ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Предисловие ответственного редактора из "Синергетика и фракталы в материаловедении " Монография посвящена новому научному направлению в материаловедении — управлению структурообразованием в расплавах и сплавах с использованием свойств открытых систем, находящихся вдали от термодинамического равновесия и связанных с самоорганизацией диссипативных структур. Теорией этого вопроса занимается синергетика. Другая особенность монографии — объединение подходов синергетики с теорией фрактальных ст )уктур, количественной мерой которых является фрактальная размерность. [c.3] Использование новых представлений для описания сложных структур позволяет поднять на новую ступень моделирование физико-химических процессов при получении новых материалов. Применение принципов синергетики и теории фрактальных структур дает возможность ввести в этот анализ степень неравновесности системы и описать эволюцию процессов самоорганизации структур. Это служит базой для получения сплавов с заданными свойствами. В монографии показана возможность дальнейшего улучшения физико-механических свойств сплавов путем их получения в неравновесных условиях, отвечающих самоорганизации фрактальных структур. [c.3] В книге рассмотрены методы повышения степени неравновесности системы — инжекционная и ультразвуковая обработка расплавов, комплексное легирование, сверхбыстрое охлаждение жидкого металла (аморфные сплавы), электростимулированная прокатка, негидростатическое сжатие (механическое легирование) и др. Оптимизация физикохимических процессов получения сплавов в неравновесных условиях связана с установлением параметров неустойчивости системы. В книге предлагается метод многопараметрической оптимизации фрактальной структуры конструкционных сплавов, позволяющий учесть наиболее благоприятное сочетание прочности и пластичности материала для будущих условий его службы. Заслуживает внимание и метод прогнозирования характеристик жаропрочности, трещиностойкости и хладостойкости на основе данных традиционных испытаний на растяжение и усталость гладких образцов. [c.3] Можно надеяться, что монография будет полезной для специалистов различного профиля, решающих актуальные задачи материаловедения. [c.3] Развитие техники требует опережающего развития материаловедения. В условиях, когда временной разрыв между идеей конструктора и ее воплощением должен быть минимальным, основной задачей материаловедения становится создание материалов с заданными свойствами, что в эпоху информатики, кибернетики и средств вычислительной техники представляется вполне реальным. Первоочередной задачей становится моделирование материалов с использованием триады модель—алгоритм— программа, обладающей уникальными возможностями прогнозирования оптимальных материалов и широкого использования математических методов решения металлургических задач. В последние годы созданы новые материалы (аморфные, с памятью формы, функционально-градиентные и др.) и новые технологии, связанные, главным образом, с неравновесными условиями получения материалов. [c.4] Методологической основой получения материалов с заданными свойствами являются принципы синергетики, в соответствии с которыми эффективное управление свойствами материалов и их оптимизация возможны только в условиях самоорганизации структур. Исследования последних лет показали, что самоорганизующиеся структуры обладают свойствами фрактальности, т.е. они могут быть количественно описаны с помощью фрактальной размерности. [c.4] В настоящей монографии рассмотрены принципы синергетики (гл. 1) и дан обзор исследований фрактальных структур (гл. 2). На основе этого пластическая деформация металлов и сплавов анализируется с позиций механизмов диссипации энергии (гл. 3), при этом деформируемое тело рассматривается как система, находящаяся далеко от термодинамического равновесия (эти представления впервые были введены И.И. Новиковым). Предложена методология определения инвариантных комплексов механических свойств, связанных с диссипативными свойствами материалов в точках бифуркаций (гл. 4). [c.4] В главах 5—7 с позиций синергетики и теории фрактальных структур дается анализ управления структурообразованием путем легирования и различных видов обработки (гл. 5), сверхбыстрой закалки (гл. 6) и негидростатического давления, позволяющего осуществлять процесс механического легирования (гл. 7). Этот анализ в значительной мере основывается на разработках Института металлургии им. А.А. Байкова РАН, связанных с получением новых материалов (аморфных, с памятью формы, высокопрочных, механически легированных сплавов крупных монокристаллов и др.) и исследованием их структуры и свойств, в том числе эволюции дислокационной структуры при деформации. [c.4] Авторы осознают, что в монографии, написанной на стыке наук, ряд утверждений могут носить дискуссионный характер, особенно заключение о возможности получения сплавов с заданными свойствами на основе принципов синергетики. Это заключение следует рассматривать скорее как постановку задачи. [c.5] Блинову, а также докторам физико-математических наук В.Ф. Шам-раю, В.А. Ермишкину, К.М. Климову за замечания по отдельным главам. [c.5] Авторы с благодарностью и пониманием примут все замечания читателей. [c.5] В настоящее время достигнуто понимание того, что гносеологической базой системы знаний является соединение принципа материального единства мира с принципом развития. Эта идея была заложена еще в 1937—1938 гг. В.