов в процессе одноосного растяжения. На примере ферритно-мартенситной стали ЭК-181 продемонстрированы общие закономерности образования и эволюции складчатого деформационного рельефа. Методами численного моделирования показано, что поликристаллическая структура материала может являться условием формирования локальной кривизны изначально плоской поверхности и, следовательно, периодического распределения нормальных растягивающих и сжимающих напряжений.

С использованием макроскопической модели автоколебаний исследован температурный режим в пятне контакта при трении в условиях схватывания. Получены оценки температуры "вспышки" на поверхности трения и толщины слоя материала вблизи поверхности, в котором имеют место колебания температуры для различных нагрузок, скоростей скольжения и коэффициентов трения. Изучено влияние размера пятна контакта на величину температуры "вспышки". Проведено сравнение результатов моделирования для образцов из стали и меди.

Обсуждаются методика и результаты численного анализа внутренних напряжений и деформаций в дисперсно-наполненном полимерном материале при изменении его температуры, когда матрица и включения имеют различные теплофизические свойства. Пространственно-временные распределения температуры определяют постановку задач на мезоуровне, где рассматривается представительный объем (мезообъем) материала как матрица с относительно небольшим числом включений. Анализ детального распределения напряжений и деформаций в окрестности включения позволяет сформулировать утверждение, что одной из причин образования межфазного слоя на границе "матрица-включение" могут служить возникающие особенности напряженно-деформированного состояния. Этим же обстоятельством можно объяснить существенные расхождения получаемых теоретических макрохарактеристик высоконаполненного полимерного композитного материала с их экспериментально полученными значениями.

Скорость распространения ультразвуковых волн в металлах и сплавах измерена во время пластической деформации. Установлено что зависимость скорости ультразвука от действующего напряжения пластического течения имеет форму многостадийной кривой; ее участки могут иметь как положительный, так и отрицательный наклон. Обсуждена взаимосвязь полученных зависимостей со стадийностью кривых пластического течения.

Исследована эволюция зоны пластичности вблизи конца трещины нормального отрыва в малоуглеродистой стали. Построены распределения компонент тензора пластической дисторсии для разных стадий развития трещины.

В данной работе представлены результаты моделирования, которые позволяют сделать вывод о возможности покомпонентной закачки гелеобразующей композиции, позволяющей избежать гелеобразования вблизи ствола в горячих скважинах. Обычные методы закачки геля предусматривают закачку однородной композиции, когда смешивание компонентов производится на поверхности непосредственно перед закачкой или же на стадии производства гелеобразующей композиции. Это не всегда приемлемо, если процесс гелеобразования может начаться в стволе скважины и его окрестностях, а технология требует создания удаленного от скважины гелевого экрана. Представленная в работе модель описывает последовательную закачку в скважину различных растворов, которые при смешивании образуют гель под действием пластовой температуры. Смешивание растворов происходит в результате дисперсии жидкости и задержки ионов на матрице пласта в процессе фильтрации. Изменением объемов растворов компонентов и воды можно регулировать расстояние от скважины до гелевого экрана. Приведены результаты лабораторных экспериментов, подтверждающие теоретическое обоснование модели. Приведены практические расчеты для модели паронагнетательной скважины одного из месторождений Западной Европы.

Путем комбинированного использования методов акустической эмиссии, картирования деформации на поверхности и тензометрии исследовали развитие деформации и разрушения в образцах стали сплава Д16АТ с центральным отверстием. Выделены три характерные стадии развития деформации. Изменение продолжительности характерных стадий по данным анализа всех информативных параметров свидетельствует о постепенном увеличении удельной длительности для второй стадии и ее постоянстве для третьей. Показано, что стадийный подход при исследовании и контроле процессов деформации и разрушения в случае невысокой концентрации напряжений является достаточно информативным и взаимодополняющим. Однако, длительность стадий, выявленных по данным регистрации информативных параметров, может заметно различаться, что связано с чувствительностью каждого из методов к деформационным дефектам на каждом масштабном уровне, а также чувствительностью/разрешением регистрирующей аппаратуры.

Большая длительность (до 7-10 лет) и высокие финансовые затраты современных экспериментальных подходов к формированию энергетических и эксплуатационных свойств материалов для изделий ракетно-космической техники стимулируют более активное использование методов физического моделирования и компьютерных технологий их реализации. В сообщении анализируются перспективы и способов применения этих методов для решения задачи формирования механических характеристик указанных высокоэнергетических материалов. В качестве теоретической базы используются принципы механики структурно-неоднородных сред. Формулируется физическая постановка и дается характеристика объекта исследований.

Сообщение является продолжением работы и посвящено проблеме совершенствования технологии формирования механических характеристик высокоэнергетических наполненных полимерных систем (ВНПС) с использованием активно развивающихся методов физического и математического моделирования, позволяющих установить взаимосвязь рецептурного состава и структурных параметров с реализованными эксплуатационными характеристиками.

