4.3. Методологія експериментальних досліджень

Методологія експерименту визначається його загальною структурою, постановкою та послідовністю виконання певних дій. А саме:

а) розробка плану-програми експерименту;

б) вибір засобів для проведення експерименту;

в) проведення експерименту;

г) обробка і аналіз експериментальних даних; висновки.

Наведений перелік етапів відповідає логіці традиційного

експерименту.

З метою підвищення точності та зменшення обсягу експери­ментальних досліджень останнім часом застосовують математич­ну теорію експерименту. В цьому випадку методологія експери­менту складається з таких етапів:

1. розробка плану-програми експерименту;

2. оцінка вимірювання і вибір засобів для проведення експерименту;

3. математичне планування експерименту з одночасним проведенням експериментального дослідження, обробкою та ана­лізом отриманих даних.

Але що ж таке експеримент?

Експеримент — це найбільш важлива складова частина на­укового дослідження, один з основних засобів отримання нових наукових знань. Експеримент — це науковий дослід, або спосте­реження того чи іншого явища в умовах, які дозволяють стежи­ти за його ходом, керувати ним, відтворювати його результати кожного разу при повторенні конкретних умов. Метою експери­менту може бути перевірка теоретичних положень (підтверджен­ня робочої гіпотези), а також більш глибоке вивчення теми на­укового дослідження.

Експерименти розподіляють на а) природні, та б) штучні.

Природні (натуральні) експерименти, головним чином, при­таманні вивченню соціальних явищ (соціальний експеримент).

Щодо штучних експериментів, то вони застосовуються, як правило, у природничих науках.

Розрізняють лабораторні та виробничі експерименталь­ні дослідження.

При проведенні лабораторних досліджень застосовують ти­пові прилади, спеціальні моделюючи пристрої, стенди, облад­нання, що дозволяє найбільш повно та якісно вивчати вплив од­них характеристик на зміну інших. "Золотим" правилом експе­риментатора є таке положення: "При проведенні експерименту можна змінювати лише одну умову!.."

Яскравим прикладом "творчої" методології експерименталь­них фізичних досліджень є праці А. Ф. Іоффе та П. JI. Капиці.

Далі наведемо приклад використання методології експери­ментального дослідження у процесі визначення регулярних фор­мозмін деформованого твердого тіла за роботою.

Останнім часом особливий інтерес дослідників викликають термодинамічні системи, в яких під дією зовнішніх збуджень без­ладний хаотичний рух елементів системи переходить в упорядко­ваний. Такий перехід здійснюється внаслідок самоорганізації сильно нерівноважної системи і може супроводжуватися форму­ванням так званих стаціонарних дисипативних структур: у хімії — це реакція Бєлоусова-Жаботинського, в гідродинаміці — утворен­ня регулярних просторових структур (граток Бенара) та вихорів Тейлора, в астрофізиці — спіральні галактики, у фізиці магнітних явищ — формування упорядкованості доменної структури та ін.

У фізиці міцності й пластичності, регулярний дефор­маційний макрорельєф було виявлено при асиметричному вигині грубозернистого кристала алюмінію і знакозмінному (циклічно­му) згині пружного монокристала кременистого заліза при елект- роімпульсному навантаженні каліброваного мідного мікродроту. Було зареєстровано регулярну формозміну останнього — чергу­вання напливів і перетяжок. Утворення, виявлення і вивчення регулярного деформаційного макрорельєфу стало можливим за­вдяки застосуванню оригінальної методології експерименталь­них досліджень. Розробка наукового "інструментарію" полягала у наступних кроках проведення дослідницької роботи.

1. Удосконалення рентгенографічної методики виявлення та вивчення ротаційних мод пластичності, що з'являються на поверхні й усередині монокристалічних зразків. Теоретичне об­грунтування базувалося на необхідності поєднання принципу рентгенівського власного збільшення з методом реперів Ро- винського-Вадевиця з метою отримання аналітичного виразу для розрахунку глибини (висоти) кристалографічного дефор­маційного рельєфу. Це дозволило провести розробку принципо­вої рентгенооптичної схеми профілографа й створення діючого макету цього приладу.

