Разработка иерархических моделей деформации и разрушения металлокерамических композитных покрытий с учетом эволюции остаточных напряжений

Объектом исследования являются дисперсно-упрочненные металлокерамические композиты и покрытия. Цель работы – изучение деформирования и разрушения композитов и покрытий, в том числе с учетом фазовых трансформаций. На первом этапе проекта изготовлены экспериментальные образцы c двухслойными металлокерамическими покрытиями с алюминиевой матрицей и керамическими частицами карбидов бора и титана с различным расположением слоев. Проведены механические испытания изготовленных образцов на сжатие с догрузкой и разгрузкой, а также микроструктурный и рентгеноструктурный анализ. Установлено, что уровень остаточных напряжений выше в покрытии «верхний слой карбида титана – средний слой карбида бора». На момент разрушения образца покрытие B4C-TiC менее растрескивается, чем TiC - B4C, где слои разрушены полностью. Установлено, что в приповерхностных слоях композита, образованных перекристаллизацией через жидкую фазу в процессе электронно-лучевой обработки, формируется слой чистого алюминия, в котором отсутствуют частицы карбида бора. Отработаны режимы твердофазного спекания никелида титана вблизи эквиатомного состояния и композитов с частицами карбида титана. Изготовлены опытные образцы композитов и проведен микроструктурный анализ. Проведены расчеты охлаждения с последующим механическим нагружением металлокерамических композитов с одновременным учетом разрушения частиц и однородной, либо поликристаллической матрицей. Показано, что керамическая частица объемно сжимается, а матрица как сжимается, так и растягивается, причем в матрице вокруг частицы образуется область чистого сдвига с высокими значениями остаточных напряжений. Реализуется множественное растрескивание поликристаллической. Остаточные напряжения, возникающие после охлаждения композитов, играют отрицательную роль при растяжении композитов с прочной матрицей ограниченной пластичности, однако, повышая прочность композита с пластичными матрицами, обладающими низким пределом текучести. Разработана модель обратимого трансформационного перехода в однородных металлических матрицах. Показано, что при деформировании композита в аустенитной матрице вблизи частицы зарождаются локальные области мартенсита, который распространяется вглубь никелида титана, вызывая на кривой течения области сверхэластичности. Разработана анизотропная модель термомеханического поведения материалов металлических матриц с учетом трансформационного механизма. Модель учитывает упругую и пластическую анизотропию моноклинных кристаллов, а также наличие систем скольжения. Созданы образцы сплавов никелида титана двух составов вблизи эквиатомного состояния, которые при комнатной температуре содержат различное соотношение объемных долей фаз В2 и В19’, а также соответствующие композиты с различной объемной долей частиц карбида титана. Повышение концентрации карбида титана приводит к увеличению остаточных напряжений в композитах, а фазовый переход усиливает этот эффект. Численно показано, что фазовый переход способствует уменьшению остаточных напряжений при охлаждении и их повышению при последующем механическом нагружении. Данные эффекты усиливаются при увеличении объемной доли карбида титана. Установлено, что фазовый переход существенно влияет на характер локализации пластической деформации в мартенсите, на деформацию начала разрушения и место зарождения первичной трещины, однако оказывает слабое воздействие на конечный характер растрескивания поликристаллического образца. Проведены серии численных экспериментов по термомеханическому нагружению образцов композитов «никелид титана – карбид титана» с учетом фазовых переходов из кубической в моноклинную решетку. Установлено, что фазовый переход в поликристаллической матрице способствует более позднему зарождению и более медленному росту трещин вокруг прочной частицы. Однако конечная картина разрушения одинаковая. Результаты расчетов хорошо согласуются с экспериментом.