И. Вернадским [1]. Отводя определяющую роль эволюционным процессам в биосфере и их необратимости, а также связи с особой геометрической структурой пространства, В.И. Вернадский писал Мы сейчас имеем право допустить в пространстве, в котором мы живем, проявление геометрических свойств, отвечающих всем трем формам геометрии — Евклида, Лобачевского и Римана. Правильно ли будет это заключение, логически вполне неоспоримое, покажет дальнейшее исследование . Это неоспоримое, но не сразу понятое утверждение получило подтверждение относительно недавно, с развитием двух взаимосвязанных между собой направлений синергетики как теории самоорганизующихся структур и представлений о фракталах как о самоподобных структурах, которые не могут быть описаны в рамках евклидовой геометрии. [c.6] Термин синергетика происходит от греческого синергос , что означает вместе действующий . Именно заключенный в этом слове смысл коллективного эффекта позволил Г. Хакену [2] дать название новому научному направлению, связанному с изучением закономерностей неравновесных процессов. Идеи синергетики и даже сам термин синергетика появились еще в 40-х годах, т.е. до века кибернетики [3]. Б.Р. Фуллер, признанный архитектор, специалист по дизайну, прикладному искусству и приложению математики, назвал синергетикой учение о самоорганизации сложных систем, но свою книгу Синергетика опубликовал только в 1982 г. [4]. [c.6] Синергетика занимается изучением процессов самоорганизации, устойчивости и распада структур различной природы, формирующихся в системах, далеких от равновесия. Они являются общими для живой и неживой природы. Общность заключается в том, что и биологическим, и химическим, и физическим, и другим неравновесным процессам свойственны неравновесные фазовые переходы, отвечающие особым точкам — точкам бифуркаций, по достижении которых спонтанно изменяются свойства среды, обусловленные самоорганизацией диссипативных структур [5]. Движущей силой самоорганизации диссипативных структур является стремление открытых систем при нестационарных процессах к снижению производства энтропии. [c.6] Успехи современного материаловедения в значительной степени связаны с установлением зависимости свойств материалов от их состава, способов получения и обработки. Обобщение большого экспериментального массива исследований фазовых равновесий, изменений свойств и их зависимостей от состава позволило в свое время Н.С. Курнакову выделить самостоятельный раздел общей химии, который он назвал физикохимическим анализом материалов. Предметом физико-химического анализа являются исследования фазовых диаграмм равновесий, количественное истолкование диаграмм состав—свойство и установление количественных взаимосвязей между особенностями межмолекулярных взаимодействий и топологий микро-, мезо- и макроструктуры материалов. Осознание существенного влияния особенностей структуры, а также дисперсности неорганических материалов связано с работами И.В. Тананаева. Развивая представления Н.С. Курнакова о фазовых диаграммах и диаграммах состав—свойство, он отметил необходимость введения четырехзвенной формулы физико-химического анализа, в которую входят еще структурные характеристики и дисперсность как факторы, влияющие на свойства материалов [8]. [c.7] В материаловедении для описания элементов микроструктуры традиционно используется евклидова размерность d, которая может принимать четыре значения d = 0 для точечных дефектов (вакансии, межузельные атомы) d = для линейных дефектов (дислокации) d = 3 для планарных дефектов (двойники, границы зерен и т.п.) и d = 3 для трехмерных образований в объеме образца. Евликдовы размерности могут служить характеристиками симметричных микроструктур, которые не часто образуются даже в материалах, получаемых в квазиравновесных условиях. [c.7] Рассмотренное выше означает необходимость объединения подходов синергетики и теории фракталов, так как диссипативные структуры, самоорганизующиеся в открытых системах, фрактальны [9—11]. Синергетика расширила 1юнятие структуры, придав ей универсальность, а теория фракталов позволила ввести новые количественные показатели структур в виде фрактальной размерности. Это является базой для моделирования структур различной природы. Следует иметь в виду, что различные уровни структуры (микро-, мезо- и макромасштаб) можно описать в рамках мультифрактального анализа. [c.8] В силу сказанного реальной представляется возможность установления связи между составом, фрактальной структурой и свойствами материала [И, 12]. Это ставит задачу развития фрактального материаловедения, учитывающего самоорганизацию диссипативных структур, отражающую способность системы приспосабливаться к внешним условиям воздействия путем реализации обратных связей. Согласно В.Е. Панину и др. [13, 14], в электронной структуре металла и сплава уже заложен генетический код, осуществляющий приспособление системы к внешнему воздействию. Задача управления свойствами сплавов и получение материалов с заданными свойствами сводится к отысканию способов целенаправленного усиления обратных связей. Указанная проблема сама по себе достаточно сложна и требует объединения физиков, химиков, механиков, материаловедов и технологов. [c.8] Как отметил Г.Р. Иваницкий [15], в наших знаниях имеется пробел, не позволяющий понять единую картину мира. Объединение подходов неравновесной динамики и теории фракталов повысит наши познания сложного [16]. [c.8] Вернуться к основной статье