CC BY
22
Журналу «Физическая мезомеханика» — 10 лет
Проблемы пластической деформации и разрушения твердых тел до середины XX столетия рассматривались исключительно на основе феноменологических подходов механики сплошной среды. Они позволяли успешно решать широкий круг инженерных задач на макромасштабном уровне.
Однако для понимания механизмов пластической деформации и разрушения необходимы были физические подходы на микромасштабном уровне. Такой прорыв физиков в микромир деформируемого твердого тела произошел в пятидесятые годы XX столетия, когда для исследования тонкой структуры кристаллов была использована электронная микроскопия. Последующие полвека физика пластичности и прочности переживала бурное развитие, связанное с интенсивным изучением закономерностей возникновения, движения и самоорганизации основного типа деформационных дефектов — дислокаций.
Современная теория дислокаций в кристаллах позволяет качественно объяснить многие закономерности поведения твердых тел в различных условиях нагружения. И первое время казалось, что достаточно преодолеть чисто математические трудности описания сложного поведения дислокационных ансамблей на микроуровне, чтобы теоретически рассчитать макроскопические характеристики деформируемого твердого тела. Однако рассчитать кривую «напряжение - деформация» на основе только микроскопических представлений теории дислокаций не удалось до сих пор. Все попытки прямого перехода от микроподходов физики к макроподходам механики оказались безуспешными.
К началу восьмидесятых годов прошлого столетия стало очевидно, что деформируемое твердое тело является многоуровневой системой и не может быть описано только в рамках одноуровневых подходов теории дислокаций (микромасштабный уровень) или механики сплошной среды (макромасштабный уровень). Требо-
валась разработка новой парадигмы, основанной на самосогласованном описании механизмов деформации во всей иерархии структурно-масштабных уровней структурно-неоднородных тел. Впервые новый подход был сформулирован в работе [1] как концепция структурных уровней деформации твердых тел. Более подробно эта концепция была развита позднее в ряде обзоров и монографий [2-8 и др.], которые заложили основы построения принципиально новой методологии описания пластической деформации и разрушения твердых тел. Воспринятая на первых порах как остродискуссионная, новая методология за прошедшие четверть века получила убедительное экспериментальное и теоретическое обоснование. На ее основе возникло и в настоящее время интенсивно развивается новое научное направление — физическая мезомеханика.
Первые шесть международных конференций, посвященных физической мезомеханике, были проведены на базе Института физики прочности и материаловедения СО РАН (в г. Томске и близ озера Байкал). На международной конференции «Mesofracture’96» в г. Томске было предложено проводить данные конференции в разных странах и организовать издание международного журнала «Физическая мезомеханика». Первый номер нового журнала на русском и английском языках был издан в 1998 году и представлен научной общественности на международной конференции «Mesomechaшcs’98» в Тель-Авиве (Израиль).
За 10 лет издания нашего журнала в физической мезомеханике теоретически и экспериментально обоснован ряд концептуально новых положений, которые радикально изменяют традиционную методологию описания пластической деформации и разрушения твердых тел.
Несмотря на внешнее различие методов описания деформации и разрушения твердых тел в физике (на основе теории дефектов кристаллической решетки) и
механике сплошной среды (феноменологическое описание) их методологии качественно одинаковы. В основе лежат силовые модели сдвиговой деформации под действием средних приложенных напряжений. Тензоры напряжений и деформаций являются симметричными, рассматривается только скалярная плотность дислокаций, деформация описывается как суперпозиция трансляционного движения дефектов кристаллической решетки. Главная задача в таком подходе — описать предел текучести, деформационное упрочнение материала в ходе его пластического течения и разрушение. В хорошо развитой теории дислокаций их ядра исключаются из рассмотрения и рассчитываются упругие поля взаимодействующих дислокаций в рамках исходной кристаллической решетки. Фактически это сводится к механике деформируемого твердого тела на микромасштабном уровне.
В то же время, физика дислокаций должна прежде всего описывать генерацию их ядер как локальные структурные превращения в кристаллической решетке и формирование диссипативных субструктур, с которыми связаны трехмерные носители пластического течения. Но эти вопросы в теории дислокаций не рассматриваются. Введение в рассмотрение дисклинаций учитывает фрагментацию материала на мезомасштабном уровне, но методология силовых моделей в поле средних приложенных напряжений сохраняется.
