периментальных исследований автора, основой которых является эргодинамика деформируемых тел – новая концепция, основанная на синтезе механики и физики деформируемых тел, термодинамике необратимых процессов, физикохимической кинетике и теории дислокации в их диалектическом единстве. Совместно с основными положениями механики, физики и термодинамики деформируемых тел эргодинамическая концепция прочности и разрушения является хорошей основой синергетики деформируемых тел.

Книга предназначена для преподавателей и студентов старших курсов ву-

зов, научных работников, аспирантов и инженеров заводских лабораторий.

Ил. 12, табл. 3, список лит. – 169 наименований.

Монография рекомендована к изданию методической комиссией механи-

ко-технологического факультета 19 апреля 2011 г., протокол №8.

ISBN 978-5-94826-327-4

профессор Василий Васильевич Фёдоров попросил меня издать обобщения его творческих записей и убеждений. В его личном плане были расписаны шесть частей. Первая часть этих планов представлена в этой книге.

Специалистам в области общих проблем прочности хорошо известна

термодинамическая теория прочности и разрушения твердых тел с критерием предельного состояния – плотностью внутренней накопленной энергии – В.В. Фёдорова.

По мере исследований проблемы термодинамический метод, органично

развиваясь, преобразуется в эргодинамику деформируемых тел – комплексную теорию как синтез наиболее общих законов термодинамики необратимых процессов, молекулярной кинетики и теории дислокаций в их взаимной диалектической связи на базе наиболее общего закона природы – закона сохранения энергии при ее превращениях.

Исследователи данной области знаний всегда отмечали высокую физи-

ческую обоснованность этой теории и ее междисциплинарные свойства. Василий Васильевич полагал, что сближение двух современных и равноправных научных направлений к проблеме – механико-математического и физикоматериаловедческого – возможно лишь на пути энергетической интерпретации напряженно-деформированных состояний элемента твердого тела. Поэтому, обладая высоким уровнем грамотности в области как механических, так и физических аспектов проблемы деформируемого твердого тела, он настойчиво развивал именно междисциплинарность общей теории прочности и повреждаемости, отсюда его серьезный интерес к синергетическому призыву современности.

Как исследователь и педагог я с большой радостью и плодотворно ис-

пользую основы эргодинамики деформируемых тел в научно-педагогической практике. Молодые люди доверительно принимают эту философию энергетической диалектики (конкурентности). Поэтому можно надеяться, что курс лекций найдет современного и пытливого читателя. Это действительно серьезная отечественная инновация достойная нашей интеллектуальной молодежи.

Приносим искреннюю благодарность академику Национальной академии наук Украины (Институт проблем прочности НАНУ им. Г.С. Писаренко) Анатолию Алексеевичу Лебедеву и профессору Калининградского государственного технического университета Борису Аркадьевичу Альтшулю за поддержку работы с доброжелательными замечаниями и пожеланиями.

Сергей Васильевич Фёдоров

ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы получила признание и широкое распространение междисциплинарная область знаний – синергетика, изучающая различные процессы и явления в различных кооперативных системах (физической, химической, биологической, социальной и другой природы).

Синергетика не имеет собственного предмета исследований, это лозунг, призыв к интегральному подходу исследований различных кооперативных систем.

Синергетика это не новое мировоззрение, как предполагают некоторые авторы и исследователи, это новая методология, основанная на интегральном подходе к проблеме исследования различных кооперативных систем. Это методология зародилась в начале 70-х годов и её название происходит от греческого слова «synergeticos», что означает согласованно действующий, совместный.

Профессор из ФРГ Герман Хакен, впервые вводит в науку этот новый термин, так сформулировал направление своей работы [1]: «Информацию, перегружённую огромным количеством деталей, затемняющих существо дела, необходимо сжать, превратить в небольшое количество законов, концепций или идей. Синергетику можно рассматривать как одну из таких попыток».

Хорошо известно, что наиболее общими и фундаментальными законами, справедливыми для кооперативных систем любой природы, являются законы термодинамики и статистической физики.

