Разработка иерархических моделей деформации и разрушения металлокерамических композитных покрытий с учетом эволюции остаточных напряжений (промежуточный, за 2018-2020 гг.)

Методом твердофазного спекания изготовлены экспериментальные образцы металлокерамических композитов и различным средним размером и объемной долей керамических включений. Проведены механические испытания образцов композитов, изготовленных твердофазным спеканием, металлографический анализ и измерение остаточных напряжений при последовательной нагрузке, разгрузке и догрузке образцов до 3%, 7%, 15%, 25% и 50% деформации. Показано, что первоначально разрушаются керамические частицы, а образование трещин в металлической матрице происходит на более поздних стадиях пластического течения. Обнаружено, что как при внешнем сжатии, так и при растяжении трещины распространяются как по телу частицы, так и по границе раздела между частицами и матрицей. При возрастании деформации сжатия прирост остаточных напряжений второго рода уменьшается. При этом величина остаточных напряжений при больших деформациях слабо зависит от концентрации карбида бора. Изготовлены образцы с оплавленными поверхностными слоями, проведен металлографический и рентгеноструктурный анализы образцов с модифицированными поверхностными слоями, экспериментально исследовано влияние наплавки на величину остаточных напряжений. Развиты методики генерации трехмерных структур: пошагового заполнения, многоугольников Вороного, динамической съемки поверхности природных камней. Метод пошагового заполнения, разработанный для генерации поликристаллической структуры материалов, модифицирован для создания микроструктур композитов и покрытий. Построены модели керамических частиц характерной многоугольной произвольной формы с выпуклостями и вогнутостями на поверхностях включений, статистически соответствующие экспериментально наблюдаемым структурам. С помощью разработанной методики сгенерированы двухфазные и многофазные структуры металлокерамических композитов с учетом и без учета поликристаллического строения матрицы. Численно методом обхода граней реализован подход Вороного для разбиения пространства с заданным распределением зародышей выпуклыми многоугольниками. Сгенерированы периодические двумерные и трехмерные поликристаллические структуры с различным количеством зерен. Методом видеофиксации поверхностей камней созданы численные модели упрочняющих керамических частиц сложной формы. Созданные модели импортировались в программно-расчетный комплекс АБАКУС в формате «.STP». Развиты изотропные и анизотропные модели термомеханического поведения материалов металлических матриц и разрушения керамических включений. Модель разрушения учитывает зарождение и распространение трещин в локальных областях объемного растяжения. Модели физической теории пластичности учитывают упругую и пластическую анизотропию свойств кубических и гексагональных кристаллов металлических материалов, а также наличие систем скольжения. Модифицированы конечно-разностные программные комплексы для решения краевых задач. Разработаны подпрограммы VUMAT для использования разработанных определяющих соотношений теории пластичности в конечно-элементных расчетах средствами АБАКУС. Осуществлен выбор параметров моделей для исследуемых материалов – компонентов структуры. Проведены расчеты деформирования и разрушения двухфазных структур на разных масштабных уровнях. Численно изучены процессы формирования остаточных напряжений и разрушения в многофазных структурах с учетом поликристаллического строения металлов. Построены соотношения типа Дюамеля-Неймана для анизотропной упругости и пластичности с учетом систем скольжения в зернах-кристаллитах. На сетках высокого разрешения исследованы особенности формирования и эволюции остаточных напряжений при охлаждении и последующем механическом нагружении поликристаллического металлокерамического композита. Установлено, что после охлаждения композита частица находится в условиях объемного сжатия. При дальнейшем внешнем растяжении эти сжимающие напряжения противодействуют растягивающим нагрузкам. Численно исследовано влияние физико-механических свойств керамических частиц и матрицы, а также объемной доли керамических частиц на остаточные напряжения и локализацию пластической деформации, возникающие при охлаждении, а также при охлаждении с последующим растяжением, сжатием и сдвигом металлокерамических композитов. Установлено, что зависимости остаточных термических напряжений от свойств материалов имеют экспоненциальный характер, причем наибольшее влияние оказывает разница в коэффициентах термического расширения, а также предел текучести матрицы. Сделанные по результатам расчетов выводы полностью согласуются с выводами, полученными в данном проекте экспериментально. Численно исследованы остаточные напряжения в наплавленных металлокерамических покрытиях на разных масштабных уровнях при комбинированных термомеханических нагрузках. Установлено, что прочность материала с покрытием при растяжении уменьшается с увеличением толщины покрытия.