В действительности, все типы дефектов в кристаллах следует рассматривать как локальные метастабиль-ные структуры, возникающие в зонах концентраторов напряжений различного масштаба. Поэтому физика пластической деформации должна рассматриваться на основе синергетических законов поведения неоднородных сильнонеравновесных систем, претерпевающих локальные структурные превращения и следующих к равновесию путем эстафетного распространения локального структурного превращения в полях градиентов внутренних напряжений. Деформируемый кристалл непрерывно испытывает изменение своей исходной кристаллической структуры, формируя на различных мезо-масштабных уровнях диссипативные субструктуры.
Принципиально важно, что в заданных граничных условиях деформация осуществляется по схеме «сдвиг + поворот» [1-8]. Поэтому диссипативные субструктуры носят функциональный характер, формируя трехмерные носители пластического течения в вихревом механическом поле. Процесс структурных превращений в деформируемом кристалле развивается самосогласованно в иерархии широкого спектра масштабных уровней и должен описываться полевыми теориями дефектов в нагруженном твердом теле. Полевые теории должны отражать источники деформационных дефектов, развитие пластической деформации по схеме «сдвиг + поворот», возникновение вихревых диссипативных
структур, самосогласование пластических сдвигов в иерархии всех структурных уровней деформации. Эти вопросы лежат на стыке физики и механики деформируемого твердого тела. Они и явились предметом исследования физической мезомеханики.
Особого внимания в физической мезомеханике как новой парадигме заслуживает вопрос о семантике терминов «структурные уровни деформации» и «масштабные уровни деформации». Термин «масштабные уровни» предполагает четкую классификацию размеров в иерархии масштабов: нано, микро, мезо и макро. Она конкретизирует масштабы внутренней структуры, но по своей сути неоднозначна, так как зависит от объекта исследования. В деформируемом кристалле традиционно понимаемый мезомасштаб составляет десятки-сотни микрометров, в геотектонике — это сотни и тысячи километров. В методологии физической мезомеханики все структурные уровни деформации относятся к классу мезоскопических масштабов независимо от их конкретных размеров. Термин «мезоскопический» в физической мезомеханике отражает смысл «промежуточный» между твердым телом как сплошной средой и его конкретной кристаллической решеткой. Так, в последние годы в литературе широко обсуждаются наноструктуры и наноматериалы. В традиционной иерархии масштабов их следовало бы отнести к наномасштабному уровню. В классификации физической мезомеханики они представляют собой мезомасштабный уровень, так как являются неравновесной мезосубструктурой в исходном равновесном кристалле.
Следует особо подчеркнуть, что в теории дислокаций оперируют дефектами в равновесной кристаллической решетке. Их движение описывают под действием средних приложенных напряжений. Это принято классифицировать как микромасштабный уровень деформации. Между тем, зарождение ядер дислокаций как фрагментов другой структуры происходит только в локальных зонах микроконцентраторов напряжений, и пластические сдвиги развиваются сугубо локализованно. Фактически при этом формируется первый мезоскопический субструктурный уровень деформации в рамках микромасштабного уровня. Его эволюция в вихревом поле внутренних напряжений завершается формированием разориентированной ячеистой дислокационной субструктуры, в которой каждая ячейка выступает как новый мезоскопический носитель деформации по схеме «сдвиг + поворот». Другими словами, уже в рамках микромасштаба формируются мезоскопические структурные уровни деформации, играющие принципиально важную функциональную роль, не свойственную структуре исходного кристалла.
Возникновение в деформируемом образце при больших степенях деформации мезополос локализованной деформации, распространяющихся по некристаллогра-
фическим направлениям, вызывает фрагментацию образца на более высоком масштабном уровне мезо II. Это отражает потерю сдвиговой устойчивости всей внутренней структуры образца при сохранении его глобальной сдвиговой устойчивости как целого. На этой стадии пластического течения формируются новый мезоскопический структурный уровень деформации и его новые носители. Движение мезообъемов на структурном уровне мезо II происходит самосогласованно со всеми нижележащими мезоскопическими структурными уровнями деформации. Описать такой многоуровневый самосогласованный процесс принципиально невозможно на основе традиционной методологии теории дислокаций, оперирующей движением дефектов в неизменной структуре исходного твердого тела.
Тем более неспособна это сделать механика сплошной среды, которая не учитывает не только внутреннюю структуру исходного твердого тела, но и ее непрерывную эволюцию в ходе пластической деформации.
Новая парадигма физической мезомеханики предлагает качественно новый подход и к описанию процесса разрушения нагруженного твердого тела. В классической физике и механике разрушения проблема зарождения трещины до сих пор не решена. В теории распространения трещины в качестве основополагающих параметров рассматриваются критические значения концентрации напряжений в вершине трещины и степени поврежденности в зоне перед вершиной трещины.