Для кооперативных систем конкретной природы (физической, химической, биологической и др.) имеются также свои конкретные и специфические концепции и законы. Например, для деформируемых тел такими специфическими являются законы теорий упругости и дислокаций. Комплексное применение этих законов в их диалектическом единстве является весьма важным и перспективным. К этому призывает новое методологическое направление в науке – синергетика. Многие считают, что синергетика это наука о самоорганизации кооперативных систем различной природы. Но это не совсем точно. Строго говоря – это совсем не точно. Самоорганизация кооперативных систем является одним из многих аспектов синергетики. В предисловии к своей книге [1] Г. Хакен писал: «Я назвал новую дисциплину синергетикой не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов системы, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин». На протяжении последних 25 лет автор монографии занимается комплексным подходом к проблеме прочности и пластичности, в основу которой положены законы механики и физики деформируемых тел, термодинамические, молекулярно-кинетические и дислокационные представления в их диалектическом единстве. Развиваемый нами подход к проблеме был назван эргодинамикой деформируемых тел [2]. Очевидно, в силу отмеченных выше мето-

дологических особенностей (предпосылок) поставленной задачи, развиваемый в наших работах подход можно также назвать синергетикой деформируемых тел. Однако существо проблемы не в словах и терминах. Таким образом, эргодинамика деформируемых тел представляет собой одну из попыток установления взаимной связи теории динамических систем, термодинамики необратимых процессов и статистической физики для решения широкого класса процессов и явлений в различных кооперативных системах. Можно надеяться, что эргодинамика внесёт свой вклад в дело взаимопонимания и дальнейшего развития современной науки о прочности. Представляется, что эргодинамику и синергетику деформируемых тел следует рассматривать не как конгломерат различных дисциплин, а как единичную научную теорию (концепцию), разделяющуюся, разумеется, на различные направления.

Узбекистан, Ташкент, 1991 г.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема прочности и разрушения твердых тел является комплексной, междисциплинарной проблемой. Различные ее аспекты относятся к компетенции механики сплошных сред и физике твердого тела, физико-химической механике материалов и материаловедения, термодинамики необратимых процессов и статистической физики и др. Несмотря на общность целей и задач, основное содержание и методы исследования данной проблемы физикохимиками, механиками и математиками, материаловедами весьма различны. За многовековую историю, начиная от Ньютона, Герца и Максвелла и до настоящих дней, развитие науки о прочности шло по пути широкой дифференциации и узкой специализации. Это не только дань сложности и многогранности проблемы, но и формальный подход к науке о прочности, обусловленный бурными темпами научно-технического прогресса, требующего быстрого решения многих частных прикладных задач. Однако если раньше дифференцированный и узкоспециализированный подход к проблеме был прогрессивным и оправданным, то в настоящее время такое состояние науки о прочности является не допустимым, сдерживающим темпы научно-технического прогресса. Несмотря на крупные успехи, достигнутые в науке о прочности, мы еще далеки в настоящее время от полного овладения знаниями о поведении реальных деформируемых тел в разнообразных условиях их нагружения. Накопленный в области проблемы прочности огромный теоретический и экспериментальный материал трудно поддается обобщению, а инженеры-конструкторы и проектировщики не в состоянии использовать результаты этих исследований, поэтому до последнего времени в науке о прочности господствует дух и методы теории упругости, назначаются неправдоподобные высокие коэффициенты запасов прочности и долговечности, еще высока материалоемкость и низка надежность деталей и изделий. Далека от удовлетворительного решения проблема расчетов деталей машин на равнопрочность и заданный ресурс, оптимизации технологических процессов создания материалов, термической и механической обработки изделий по параметрам работоспособности (прочности, надежности, долговечности). Бурное развитие научно-технического прогресса, использование в народном хозяйстве широкого класса новых материалов, специфические и экстремальные условия работы машин и изделий обуславливают значительно повышенный интерес к проблеме прочности. Для современного этапа развития механики и физики деформируемых тел значителен интерес к общим проблемам, связанным с обобщением и интеграцией достижений науки о прочности, разработкой общего и универсального подхода к проблеме. Задача эта фундаментальная и весьма сложная, связана она с кардинальными изменениями в методологическом, философском подходе к науке вообще и проблеме прочности в частности. Залогом успехов этому является единство физической картины мира. Решение данной фундаментальной проблемы требует обобщенного меж-

дисциплинарного подхода на основе законов механики, физики, термодинамики и материаловедения. В последние годы в науке получила признание и широкое распространение междисциплинарная область знаний – синергетика, которая пытается найти наиболее общие идеи и методы исследования динамических коллективных процессов и явлений в различных многокомпонентных системах, находящихся в неравновесном состоянии [1]. Это направление зародилось в начале

70-х годов, и его название, введенное Хакеном, происходит от греческого слова «synergeticos», что означает «согласованно действующий, совместный». Синергетика не имеет собственного предмета исследований – это лозунг,

