ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ

ФИЗИЧЕСКАЯ МЕЗОМЕХАНИКА МАТЕРИАЛОВ
Гранты РФФИ «Ведущие научные школы»
(№ № 96-15-96094, 00-15-96174)
Руководитель научно-педагогического коллектива
Панин Виктор Евгеньевич, д.физ.-мат.н., профессор, академик РАН, почетный
работник высшей школы РФ.
Факультеты, кафедры (лаборатория)
Физический факультет, кафедра физики металлов.
Физико-технический факультет, кафедра механики деформируемого твердого тела,
кафедра теории прочности и проектирования.
Направления научных исследований научно-педагогического коллектива
По рубрикатору ГРНТИ
30.19 – Механика деформируемого твердого тела.
29.19.13 – Механические свойства твердых тел.
По рубрикатору ВАК
01.02.04 – Механика деформируемого твердого тела.
01.04.07 – Физика конденсированного состояния.
Направления подготовки инженеров, бакалавров и магистров
010400 – Физика.
510400 – Физика.
553300 – Прикладная механика.
Состав коллектива
Всего – 42, в том числе:
академиков и членов-корреспондентов РАН – 1,
академиков и членов-корреспондентов других государственных академий – 4,
заслуженных деятелей науки и лауреатов государственных премий – 1,
докторов наук – 20,
кандидатов наук – 17.
Ведущие представители коллектива
Псахье Сергей Григорьевич, д.физ.-мат.н., профессор.
Кульков Сергей Николаевич, д.физ.-мат.н., профессор.
Макаров Павел Васильевич, д.физ.-мат.н., профессор.
Кузнецов Владимир Михайлович, к.физ.-мат.н., доцент.
Гриняев Юрий Васильевич, д.физ.-мат.н., профессор.
Основные научные результаты, полученные в течение последних пяти лет
Развит новый подход к описанию пластической деформации и разрушения
твердых тел. Экспериментально и теоретически показано, что пластическая
деформация в нагружаемом твердом теле развивается стадийно как эволюция
масштабных уровней потери сдвиговой устойчивости. Механизмы деформации, их
носители в стадии кривой «напряжение – деформация» на различных масштабных
уровнях подчиняются принципу масштабной инвариантности. Каждая стадия
характеризуется самоорганизацией свойственных ей элементов мезосубструктур и в
точке бифуркации сменяется стадией более высокого масштабного уровня.
Разрушение классифицируется как глобальная потеря сдвиговой устойчивости на
макромасштабном уровне (монография «Physical Mesomechanics of Heterogeneous
Media and Computer-Aided Design of Materials», Cambridge Interscience Publishing,
1998).
Теоретически и экспериментально показано, что в нагруженной структурнонеоднородной среде в приграничных зонах внутренних границ раздела возникает
осцилляция локальных напряжений и деформаций, амплитуда которых существенно
превышает их средние значения в объеме материала. На микромасштабном уровне
такие осцилляции напряжений рождают потоки дислокаций, на мезомасштабном
уровне — протяженные мезополосы деформации, на макромасштабном уровне –
стационарное распределение макрополос локализованной деформации и разрушение
материала (Theor. & Appl. Fracture Mechanics, 1998; Phys. Mesomech., 1998, 2000).
Разработан новый вычислительный метод – метод подвижных клеточных
автоматов — для изучения закономерностей деформации и разрушения материалов на
мезо- и макроуровнях. Путем введения пространственной переменной (перекрытия
автоматов) в формализм классического метода клеточных автоматов получены
уравнения движения и проведено строгое обоснование метода. Уравнения по
физическому смыслу и виду совпадают с уравнениями движения Ньютона для
многочастичного взаимодействия. Данный метод особенно эффективен для оценки
несущей способности хрупких материалов. Показано, что потеря несущей
способности конструкций типа бетона происходит в результате формирования
макроконцентратора
напряжений.
Повреждения,
генерируемые
в
зонах
мезоконцентраторов, не сказываются катастрофически на несущей способности
образца (Письма в ЖТФ, 1997, 1998).
На основе физической мезомеханики проведено систематическое теоретическое
и экспериментальное исследование механизмов деформации и разрушения
поверхностно упрочненных материалов. Впервые показано, что предсказанные
мезомеханикой концентраторы напряжений на внутренней границе раздела
«упрочненный слой – подложка» приводят к накоплению локальной пластической
деформации в подложке, формированию в объеме материала аккомодационных
деформационных доменов и зарождению внутренних микротрещин в упрочненном
слое. Эволюция этих процессов обусловливает развитие мезополос локализованной
деформации и формирование в пластичном материале подложки фрагментированной
мезоструктуры, по границам которой распространяется магистральная трещина при
разрушении. Размеры фрагментов, их повороты и смещения как целых определяются
совокупностью геометрических и физических параметров упрочненного слоя и
матрицы. Выявлена общность физических процессов, развивающихся в приграничных
областях, показана ключевая роль поворотов фрагментов мезоструктуры в
деформации и разрушении поверхностно упрочненных материалов. Развиты методы
теоретического описания, позволяющие численно смоделировать эти процессы.
