Журналу «Физическая мезомеханика» — 15 лет

Журналу «Физическая мезомеханика» — 15 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 это не удивительно. В деформируемом твердом теле как многоуровневой иерархически организованной системе все подсистемы деформируются самосогласованно. Поэтому закономерности поведения дислокаций в 3D-кристаллической подсистеме дают очень важную информацию о поведении деформируемого твердого тела как многоуровневой системы.

В рамках одноуровневого подхода дислокаций (и всех других деформационных дефектов) принципиально невозможно получить ответ на ряд важных фундаментальных вопросов в науке о пластической деформации и разрушении твердых тел. В теории дислокаций до сих пор остаются неясными механизмы зарождения деформационных дефектов, природа и механизм распространения полосовых структур некристаллографического пластического течения, специфика механического поведения тонких пленок и наноструктурных материалов, аномальное поведение твердых тел в экстремальных условиях нагружения и др. В линейной механике разрушения проблемная ситуация выражена еще более резко.

К концу прошлого столетия накопилось столь большое количество противоречий в теориях пластичности и прочности твердых тел, что стала очевидной необходимость смены парадигмы одноуровневого подхода механики сплошной среды (макромасштабный уровень) и теории дислокаций (микромасштабный уровень).

Становление новой парадигмы началось с формулировки и обоснования концепции «структурные уровни деформации твердых тел» [1]. Более подробно эта концепция была развита позднее в ряде обзоров и монографий [2-7 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 три десятилетия получила убедительное экспериментальное и теоретическое обоснование. На ее основе возникло и в настоящее время интенсивно развивается новое научное направление — физическая мезомеханика.

За 15 лет издания нашего журнала в физической ме-зомеханике теоретически и экспериментально обоснован ряд концептуально новых положений, которые радикально изменяют традиционную методологию описания пластической деформации и разрушения твердых тел. Рассмотрим некоторые из них.

Согласно общепринятым представлениям пластическое течение в нагруженном твердом теле начинается с движения дислокаций в 3D-кристаллической структуре. В физической мезомеханике теоретически и экспериментально обосновано, что в деформируемом твердом теле необходимо рассматривать две подсистемы: 3D кристаллическую и 2D планарную (поверхностные слои и все внутренние границы раздела) [8]. Согласно [8], первичные пластические сдвиги в деформируемом твердом теле связаны не с движением дислокаций в объеме материала, а с волновыми потоками локальных структурных трансформаций в 2D планарной подсистеме. С этими потоками связаны два важных следствия. Во-первых, они генерируют деформационные дефекты в 2D планарной подсистеме, эмиссия которых в 3D кристаллическую подсистему обеспечивает ее пластическое формоизменение. Во-вторых, планарные потоки вызывают действие моментных напряжений на 3D структурные элементы. В соответствии с законом сохранения момента импульса движение деформационных дефектов в 3D структурных элементах создает поле обратных поворотных моментов, которые вовлекают в самосогласованную деформацию всю иерархию структурно-масштабных уровней. Таким образом, любое деформируемое твердое тело должно рассматриваться как многоуровневая иерархически организованная система. В основе иерархической самоорганизации ее пластической деформации лежит закон сохранения момента импульса. Описание потоков локальных структурных трансформаций в 2D планарной подсистеме и связанных с ними поворотных моментов играет фундаментальную роль в многоуровневом описании деформируемого твердого тела. Это определяет одно из важнейших стратегических направлений физической мезоме-ханики.

Большой комплекс работ вскрыл фундаментальную роль локальной кривизны в 2D планарной подсистеме в зарождении и распространении деформационных дефектов. Развитие этих работ, особенно в рамках 3D кристаллической подсистемы, имеет очень большую перспективу. В зонах локальной кривизны могут возникать новые разрешенные структурные состояния (бифуркационной природы) [9]. Они создают новые степени свободы и обусловливают нелинейный характер поведения деформируемого твердого тела. Учет этого эффекта потребует радикальной корректировки подходов современной механики, которая лежит в основе всех феноменологических теорий пластической деформации и разрушения. Это направление работ представлено в нашем журнале отдельным тематическим выпуском №3 за 2013 г.

Очень серьезные проблемы возникли в механике разрушения. Сингулярность 1/г уравнений в вершине трещины [10, 11], различие физических законов для атомистических и континуальных систем [12] вызывают принципиальные трудности в корректном описании механизма разрушения. Учет эффекта кривизны в вершине трещины и появления новых бифуркационных структурных состояний в исходной структуре материала устраняет проблему сингулярности 1/ г, но порождает задачу определения упругих модулей при раскрытии трещины. Физическая мезомеханика может дать очень важную информацию для обоснования концептуальных положений нелинейной механики разрушения в рамках синергетического подхода

Укажем кратко актуальные проблемы физической мезомеханики многоуровневых нелинейных иерархически организованных систем:

- учет иерархии размеров;

- функциональная роль планарной подсистемы (поверхностные слои и внутренние границы раздела);

- изменение термодинамического состояния деформируемого твердого тела;

- пластический сдвиг как локальная структурная трансформация в рамках неравновесной термодинамики;

- фундаментальная роль локальной кривизны в нелинейном поведении деформируемого твердого тела;

- расчет в электронно-энергетическом спектре флук-туационных полос, являющихся генетическим кодом новых структур, возникающих в деформируемом твердом теле;

- синергетика пластической деформации и разрушения как эволюции динамических систем к самоорга-низованной критичности, которая завершается их структурно-фазовым распадом;

- нелинейные волновые законы самоорганизации пластической деформации и разрушения многоуровневых иерархически организованных систем;

- разработка математического аппарата нелинейного описания пластической деформации и разрушения твердых тел;

- специфика механического поведения наноструктурных материалов и неравновесных систем в экстремальных условиях нагружения.

Этот перечень направлений работ, который является далеко не исчерпывающим, свидетельствует о новом этапе развитии науки о пластичности и прочности твердых тел. Во всех указанных направлениях в физической мезомеханике ведутся активные исследования.

Подводя итог работы за 15-летний период, редколлегия журнала приняла решение представить в юбилейном выпуске заказные статьи известных ученых, активно развивающих физическую мезомеханику как мультидисциплинарную науку. Количество представленных статей составило два юбилейных номера. Первый из них, посвященный фундаментальной роли локальной кривизны в нелинейном поведении твердых тел, уже вышел (Физ. мезомех. - 2013. - Т. 16. - № 3). В настоящем номере представлены статьи, характеризующие уровень исследований, проводимых в широком спектре проблем. Редколлегия выражает благодарность авторам представленных статей и будет активно содействовать развитию нелинейных подходов в физической мезомеханике многоуровневых иерархически организованных систем.

Литература

Редакционная коллегия