2. Розробка таких способів пластичного деформування ме­талів, які дозволятимуть з великою повторюваністю резуль­татів отримувати регулярні формозміни на поверхні й усере­дині зразків правильної геометричної форми: а) деформацію згину й розтягнення — для кристалічних пластин і б) дефор­мацію стиснення дроту вздовж вісі шляхом електроімпульсно- го навантаження (пінч-ефект).

3. Дослідження дисипативних структур, що виникають при деформації монокристалічних пластин, здійснювалося за допомогою розроблених автором методів дифракційної рент­генівської топографії, а вивчення регулярних формозмін дроту (потовщень і перетяжок) — традиційними методами рентгено­структурного аналізу, рентгеноспектрального мікроаналізу й електронної мікроскопії.

4. Аналіз отриманих експериментальних даних з точки зо­ру синергетики деформованого твердого тіла.

Якщо пластичну деформацію тлумачити з позицій механіки суцільного середовища з урахуванням певних для конкретної моделі реологічних її властивостей, або з позицій фізики плас­тичності та міцності на основі дислокаційних і дисклінаційних уявлень, тобто розглядати елементарні акти (етапи) процесів пластичної деформації, то пояснення регулярності формозмін стає неможливим.

Механіка суцільного середовища описує поведінку ма­теріалу під навантаженням за допомогою інтегральних характе­ристик середовища. В цьому випадку внутрішня структура ма­теріалу не враховується, тензори напруг і деформацій симет­ричні, пластична деформація здійснюється лише трансляційним рухом дефектів під дією навантажень. Такий феноменологічний підхід механіки суцільного середовища фізично і математично досить коректний, але його можна застосовувати лише для опи­су інтегральних властивостей макрооднорідного середовища.

Щодо теорії дислокації, то її головне завдання — розкрити ме­ханізм зародження пластичних зсувів, описати поведінку дисло­каційних ансамблів і провести фізичну інтерпретацію феномено­логічних закономірностей механіки деформованого твердого тіла.

Однак, оскільки теорія дислокацій механічно перенесла до своєї методології схему деформації з традиційної механіки, а тверде тіло під навантаженням розглядається як замкнена систе­ма, то теорія дислокацій неспроможна описати механізм плас­тичної течії на мікрорівні.

Всі відомі в науковій літературі схеми пластичної дефор­мації (Закса, Кохендорфера, Бішопа-Хілла, Ешбі, Тейлора та ін.) будувалися на різниці комбінацій трансляційних моделей де­формації. Кристалографічний характер пластичних зсувів тут вимагає введення постулатів певної схеми самоорганізації різних систем ковзання, що забезпечувало б зберігання суціль­ності деформованого твердого тіла. Тому такі схеми неспро­можні передбачати реальний механізм пластичної течії.

Як відомо, стан замкненої системи може суттєво відрізняти­ся від того стану, що описується законами нерівноважної термо­динаміки. При цьому, починаючи з будь-якої критичної величи­ни збудження, термодинамічна гілка системи, досягнувши стадії біфуркації, стає нестійкою. Тобто, згідно з І. Пригожиним,

система за рахунок несподіваних флуктуацій обирає один із декількох варіантів майбутнього, оскільки поблизу цих точок флуктуації стають сильними, а стійкість переходить у стан, в якому поведінка системи погоджується дією частинок, які до неї входять (рис. 1). Чергування стійкості та нестійкості — загаль­ний феномен у еволюції будь-якої відкритої системи. До того ж процес є незворотним, тобто систему після проходження біфур­кацій неможливо повернути до початкового стану.

Цілком ймовірно, що одержані експериментальні результа­ти задовольняють вимогам алгоритму реалізації процесів дефор­мування твердого тіла, які призводять до виникнення регуляр­них дисипативних структур (це робоча гіпотеза).

