Грант РНФ 21-19-00075

Описание выполненных в отчетном году работ и полученных научных результатов

Создание современной теории пластичности, способной адекватно описывать большинство из разнообразных аспектов этого явления, до сих пор представляет собой сложную нерешенную задачу. История исследований этого явления насчитывает уже более двухсот лет, но сложность проблемы пластичности настолько высока, что за это время коллективы исследователей в России и за рубежом так и не достигли решающего успеха. Характеризуя проблему в целом, следует признать, что к настоящему времени сложились два главных научных подхода к решению проблемы. Первый из них, механиче­ский, является частью механики сплошной среды, а второй, кристаллофизический, базируется на основополагающих представлениях о при­роде, строении и свойствах кристаллической решетки с дефектами, главным образом, дислокациями.

Исторически сложившийся раньше механический подход ставит целью поиск фор­мального однозначного соответствия между действующими в среде на­пряжениями и вызванными ими деформациями, по своей природе является феноменологическим. Задача о таком соответствии может быть решена точно и однозначно только для упругой деформации, при которой справедлив закон Гука. Однако уже описание и объяснение характера нелинейных и достаточно сложных кривых пластического течения реальных материалов является намного более слож­ной задачей, как в экспериментальном, так и в теоретическом планах.

По этим причинам для выяснения природы и механизмов пластической деформации потребовалось создание и использование физического подхода, имеющего микроскопическую природу и связанного с наличием отклонений кристаллографии пластичной среды от идеального порядка, то есть, учета роли разнообразных дефектов кристаллического строения и их эволюции при пластической деформации. Начиная с 30-х годов ХХ-го века, этот подход базировался на теории дислокаций. Созданные на его основе многочисленные работоспособные модели деформационных процессов не позволили построить замкнутую и строгую те­о­рию пластичности твердых тел. Напротив, возникли сомнения в достаточности методической основы дислокаци­­он­ных исследований - электронно-микро­скопи­че­ского ана­­­лиза тонких фольг. Эти сомнения привели к пониманию того, что глав­ная причина неуспеха теории дислокаций кроется в неадекватности принимаемого по умолчанию в физике пластичности прин­ципа, согласно которому микроскопические данные о ходе процессов течения считаются наи­более важным источником информации о природе феномена деформации. Критическое осмысление этого принципа заставило принять во внимание решающую роль явлений, принципиально важных для пластического течения, но характеризующихся заметно более крупным пространственным масштабом.

Неизбежным следствием внимания к таким процессам стала работа А. Зегера и В. Франка, авторы которой не только подчеркнули роль локализации деформации, но и взглянули на нее как на про­­цес­с структурообразования, то есть, самооргани­зацию термоди­на­ми­­чески открытой сис­те­мы. Почти сразу Г. Николис и И. Пригожин выдвинули идею о перспективности теории неравновесных структур (синергетики) для описания закономерностей пластического течения. Они указывали, что такой подход «приводит к диффузионным моделям с учетом химических реакций, очень похожих на те, что использовались при изучении химических неустойчивостей». Более того, они недвусмысленно предостерегали исследователей в том, что игнорирование неравновесности деформируемых сред делает попытки адекватного описания феномена пластичности бесперспективными.

Таким образом, в конце 80-х годов сформировалась склонность к применению синергетических принципов самоорганизации в развитии теории пластичности. Корректность взгляда на пластическое течение как на самоорганизацию структуры деформируемой среды подтверждалась тем, что:

- пластически деформируемая система является открытой в термодинамическом смысле, так как пластическая деформация осуществляется под внешним силовым воздействием;

- из-за наличия различных решеточных дефектов и создаваемых ими внутренних напряжений пластически деформируемая среда является нелинейной, причем эта нелинейность следует непосредственно из вида деформационной кривой «напряжение - деформация»,

- поскольку дефекты и их ансамбли служат концентраторами упругих напряжений, то пластически деформируемая среда, содержащая распределенные по объему источники потенциальной энергии, может рассматриваться как активная;

- пластическая деформация необратима, то есть, после снятия нагрузки система не возвращается в исходное состояние из-за образования и сохранения дефектов решетки.

