«ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ —
НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ НА СТЫКЕ ФИЗИКИ
И МЕХАНИКИ ДЕФОРМИРУЕМОГО ТВЕРДОГО ТЕЛА»

Из доклада академика В. Панина.

Идея многомасштабности явлений в твердых телах при их пластической деформации и разрушении была сформулирована в томской школе физики твердого тела как концепция структурных уровней деформации твердых тел. Структурные уровни деформации относятся к классу мезоскопических масштабов. Поэтому в литературе их часто называют мезомасштабными уровнями деформации. При этом не всегда осознается, что мезоскопический подход является принципиально новой парадигмой, качественно отличной от методологии механики сплошной среды (макромасштабный подход) и теории дислокаций (микромасштабный подход).

Два прошедших десятилетия были связаны с интенсивной разработкой мезомасштабного подхода к исследованию пластической деформации и разрушения твердых тел. Они привели к формированию нового научного направления — физической мезомеханики. В СО РАН в данной области исследований принимают участие девять институтов: ИФПМ, ИТПМ, ИГиЛ, ИГД, ИГФ ОИГГиМ, ИЗК, ИНХ, ИК, ИХТТМ. В рамках интеграционных проектов работы ведутся совместно с ИПМ РАН и ИМЕТМ РАН. 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 раз в два года. Такие конференции были впоследствии проведены в Израиле, Китайской народной республике, Дании, Японии. Конференция «Mesomechanics’2004» будет проходить в Греции. С 1998 года в г. Томске на базе Института физики прочности и материаловедения СО РАН издается на русском и английском языках международный журнал «Физическая мезомеханика».

Экспериментальные и теоретические исследования мезоскопических структурных уровней деформации привели к качественно новой методологии описания деформируемого твердого тела как многоуровневой самосогласующейся системы. Формирующиеся на различных масштабных уровнях разориентированные субструктуры являются масштабным инвариантом. Это лежит в основе построения многоуровневой модели деформируемого твердого тела, в которой учитывается вся иерархия масштабов структурных уровней деформации.

Поверхностные слои и внутренние границы раздела играют важную функциональную роль в зарождении деформационных дефектов и рассматриваются как самостоятельные мезоскопические структурные уровни деформации.

Физика в мезомеханике представлена рассмотрением структурных превращений при зарождении деформационных дефектов и формировании разориентированных субструктур на различных мезомасштабных уровнях. В традиционных подходах теории дислокаций и механики сплошной среды вклад изменения внутренней структуры в сопротивление пластическому течению до сих пор не учитывался.

Многоуровневая модель деформируемого твердого тела в физической мезомеханике описывается полевыми уравнениями, которые качественно подобны уравнениям Максвелла в электродинамике. Это подобие имеет глубокий физический смысл, отражая волновой характер развития пластического течения по схеме «сдвиг + поворот».

Физическая мезомеханика прошла лишь начальный этап своего становления. В ближайшие десятилетия наиболее актуальными направлениями работ в области физической мезомеханики следует считать: разработку общей теории структурных фазовых переходов в деформируемом твердом теле на основе синергетических представлений неравновесной термодинамики и континуальной теории дефектов; построение механики структурно-неоднородных сред, адаптированной к инженерным расчетам материалов и конструкций; построение физической мезомеханики разрушения, разработку на ее основе методов диагностики нагруженных материалов и конструкций на стадии предразрушения и оценки их остаточного ресурса работы; приложение методов физической мезомеханики структурно-неоднородных сред к проблемам современного материаловедения, включая наноматериалы, тонкие пленки и многослойные структуры, поверхностное упрочнение и нанесение упрочняющих и защитных покрытий, функциональные материалы различного назначения; разработку методов моделирования и компьютерного конструирования материалов новых поколений на основе физической мезомеханики структурно-неоднородных сред; приложение методов физической мезомеханики к решению проблем геодинамики, тектоники, прогноза землетрясений.

Новая парадигма физической мезомеханики будет основой мультидисциплинарного подхода к решению актуальных проблем материаловедения в ряде областей науки и техники: физике, механике, химии, электронике, машиностроении, энергетике.

Рассмотрение в физической мезомеханике любой среды во внешнем поле как многоуровневой системы принципиально изменяет круг приложений данной науки и делает ее концептуально мультидисциплинарной. Приведем несколько примеров.

В докладе чл.-корр. РАН С. Алексеенко сообщалось о нелинейных волнах в тонких пленках жидкостей, стекающих по поверхности твердого тела. Эти нелинейные волны проявляются как потоки жидкости в виде двойных спиралей. В их основе лежит мезомеханика взаимодействия тонкой пленки текущей жидкости и неподвижного твердого тела. В мезомеханике материалов показано, что если в поверхностном слое твердого тела создать наноструктуру, то при растяжении такого твердого тела его наноструктурированные слои испытывают пластическое течение также по схеме двойных спиралей. Подобный механизм движения в виде нелинейных волн определяется мезомеханикой взаимодействия тонкого поверхностного слоя как вязкой среды и твердой кристаллической подложки. Мезомеханика нелинейных волн оказывается универсальной для многих явлений на поверхности, внутренних границах раздела, в тонких пленках и многослойных материалах для электроники. Данное направление в мезомеханике имеет многочисленные приложения в других науках.

При нагружении структурно-неоднородных сред важным мезоскопическим уровнем деформации является движение отдельных структурных элементов как целого по схеме «сдвиг+поворот». На их границах раздела происходит фрагментация материала, которая заканчивается возникновением разрывов среды. Подобные явления, сопровождающиеся землетрясениями, развиваются в геологических средах и описываются в геотектонике. В настоящее время в Институте геофизики СО РАН под руководством академика С. Гольдина проводится регулярный семинар по приложениям физической мезомеханики к проблемам геодинамики и геотектоники.

Наконец, законы физической мезомеханики управляют многими явлениями в живых организмах. В докладе акад. С. Багаева сообщалось о вихревом характере движения крови в аорте и лимфатической жидкости в лимфатических сосудах. Это явление изучается в совместных работах Института лазерной физики и ИТПМ СО РАН. Описать вихревое движение крови и лимфатической жидкости можно только рассмотрением многоуровневой системы «поток жидкости — стенка сосуда». В работах ИФПМ СО РАН показано, что подобное вихревое пластическое течение происходит и в наноструктурных твердых телах. При растяжении наноструктурной меди мезополосы локализованной деформации распространяются по схеме «сдвиг + локализованный вихрь + сдвиг +…». Такая нелинейная волна описывается системой уравнений типа уравнений Максвелла для распространения волн в диссипативной среде. Указанный тип движения характерен для многих сред, в которых имеется источник и необходимо обеспечить распространение потока на большие расстояния в сугубо диссипативной среде.

Конечно, для каждой среды характерна своя специфика. Но есть универсальные законы движения, которые и в XXI веке сохраняют механике лидирующие позиции как мультидисциплинарной науки о законах движения в окружающем нас мире.

стр. 7