В физической мезомеханике процесс разрушения рассматривается как завершающая стадия его деформации, связанная с глобальной потерей сдвиговой устойчивости нагруженного твердого тела как целого. Принципиально важную роль в разрушении играют поворотные моды деформации. Они обусловливают зарождение трещины как возникновение несплошности материала при нескомпенсированных поворотах трехмерных мезоструктурных элементов деформации. Трансляционное распространение трещины формирует на своем пути локальные повороты мезообъемов, которые определяют критические концентраторы напряжений в вершине трещины, необходимые для ее распространения. В то же время, разрыв межатомных связей при распространении трещины также связан с локальным структурно-фазовым переходом [9-11]. По образному выражению проф. Дж. Си, атомный механизм распространения трещины необходимо описывать на основе представлений нанохимии [9]. Это принципиально новый тезис в физической мезомеханике разрушения, который отражает многоуровневый подход в описании процесса разрушения твердых тел.
Следствием многоуровневого подхода является и заключение авторов [10] о том, что при вязком разрушении твердого тела в зоне шейки развивается волновой процесс самоорганизации двух параллельных (в виде диполя) или сопряженных макрополос локализованной
деформации, с которыми связаны материальные повороты противоположных знаков. Нескомпенсирован-ность этих поворотов на более низких мезомасштабных структурных уровнях обусловливает возникновение в шейке трещины как аккомодационной поворотной моды деформации.
Таким образом, в основе многоуровневого описания пластической деформации и разрушения твердых тел должны лежать три составляющие:
1. Идентификация механизмов пластического течения на различных масштабно-структурных уровнях деформации, приводящих к кардинальному изменению исходной внутренней структуры твердого тела и формированию в нем диссипативных субструктур как мезоскопических носителей пластической деформации.
2. Установление связи между внешним воздействием, изменением исходной внутренней структуры, формированием иерархии мезоскопических самосогласованных структурных уровней деформации и возникающими вследствие этого механическими полями.
3. Синергетический подход в методологии описания деформируемого твердого тела как неравновесной многоуровневой среды, которая в точках бифуркации теряет свою сдвиговую устойчивость на различных масштабно-структурных уровнях и разрушается в условиях глобальной потери своей сдвиговой устойчивости на макромасштабном уровне.
Именно эти положения лежат в основе физической мезомеханики как новой парадигмы на стыке физики и механики деформируемого твердого тела.
Перечислим кратко наиболее крупные достижения физической мезомеханики последнего десятилетия.
1. Многоуровневый подход в описании пластической деформации и разрушения твердых тел стал общепризнанным как в механике, так и в физике деформируемого твердого тела.
2. Выполнен широкий спектр экспериментальных исследований механизмов деформации на различных масштабных уровнях. Используются приборы новых поколений, сочетающих высокое разрешение со сканированием больших площадей поверхности деформируемого твердого тела (атомно-силовая и сканирующая туннельная микроскопия, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия, лазерная профиломет-рия, оптико-телевизионные измерительные комплексы, спекл-интерферометрия, тепловизоры, зондовый анализ на приборах типа Quanta 200 3D и др.). Это позволило не только вскрыть и количественно описать новые механизмы деформации [11-21 и др.], но и установить масштабную инвариантность их приведенных параметров [22-28 и др.]
3. Теоретическое описание механизмов деформации и разрушения на различных масштабных уровнях проводится на основе 3D-моделей. Нано- и микромасштабные уровни преимущественно моделируются методами
молекулярной динамики, а также методом возбудимых клеточных автоматов. Мезомасштабные уровни между микро- и макромасштабами описываются методом подвижных клеточных автоматов и методами механики сред со структурой. Сделаны важные шаги построения гибридных моделей, объединяющих методы континуальной и дискретной механики деформируемого твердого тела. Установлены закономерности масштабной инвариантности блочного разрушения твердых тел.
4. Вскрыта важная функциональная роль всех внутренних границ раздела в зарождении деформационных дефектов различного масштабного уровня и их волнового распространения как сугубо релаксационного процесса [7, 8, 11, 29, 30]. Экспериментально обнаружен и теоретически обоснован эффект «шахматного» распределения нормальных и касательных напряжений на интерфейсе разнородных сред в полях внешнех воздействий различной природы (механических, тепловых, электромагнитных и др.) [31, 32]. «Шахматный» мезо-эффект интерфейса возникает при сопряжении самых различных сред живой и неживой природы [33]. Он обусловливает развитие нелинейных волновых процессов массопереноса в гетерогенных средах различного типа. В основе транспортных потоков через интерфейсы лежат структурно-фазовые переходы наноструктурных состояний в локальных зонах гидростатического растяжения в «шахматной» структуре границ раздела и приграничного материала.