Выработаны рекомендации по формированию границ раздела, позволяющие
увеличить ресурс работы поверхностно упрочненных материалов (Изв. вузов. Физика,
1999).
Научная группа академика В.Е. Панина возглавляет направление «Дизайн
(компьютерное конструирование) материалов и композиционные материалы» (проект
401-14(00)-П) в ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям
развития науки и техники гражданского направления», подпрограмма «Новые
материалы».
Патенты  35.
Важнейшие публикации членов коллектива
Монографии – 7, учебники – 3, статьи – 780, в т.ч. в центральных журналах – 560.
1. Balokhonov R.R., Stefanov Yu.P., Makarov P.V., Smolin I.Yu. Deformation and fracture of
surface-hardеned materials at meso- and macroscale levels // Theor. Appl. Fracture Mech.
2000. Vol. 33, № 1. P. 9–16.
2. Makarov P.V. Localized deformation and fracture of polycrystals at mesolevel // Theor.
Appl. Fracture Mech. 2000. Vol. 33, № 1. P. 23–30.
3. Makarov P.V., Schmauder S., Cherepanov O.I., Smolin I.Yu., Romanova V.A.,
Balokhonov R.R., Saraev D.Yu., Soppa E., Kizler P., Fischer G., Hu S., Ludwig M.
Simulation of elastic plastic deformation and fracture of materials at micro-, meso-, and
macrolevels // Theor. Appl. Fracture Mech. 2001. Vol. 37, № 1–3. P. 183–244.
4. Meisner L.L., Sivokha V.P., Lotkov A.I., Derevyagina L.A. Surface morphology and plastic
deformation of the ion implanted TiNi alloy // Physica B. 2001. Vol. 1–4, № 307. P. 251–
257.
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. Prospects of Mesomechanics in the 21st Century / Ed. by G.C. Sih, V.E. Panin. Amsterdam:
Elsevier Science, 2001. 410 p.
7. Дерюгин Е.Е. Метод элементов релаксации. Новосибирск: Наука, 1998. 252 с.
8. Макаров П.В. Подход физической мезомеханики к моделированию процессов
деформации и разрушения // Физическая мезомеханика. 1998. Т. 1, № 1. С. 61–81.
9. Панин В.Е. Методология физической мезомеханики как основа построения моделей в
компьютерном конструировании материалов // Изв. вузов. Физика. 1995. Т. 38, № 11.
С. 6–25.
10. Панин В.Е. Синергетические принципы физической мезомеханики // Физическая
мезомеханика. 2000. Т. 3, № 6. С. 5–36.
11. Панин В.Е., Панин С.В., Мамаев А.И. Деформационные домены на мезоуровне в
деформируемом твердом теле // Доклады РАН. 1996. Т. 350, № 1. С. 35–38.
12. Псахье С.Г., Остермайер Г.П., Дмитриев А.И. и др. Метод подвижных клеточных
автоматов как новое направление дискретной вычислительной механики. I.
Теоретическое описание // Физическая мезомеханика. 2000. Т. 3, № 2. С. 5–14.
13. Псахье С.Г., Хори Я., Коростелев С.Ю. Метод подвижных клеточных автоматов как
инструмент для моделирования в рамках физической мезомеханики // Изв. вузов.
Физика. 1995. Т. 38, № 11. С. 58–69.
14. Физическая мезомеханика и компьютерное конструирование материалов: В 2 т. / Под
ред. В.Е. Панина. Новосибирск: Наука, 1995. Т. 1. 298 с., Т. 2. 320 с.
Участие в течение последних трех лет в
научно-технических программах:
международных – 3,
федеральных – 2.
Международных проектах – 7.
Победы в конкурсе грантов – 15.
Подготовка кадров высшей квалификации за последние девять лет
Всего аспирантов – 78, из других вузов – 5.
Всего докторантов – 4, из других вузов – 1.
Защит докторских – 16. Защит кандидатских – 63.
Общественное признание научно-педагогического коллектива
Международные и государственные премии, научные медали
Медаль РАН по итогам 12-го конкурса 2000 г. на соискание молодежных медалей
РАН.
Премия им. академика В.А. Коптюга (2002 г.).
Медали и дипломы выставок, конференций и т.д.
Государственные научные стипендии для ученых – 2.
Государственные научные стипендии для молодых ученых – 5.
Премия администрации Томской области в сфере науки и образования – 7.
Соросовский профессор – 1.
Соросовский доцент – 1.
Соросовский аспирант – 5.
Медали и дипломы выставок – 25.