Проведено исследование деформации и эволюции температурных полей в плоских образцах из титана ВТ1-О, находящегося в крупнокристаллическом (КК) и наноструктурированном/ультрамелкозернистом состояниях (НС/УМЗ), и титанового сплава ВТ6. НС/УМЗ титан ВТ1-О имеет в два раза выше пределы текучести и прочности по сравнению с крупнокристаллическим состоянием сопоставимы с характеристиками сплава ВТ6. Обнаружено, что величина предельной степени деформации до разрушения образцов НС/УМЗ титана при растяжении с постоянной скоростью деформации уменьшается в два раза. В области макроскопической локализации пластической деформации происходит резкое увеличение температуры, достигающей максимальных значений в зоне формирования трещины. Резкий рост температуры в зоне локализации пластических деформаций и образования трещины наблюдается в образцах как с КК структурой, так и в НС/УМЗ состоянии. Сопоставление экспериментальных данных о распределении температуры на поверхностях деформированных образцов КК и НС/УМЗ титана свидетельствует о том, что макроскопическая пластическая деформация развивается более однородно в титане ВТ1-0 в НС/УМЗ состоянии. при одинаковых условиях нагружения скорость тепловыделения выше для образцов титана в НС/УМЗ состоянии.

Представлены результаты исследований эволюции дефектной субструктуры и фазовых превращений в процессе деформации прокаткой и кручением под давлением хромоникелевой стали 17Cr-14Ni-2Mo. показано, что формирование наноструктурных состояний осуществляется в процессе взаимодействия полос локализации деформации с микрополосовыми двойниковыми структурами. Обсуждаются механизмы деформации и переориентации кристаллической решетки при формировании указанных выше состояний и возможные механизмы фазовых превращений в процессе больших пластических деформаций исследуемой стали.

проведено численное исследование формирования деформационного рельефа на свободной поверхности трехмерных поликристаллов с периодической структурой в условиях одноосного растяжения. Проанализировано влияние условий нагружения мезообъемов и размера зерна на характеристики рельефных образований. С целью последующей оптимизации численного анализа исследовано влияние толщины трехмерного модельного образца на формирующиеся деформационные складки. Показано, что основное влияние на деформационный рельеф оказывает микроструктура приповерхностных слоев, лежащая в пределах 3-4 зеренных диаметров.

Методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа исследована микроструктура шейки образцов ферритно-мартенситной стали ЭК-181 (Fe-12Cr-2W-V-Ta-B) после одноосного растяжения при комнатной температуре. Образцы подвергались стандартной термообработке (закалка + старение), а также промежуточной ультразвуковой обработке между закалкой и старением. Показано, что в шейке образца после стандартной термообработки в рейках мартенсита образуются субмикрокристаллические зерна а-фазы и изотропные дислокационные фрагменты. В образцах после ультразвуковой обработки в зоне локализованной деформации отсутствуют границы мартенситных кристаллов и также наблюдаются субмикрокристаллические зерна. Изучено влияние ультразвуковой обработки на характер разрушения образцов стали при одноосном растяжении.

В работе предложен комплексный подход к созданию многоуровневой структуры в поверхностных слоях металлокерамических материалов на основе импульсного электронно-лучевого воздействия. Данный подход включает в себя построение моделей неравновесных процессов формирования многоуровневых структурно-фазовых состояний в поверхностном слое композита, теоретическое изучение влияния сформировавшейся в результате электронно-лучевой обработки структуры на прочностные и деформационные характеристики, а также характер разрушения поверхностного слоя, и экспериментальную верификацию результатов теоретических исследований. Предварительные результаты применения комплексного подхода продемонстрировали важную роль формирования многомасштабной структуры в поверхностных слоях металлокерамических сплавов в повышении служебных характеристик образцов, в частности их износостойкости. Обсуждаются преимущества использования импульсного электронно-пучкового облучения с высокой плотностью мощности и достаточно большим числом импульсов для формирования многомасштабных структур в твердых сплавах.

Проведено исследование возможностей сохраняющей поперечный размер прессуемого образца накопительной экструзии в качестве метода интенсивной пластической деформации на примере алюминиевых порошковых материалов. Выяснено, что выбранный метод многократной экструзии вполне приемлем как для уплотнения порошковых материалов, так и для их интенсивной деформации.

Проведено электронно-микроскопическое исследование микроструктуры метастабильной аустенитной стали Fe-18%Cr-8%Ni (вес. %) после больших пластических деформаций прокаткой. Показано, что большие пластическе деформации приводят к формированию двухфазной субмикрокристаллической структуры. Обнаружены фрагменты разориентации, формирование которых можно объяснить реализацией механизма прямых плюс обратных превращений мартенситного типа. Обсуждаются механизмы фрагментации кристаллической решетки, формирования субмикро- и нанокристаллических структурных состояний.