Можно сказать, что подобные идеи ознаменовали начало новой эпохи в теории пластичности, связанной с желанием и возможностью использовать термодинамику неравновесных систем (синергетику) при­ме­нительно к проблеме пластичности. Согласно мнению многих авторов, открытая нелинейная система принципиально склонна к генерации различных вариантов локализационных процессов. Действительно, как показано экспериментально, в пластически деформированной среде локализация деформации на­блю­дается на всех масштабных уровнях и является важнейшим атрибутом пластической деформации.

Научно-исследовательские работы, выполненные в рамках настоящего проекта в 2021 году, развивают важный аспект синергетического описания феномена пластичности. В синергетическом походе основная роль отводится рождению и эволюции очагов локализованного пластического течения, а локализация является атрибутивным признаком пластического течения на любой его стадии. В самом деле, деформационные акты микроскопического масштаба в первую очередь реализуются именно в очагах локализации, где в дальнейшем может развиться разрушение материалов. В таком случае тщательное наблюдение за паттерном локализованной пластичности позволяет получить достаточно полную информацию о закономерностях развития процесса пластического течения именно в таких областях, которые могут представлять собой опасность в смысле будущего разрушения.

Выполнение настоящего проекта преследует цель разработать надежный способ прогнозирования пластического поведения материалов под нагрузкой. При это предполагается, что наиболее драматические события, связанные с пластическим течение, реализуются в местах локализации деформации. Картина распределения этих мест по телу образца или реального нагруженного объекта (паттерн локализованной пластической деформации) дает информацию о распределении очагов локализованного течения и амплитуды деформаций в них. Наблюдение становится возможным при использовании специально разработанного наблюдательного комплекса, использующего спекл-эффект, возникающий при освещении объекта когерентным светом лазера. Конструкция такого комплекса была дополнительно модернизирована с целью увеличить его быстродействие до 50 кадров в секунду.

Паттерн локализованной пластичности может рассматриваться как проекция автоволновых процессов локализованного течения, существующих в объеме деформируемой среды, на ее поверхность. Идея о подчинении процессов локализации деформации автоволновым закономерностям немедленно приводит к следствиям, которые определяют возможность предсказания поведения материала в условиях пластического течения. Наиболее существенной проблемой в этом отношении является возможность оценки запаса технологической пластичности. Именно эта величина определяет устойчивость технологических процессов, связанных с глубокой пластической деформацией металлов, таких, как прокатка, штамповка, волочение.

Полученные в ходе выполнения данного проекта в 2021 году результаты были ориентированы как раз на выработку автоволновых критериев пластичности материалов разного сорта. В экспериментах, выполненных на промышленных славах на основе циркония, алюминия и магния, было показано, что для этих сплавов автоволновая модель пластического течения дает правильные результаты, описывающие сложный характер кривых деформирования, в том числе, и в условиях ползучести. Для проверки были выбраны сплавы, имеющие важное практической применение. Так сплавы циркония используются в ядерной энергетике в качестве элементов горячей зоны энергетических ядерных реакторов, а сплавы на основе алюминия и магния нашли широкое применение в авиастроении. Кроме того, ряд экспериментов был проведен на хромоникелевой аустенитной нержавеющей стали, используемой в химической промышленности.

В ходе исследований была подтверждена применимость автоволновой модели пластичности для анализа пластического течения этих материалов и установлены основные автоволновые параметры процессов течения для них. Для аустенитной стали удалось предложить критерий пластичности при растяжении в широком интервале температур.

Таким образом, исследования, проведенные в 2021 году, дали дополнительные доказательства справедливости развиваемой системы взглядов на пластичность, согласно которой в процессе пластического течения происходит упорядочение деформируемой среды. Кинетика деформационного упорядочения описывается автоволновыми уравнениями, которые могут быть использованы для прогнозирования пластического поведения материалов.

По результатам выполнения работ по проекту за 2021 год принято в печать: 5 статей (базы данных Web of Science/Scopus/РИНЦ).