Введение к работе
Актуальность темы. До недавнего времени исследование процессов пластической деформации и разрушения проводилось на основе двух традиционных подходов: механики сплошной среды (макроуровень) и теории дислокаций (микроуровень). В рамках обоих подходов были всесторонне изучены носители, механизмы и закономерности деформации, качественно объяснено поведение деформируемого твердого тела в различных условиях нагружения. Однако многочисленные попытки количественно описать кривую пластического течения на основе теории дислокаций, объяснить механизм зарождения дислокаций и поведение сложных дислокационных ансамблей натолкнулись на непреодолимые трудности.
Пятнадцать лет назад было выдвинуто положение о том, что в деформируемом твердом теле необходимо рассматривать иерархию структурных уровней деформации. На мезомасштабных уровнях носителями деформации являются трехмерные мезообъемы, которые перемещаются по схеме "сдвиг+поворот". Систематическое исследование структурных уровней деформации привело к созданию нового научного направления - физическая мезомеханика материалов. В рамках данного подхода деформируемое твердое тело рассматривается как многоуровневая система, в которой микро-, мезо-н макромасштабные уровни органически взаимосвязаны. Данный подход оказался особенно актуальным для многих практически важных задач, поскольку условия эксплуатации многих конструкций и деталей машин определяют развитие в них с самого начала нагружения процессов деформации мезомасштабного уровня (сложная конфигурация деталей, наличие сварных соединений, упрочняющие и защитные покрытия, композиционные материалы, циклическое нагружение и т. д.). Проведение экспериментальных исследований пластігческой деформации и разрушения на мезоуровне потребовало создания новых аппаратных и программных средств, в качестве которых могут выступать методы и средства технического зрения, включающие автоматизированные измерительные комплексы, способные оперативно выполнять обработку больших объемов видеоинформации, производить высокоточные измерения, качественно и наглядно представлять полученные результаты.
Цель и задачи работы: Создание методов, алгоритмов, аппаратных и программных средств для обработки оптико-телевизионных изображений с целью получения качественной и количественной оценок процессов, развивающихся в деформируемом твердом теле на мезоуровне, а также проведение таких исследований на образцах
поликристаллического алюминия с модифицированными
поверхностными слоями.
Это определило поставленные в работе задачи:
разработать метод количественной оценки изменения состояния поверхности путем анализа ее оптических изображений, а также структурную схему оптико-телевизионной измерительной системы и на ее основе реализовать два варианта исследовательского комплекса (на базе оптического и растрового электронного микроскопов);
разработать опытный образец устройства ввода изображения из растрового электронного микроскопа (РЭМ) в персональную ЭВМ;
создать пакет программ для вычисления векторов смещений и компонентов тензора дисторсии по оптическим изображениям оптико-телевизионного комплекса "TOMSC", а также пакет программ для оценки характера мезосубструктуры на поверхности нагруженного материала по значению ее фрактальной размерности;
провести экспериментальные исследования механизмов деформации образцов поликристаллического алюминия с различным состоянием поверхности: естественная окисная пленка, ионная имплантация атомов никеля, керамическое покрытие, а кроме того характера и стадийности мезосубструктуры на поверхности деформируемых образцов алюминия и дуралюмина Д16АТ по значению фрактальной размерности их поверхности.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Обоснование возможности анализа процессов пластической
деформации на мезоуровне и разрушения методами технического
зрения.
-
Алгоритмы вычисления векторов смещений и компонентов тензора дисторсии, применяемые в оптико-телевизионной измерительной системе для количественной оценки изменения состояния поверхности.
-
Алгоритмы оценки характера мезосубструктуры на поверхности деформируемого образца путем вычисления ее фрактальной размерности.
-
Структурная схема оптико-телевизионной измерительной системы и функциональная схема устройства ввода изображения из РЭМ в персональную ЭВМ.
-
Механизмы и закономерности пластической деформации на мезоуровне образцов технического алюминия, поверхностно упрочненного (ионной имплантацией никеля) алюминия и алюминия с керамическим покрытием: возникновение в деформируемом техническом алюминии поверхностных стационарных волн пластической деформации микронного диапазона и обусловленной ими мезосубструктуры; влияние на них
имплантации в поверхность атомов никеля; возникновение деформационных доменов и фрагментация как основной механизм деформации на мезомасштабных структурных уровнях; подтверждение закона подобия в иерархии масштабных уровней деформации и интерпретация стадии IV микромасштабного уровня как стадии I макромасштабного уровня. 6. Стадийность изменения фрактальной размерности от степени деформации образца при активном растяжении и знакопеременном нагружении образца.
Научная новизна. В работе впервые:
обоснована возможность применения методов технического зрения для анализа процессов пластической деформации на мезоуровне и разрушения твердых тел;
созданы алгоритмы и программы для анализа параметров пластической деформации на мезомасштабном уровне и измерений изменения состояния поверхности;
разработаны структурные схемы оптико-телевизионного измерительного комплекса и устройства ввода изображения из РЭМ в персональную ЭВМ;
обнаружено влияние естественной окисной пленки АІАз на техническом алюминии на его пластическое течение на мезоуровне;
исследовано влияние модификации поверхностного слоя поликристаллического алюминия ионной имплантацией атомов никеля на процессы пластической деформации на мезоуровне;
изучены закономерности и механизмы пластической деформации технического алюминия с пористым керамическим покрытием на мезо- и макромасштабном уровнях.
Практическая ценность.
варианты реализации исследовательских оптико-телевизионных измерительных систем и опытный образец устройства ввода изображения из РЭМ в персональную ЭВМ;
программное обеспечение для вычисления компонентов тензора пластической дисторсии, фрактальной размерности, алгоритм (подпрограмма) расчета векторов смещений.
результаты экспериментальных исследований на мезоуровне могут быть использованы при разработке оптимальных покрытий и режимов упрочнения поверхности с целью повышения эксплуатационных свойств конструкционных и инструментальных материалов.
программы для оценки фрактальной размерности поверхности могут быть использованы для неразрушающего контроля состояния нагруженных материалов и конструкций.
Внедрение работы. Результаты диссертации использовались при выполнении государственных научных программ и международных соглашений, что подтверждено в двух актах внедрения. Общая сумма средств от внедрения результатов работ, описанных в данной диссертации, составила 242,5 млн. рублей. При этом доля автора составляет 47,1 млн. рублей.
Аппробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались на следующих конференциях: "MESOPRACTURE '96" (Томск, Россия, 1996); "Распознавание-95" (Курск, Россия, 1995); "Конверсия вузовской науки Сибири - международному сотрудничеству" (Сибконверс'95). (Томск, Россия, 1995); "Физика прочности и пластичности материалов". (Самара, Россия, 1995); "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии: РОАИ-2-95" (Ульяновск, Россия 1995); "Advanced Materials and Processes": Third Russian - Chinese Symposium (Kaluga, Russia, 1995); "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (Курск, Россия, 1993); Международный конгресс "Защита-95" (Москва, Россия, 1995); II Международный симпозиум по трибофатике (Москва, Россия, 1996); "CADAMT-95" (Томск, Россия, 1995); РМ2ТЕС95 "International Conference on Powder Metallurgy and Particular Materials" (Seattle, USA, 1995); Die gemeinsame Jahrestagung der Deutschen, der Osterreichischen und der Schweizerischen Gesellschaft fur Biomedizinische Technik (Zurich, Switzerland, 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, четырех приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 240 страниц, включая 55 рисунков, 4 таблицы, библиографический список содержит 127 наименований.