призыв к совместному, интегральному подходу к исследованиям в различных областях знаний на основе наиболее общих идей, фундаментальных принципов и законов. Синергетика объединяет и использует эти подходы и принципы в различных областях знаний – физике, химии, биологии, социологии, космологии и др. В естествознании применительно к конденсированным средам наиболее общими и фундаментальными являются законы механики и физики деформируемых тел, термодинамики необратимых процессов, статистической физики и физико-химической кинетики, материаловедения. Однако до последнего времени они использовались в отрыве друг от друга. Синтез этих подходов, принципов и законов и применение их в диалектическом единстве чрезвычайно важны и перспективны при решении проблемы прочности деформируемых тел.

В отличие от традиционных подходов синергетика фокусирует внимание на необратимых процессах, протекающих в открытых существенно неравновесных системах, обменивающихся энергией и веществом с окружающей средой.

В таких системах возникают сильновозбужденные состояния, их поведение становится сугубо нелинейным, в них появляются метастабильные и диссипативные структуры [3]. Принципиально важным в этом подходе является то, что для материальных систем в сильновозбужденном состоянии пластическую деформацию, повреждаемость и разрушение деформируемых тел следует рассматривать на основе кинетических законов поведения существенно неоднородных, сильно неравновесных систем, претерпевающих структурные превращения (фазовые переходы первого рода). В сильновозбужденном состоянии в материальной системе возникают сверхвысокая интенсивность диффузионной подвижности атомов и аномально высокий массоперенос, аномально низкая вязкость и сверхпластичность, гидродинамический характер течения и самоорганизация диссипативных структур.

В реальных условиях существует много способов создания в кристаллах сильновозбужденных (атом-вакансионных) состояний, в результате различных внешних воздействий (термических, механических, электрических, облучением и т.п.). Однако суть этих воздействий одна – в кристалл закачивается избыточная энергия, которая аккумулируется в виде сильновозбужденных (атомвакансионных) состояний. Переход кристалла из возбужденного состояния в нормальное может происходить (в зависимости от условий) путем распада на

смесь кристаллической и аморфной фаз (фазовый переход первого рода), испусканием потоков точечных дефектов, зарождения подвижных дислокаций (солитонные решения) и др. [4, 5]. Столь уникальные свойства металлических материалов в сильно возбужденном состоянии получили экспериментальное обоснование в работах [3, 6-16].

При самоорганизации диссипативных структур основная роль отводится неравновесным фазовым переходам порядок-беспорядок (кристалл-аморфная фаза) и аномально высокой диффузионной подвижности атомов в материальных системах в существенно неравновесном (сильновозбужденном) состоянии [3].

Наибольшее внимание в последние годы уделяется синергетическим аспектам самоорганизации диссипативных структур в процессе усталостного разрушения металлов. Этой проблеме была посвящена IX Всесоюзная конференция по усталости, основные материалы которой опубликованы в специальном сборнике [17].

В монографию включены оригинальные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора, выполненные за последние 20 лет. Основой этих исследований является эргодинамика деформируемых тел – новая концепция, основанная на синтезе механики и физики деформируемых тел, термодинамике необратимых процессов, физико-химической кинетике и теории дислокаций в их диалектическом единстве. Эргодинамика в отличие от классической термодинамики впервые рассматривает кинетику энергетических изменений в деформируемых объемах элемента твердого тела интегрально характеризующих дуализм и конкуренцию адаптивных и диссипативных процессов.

Обсуждается адекватность и равноправность энергетического и энтропийного подходов к проблеме. Приводятся уникальные результаты комплексных экспериментальных исследований закономерностей и энергетического баланса процесса пластической деформации, повреждаемости и разрушения ши- рокого круга металлических материалов в различных структурных состояниях, которые дают богатую и ценную информацию о механизмах и физической сущности процесса, а также подтверждающие основные положения эргодинамики деформируемых тел.

Совместно с основными положениями механики, физики и термодинамики деформируемых тел эргодинамическая концепция прочности и разрушения является хорошей основой синергетики деформируемых тел. В монографии с единых позиций синергетики деформируемых тел рассмотрено решение широкого класса инженерных задач, относящихся к механике и физике деформируемых тел, материаловедению, трению и износу, оптимизации технологических процессов изготовления деталей машин и конструкций.

1 / 161 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

ВВЕДЕНИЕ