5. Очень перспективным для многоуровневого описания деформируемого твердого тела является заключение физической мезомеханики о единой природе всех механизмов пластической деформации и разрушения твердых тел как локальных структурных превращений в зонах концентраторов напряжений различного масша-ба [11]. Согласно [11], все типы деформационных дефектов зарождаются в локальных зонах гидростатического растяжения около концентраторов напряжений, где необходимо рассматривать локальный неравновесный термодинамический потенциал Гиббса. Атомная структура всех ядер деформационных дефектов может быть описана в терминах нанокластеров различных атомных конфигураций. В условиях стабильной кристаллической решетки неравновесные атомные нанокластеры распространяются как солитоны в виде ядер дислокаций. В сильнонеравновесном кристалле происходит их коллективное распространение в виде нелинейных волн локализованной пластической деформации, которые выявляются как мезо- или макрополосы локализованного сдвига. Данный подход позволяет строить обобщенную многоуровневую модель для любых материалов и любых условий их нагружения, привлекая фундаментальные представления теории неравновесных структурнофазовых переходов.
В рамках многоуровневого подхода в деформируемом твердом теле рассматривается самосогласованное
«Внизу полным полно места: приглашение в новый мир физики.»
Р. Фейнман, лауреат Нобелевской премии
взаимодействие следующих подсистем: электронная подсистема, поверхностные слои, все внутренние границы раздела, кристаллическая структура основного объема материала и составляющих его фаз, дефекты кристаллической решетки.
XXI век называют веком наноструктурных материалов и нанотехнологий. Связанные с ними проблемы будут решаться на основе методологии физической ме-зомеханики, которая на основе многоуровневого подхода будет оперировать нанокластерами различных атомных конфигураций в локальных полях концентраторов напряжений на различных структурно-масштабных уровнях. На основе физической мезомеханики успешно развиваются новые компьютерные технологии многоуровневого моделирования и конструирования материалов новых поколений.
Редколлегия журнала приняла решение представить в его юбилейном выпуске заказные статьи известных ученых, активно развивающих физическую мезомеха-нику. Количество представленных статей значительно превысило объем одного номера журнала. Поэтому юбилейных выпусков будет два. В них будут представлены работы как методологического характера, так и связанные с решением конкретных проблем физической мезомеханики на основе ее многоуровневого подхода.
Литература
1. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Елсукова Т.Ф., Иванчин А.Г. Структурные уровни деформации твердых тел // Изв. вузов. Физика. -1982. - Т. 25. - № 6. - С. 5-27.
2. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 229 с.
3. Структурные уровни пластической деформации и разрушения / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1990. - 252 с.
4. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Наука, 1995. -Т. 1. - 298 с.
5. Physical mesomechanics of heterogeneous media and computer-aided
design of materials / Ed. by V.E. Panin. - Cambridge: Cambridge Interscience Publishing, 1998. - 339 p.
6. Panin V.E. Overview on mesomechanics of plastic deformation and fracture of solids // Theor. Appl. Fract. Mech. - 1998. - V. 30. - No. 1. -P. 1-11.
7. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики
// Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 6. - С. 5-36.
8. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика — новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 4. - C. 9-36.
9. Sih G.C. Crack tip system for environment assisted failure of nuclear reactor alloys: Multiscaling from atomic to macro via mesos // J. Press. Syst. - 2005. - No. 3. - P. 1-25.
10. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Панин А.В. Полевая теория многоуровневого пластического течения в шейке деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 5. - С. 5-16.
11. Панин В.Е., Егорушкин В.Е. Неравновесная термодинамика деформируемого твердого тела как многоуровневой системы. Корпускулярно-волновой дуализм пластического сдвига // Физ. мезомех. - 2008. - Т. 11. - № 2. - С. 9-30.
12. Тюменцев А.Н., Коротаев А.Д., Пинжин Ю.П. Высокодефектные структурные состояния, поля локальных внутренних напряжений и кооперативные механизмы мезоуровня деформации и переориентации кристалла в наноструктурных металлических материалах // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - № 4. - С. 35-53.
13. Тюменцев А.Н., Литовченко И.Ю., Шевченко Н.В., Гирсова С.Л., Коротаев А.Д. Дисторсия кристаллической решетки при формировании полос локализации деформации механизмами прямых плюс обратных мартенситных превращений // ФММ. - 2006. -Т. 101. - № 3. - С. 323-329.
14. Панин А.В. Нелинейные волны локализованного пластического течения в наноструктурных слоях твердых тел и тонких пленках // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. - № 3. - С. 5-17.