Членство в различных российских и зарубежных научных организациях
Панин В.Е. – член Координационного совета по техническим наукам РАН, член
Научного совета по проблеме «Надежность, ресурс и безопасность технических
систем» РАН, член Объединенного научного совета по комплексной проблеме
«Машиностроение» РАН, член Научного совета по физике металлов и сплавов РАН,
член Объединенного ученого совета СО РАН по механике, энергетике и горным
наукам, член Совета по новым материалам Минпромнауки РФ, член
Межгосударственного координационного совета по физике прочности и пластичности
материалов.
Псахье С.Г. – член Межгосударственного координационного совета по физике
прочности и пластичности материалов.
Лотков А.И. – член Объединенного ученого совета СО РАН по механике,
энергетике и горным наукам, член Межгосударственного координационного совета
по физике прочности и пластичности материалов.
Хон Ю.А. – член Объединенного ученого совета СО РАН по механике,
энергетике и горным наукам, член Межгосударственного координационного совета
по физике прочности и пластичности материалов.
Кузнецов В.М. – член Президиума Учебно-методического отделения «Физика»
при Министерстве образования России.
Кульков С.Н. – член «DYMAT-association» (Франция), член American Ceramic
Society.
Почетные звания
Панин В.Е. – заслуженный деятель науки РФ.
Панин В.Е., Кузнецов В.М. – почетный работник ВШ.
Связь с другими организациями
Российская академия наук
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН,
Институт теоретической и прикладной механики СО РАН,
Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН,
Институт геологии нефти и газа СО РАН,
Институт механики сплошных сред УрО РАН,
Институт физики металлов УрО РАН,
Институт физики твердого тела РАН,
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова,
Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН.
Другие государственные академии
Институт ортопедии и медицинского материаловедения СО РАН.
Отраслевые научные организации
ВНИИНМ им. Бочвара,
НИКИ Сибирского химического комбината (Минатом РФ),
ВНИИГАЗ (г. Москва).
Высшие учебные заведения
Московский государственный университет,
Томский политехнический университет,
Томский архитектурно-строительный университет,
Алтайский государственный университет,
Пермский государственный технический университет,
Хакасский государственный университет.
Деятельность научно-педагогического коллектива в области
Открытия новых специальностей
510403  «Физика конденсированного состояния».
553302  «Механика деформируемого твердого тела».
553303  «Вычислительная механика».
Создания новых учебных дисциплин
Неравновесная термодинамика и процессы самоорганизации в сильно неравновесных
системах.
Дискретные методы моделирования в физике твердого тела.
Микромеханика деформируемого твердого тела.
Динамические задачи механики деформируемого твердого тела.
Полевая теория дефектов.
Технология создания материалов и покрытий.
Разработки учебных программ
Разработано 27 программ к учебным курсам.
Организации симпозиумов, конференций
Международная конференция «Компьютерное конструирование перспективных
материалов и технологий» (раз в 2 года).
Международная конференция «Мезомеханика» (раз в 2 года).
Всероссийская конференция молодых ученых «Физическая мезомеханика
материалов» (ежегодно).
Всероссийская студенческая конференция по физике твердого тела (раз в 2 года).
Материально-техническая база, имеющаяся в распоряжении коллектива
Современная локальная компьютерная сеть Института физики прочности и
материаловедения СО РАН, которая состоит из 73 компьютеров класса Pentium, а
также из двух серверов IBM-325, двух рабочих станций Sun SPARC Server 5 и Classic
и двух высокопроизводительных станций SunUltra II и SunUltra30 (сеть соединена с
компьютерной сетью ТГУ системой телекоммуникаций).
Оборудование для механических испытаний материалов в различных условиях
нагружения (испытательные машины Schenck, Instron, ИМАШ).
Установки неразрушающего контроля TOMSC, ALMEC для исследования
накопления повреждений в материалах при испытаниях и эксплуатации.
Структурно-аналитический комплекс исследования материалов, включающий
два современных просвечивающих электронных микроскопа, два растровых
электронных микроскопа с возможностью элементного анализа, туннельный
микроскоп, пять приборов оптического исследования поверхности, десять установок
рентгенографического исследования материалов, высокоразрешающий анализатор
элементного состава тонких пленок и поверхностных слоев с использованием массспектрометрии вторичных ионов, установка по ядерной гамма-резонансной
спектроскопии, серия экспериментальных установок для изучения упругих,
прочностных и других физических свойств металлов и сплавов в широком (77–
1 500 К) интервале температур.
Комплекс оборудования для реализации совмещенной технологии высокодозной
ионной имплантации и ионно-плазменного напыления.
Технологический комплекс получения материалов, в том числе порошковых и
СВС композиционных, функциональных, градиентных, а также монокристаллов
многокомпонентных сплавов, интерметаллидов и материалов с памятью формы.
Технологическое оборудование для поверхностного упрочнения и модификации
материалов.
Контактные адреса и телефоны
634050, Томск, пр. Ленина, 36, ТГУ, ФФ.
Телефон (382-2)-410151, факс (382-2)-410151, E-mail [email protected]