Дійсно, сама течія та її характер, як відомо, залежать від ре­ології середовища (тобто від вибору матеріалу), а також від умов і режимів навантажування (початкових і крайових умов, масових сил). Зазначені параметри можна віднести до керуючих, а потім знайти такі їх сполучення, які б призвели до формування регу­лярних структур. При цьому самі структури будемо розглядати не як статичні, а як дещо таке, що виникає в процесі еволюції си­стеми "деформоване тверде тіло — зовнішні умови", тобто будемо розглядати всю еволюцію течії. Регулярність структури означає певну її інваріантність у просторі. Практично це призведе до того, що розподіл напруг, деформацій, локальної дисипації енергії та інших характеристик також набуває більш-менш періодичного характеру, тобто процес зі структурою є просторово-інваріантним процесом. Тому течія, що передує виникненню упорядкованих структур (базова течія), повинна бути якомога однорідною в про­сторі: напруги, деформації, а, отже, й їх швидкості взагалі не по­винні залежати від просторових координат (це в ідеалі).

В наших експериментах компоненти тензора деформацій не залежать від просторових координат. Тому в процесі еволюції во­ни могли змінюватися тільки як функції часу. Оскільки кут не залежить від координати, то розподіл швидкостей на всій межі деформованого і твердого тіла опишемо так:

d^xi

V_t = = а_и( t)xj + a_i2( t)x₂ + a_i3( t)x₃, (1)

де Xj — декартові координати; a^(t) — задані функції; Uj - швидкості. 118

величина імпульсів електричного струму

а - стійка частина термодинамічної гілки; б - нестійка частина; в - нова стійка частина

(дисипативні структури); г - нова нестійка частина; д - деградація;

1,2 - біфуркації

кількість циклів деформації

Рис. 5.

Якщо на всій межі деформування тіла задано розподіл за формулою (1), то базова течія буде однорідною саме тоді, коли: 1) тіло стійке, 2) матеріал реологічно стійкий, 3) навантаження здійснюється таким чином, що масовими силами і силами інерції можна знехтувати (це умови єдності базової течії).

Отже, виникнення регулярних структур можна очікувати в тих випадках, коли хоч би одна з умов 1), 2) або 3) порушується.

Засоби одержання дисипативних структур можна звести до такої послідовності операцій:

1) обирається певна базова течія; 2) задається вихідна конфігурація деформованого твердого тіла і за нею визначають­ся відповідні граничні умови, потім 3) створюється пристрій навантажування, який реалізує грдничні умови якомога більш жорстко, 4) реологія деформованого тіла, параметри наванта­жування, а можливо, й конфігурація межі обираються таким чином, щоб у певний момент умови єдності базової течії 1)-3) порушилися (рис.5).

Зазначимо, що зразки кристалів алюмінію і кременистого заліза, використані у процесі випробування, було піддано ре­тельній термохімічній обробці: відпаленню у вакуумі (з метою усунення внутрішніх напруг, які виникають під час виготовлення

зразків), електролітичній поліровці, тощо. Крім того, здійснено такі оригінальні пристрої навантажування (вигин у пружній оболонці, одновісьове симетричне розтягування), які дозволили реалізувати граничні умови якомога найбільш жорстким засо­бом. Відповідно до такої методики дослідження, зразок увесь час (включаючи рентгенівську зйомку) знаходився в навантаженому стані, тобто релаксації напруг практично не відбувалося. Потім у процесі еволюції пластичної деформації моно- та грубозернистих кристалів алюмінію і кременистого заліза, підданих вигину або розтяганню, відбувається накопичення пластичної деформації, що спричинило втрату стійкості тонкого поверхневого шару зразка (або всього його перерізу). Інакше кажучи, порушилась умова 2) єдності базової течії, а це призвело до виникнення диси­пативної структури — спонтанних формозмін поверхні деформо­ваного твердого тіла.

Електроімпульсне навантаження (осьове стиснення) каліброваного однорідного дроту також відповідало всім умо­вам базової течії 1), 2) і 3). Тому порушення умови 3) (зміна па­раметрів навантажування в синусоїдному імпульсі струму), сприяло отриманню дисипативних структур — періодичних змін потовщень і перетяжок полікристалічного довгого об'єкту дослідження.

Розділ 5. ВИНАХІДНИЦТВО І РАЦІОНАЛІЗАТОРСТВО