15. Дерюгин Е.Е., ПанинВ.Е., Шмаудер 3., Стороженко И.В. Эффекты локализации деформации в композитах на основе Al с включениями AI2O3 // Физ. мезомех. - 2001. - Т. 4. - № 3. - С. 35^7.
16. Кузнецов П.В., Панин В.Е. Прямое наблюдение потоков дефектов и субмикронной локализации деформации на поверхности дур-алюмина при помощи сканирующего туннельного и атомного силового микроскопов // Физ. мезомех. - 2000. - Т. 3. - № 2. -С. 91-97.
17. Панин В.Е., Елсукова Т.Ф., Егорушкин В.Е., Ваулина О.Ю., Почи-валов Ю.И. Нелинейные волновые эффекты солитонов кривизны в поверхностных слоях поликристаллов высокочистого алюминия при знакопеременной интенсивной пластической деформации. I. Эксперимент // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 6. - С. 21-32.
18. Деревягина Л.С., Панин В.Е., Гордиенко А.И. Самоорганизация пластических сдвигов в макрополосах локализованной деформации в шейке высокопрочных материалов и ее роль в разрушении материала при одноосном растяжении // Физ. мезомех. - 2007. -Т. 10. - № 4. - С. 59-71.
19. Псахье С.Г., Остермайер Г.П., Дмитриев А.И., Шилъко Е.В., Смолин А.Ю., Коростелев С.Ю. Метод подвижных клеточных автоматов как новое направление дискретной вычислительной механики. I. Теоретическое описание // Физ. мезомех. - 2000. -Т. 3. - № 2. - С. 5-13.
20. Psakhie S.G., Zolnikov K.P., Kryzhevich D.S. Elementary atomistic mechanism of crystal plasticity // Phys. Lett. A. - 2007. - V. 367. -P. 250-253.
21. Головнев И.Ф., Головнева Е.И., Фомин В.М. Расчет термодинамических наноструктур методом молекулярной динамики // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 5. - С. 71-76.
22. Попов В.Л., Кренер Э. О роли масштабных уровней в теории упругопластичности // Физ. мезомех. - 1998. - Т. 1. - №2 1. - С. 109118.
23. Godfrey A., Hughes D.A. Scaling of the spacing of deformation induced dislocation boundaries // Acta Mater. - 2000. - V. 48. - P. 18971905.
24. Sethna J.P, Coffman V.R., Dember E. Scaling in plasticity-induced cell-boundary microstructure: Fragmentation and rotational diffusion // Phys. Rev. B. - 2003. - V. 67. - P. 184-197.
25. Гордиенко Ю.Г., Засимчук Е.Э., Турчак ТВ. Скейлинг структурных параметров и механических свойств металлов и сплавов // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 2. - С. 93-98.
26. Наймарк О.Б., Баяндин Ю.В., Леонтьев В.Ф., Пермяков С.Л. О термодинамике структурно-скейлинговых переходов при пластической деформации твердых тел // Физ. мезомех. - 2005. - Т. 8. -№ 5. - С. 23-29.
27. Панин В.Е., Панин А.В., Сергеев В.П., Шугуров А.Р. Эффекты скейлинга в структурно-фазовой самоорганизации на интерфейсе «тонкая пленка - подложка» // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. -№3. - С. 9-21.
28. Макаров П.В. Эволюционная природа деструкции твердых тел и сред // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - №3. - С. 23-28.
29. Панин В.Е., Фомин В.М., Титов В.М. Физические принципы мезомеханики поверхностных слоев и внутренних границ раздела в деформируемом твердом теле // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. -№ 2. - С. 5-14.
30. Поверхностные слои и внутренние границы раздела в гетерогенных материалах / Под ред. В.Е. Панина. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2006. - 519 с.
31. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко ДД. «Шахматный» мезо-эффект интерфейса в гетерогенных средах в полях внешних воздействий // Физ. мезомех. - 2006. - Т. 9. - № 6. - С. 5-15.
32. Панин В.Е., Панин А.В., Моисеенко ДД. и др. Эффект «шахматной доски» в распределении напряжений и деформаций на интерфейсах в нагруженном твердом теле // Докл. РАН. - 2006. -Т.409.- №5. - С. 606-610.
33. Панин Л.Е., Панин В.Е. Эффект «шахматной доски» и процессы массопереноса в интерфейсных средах живой и неживой природы // Физ. мезомех. - 2007. - Т. 10. - № 6. - С. 5-20.
Ответственный редактор юбилейных выпусков академик В.Е. Панин
