Грант 18-19-00273 Разработка иерархических моделей деформации и разрушения металлокерамических композитных покрытий с учетом эволюции остаточных напряжений

Проект направлен на решение фундаментальной проблемы физики и механики сред со структурой, связанной с разработкой многоуровневых моделей термомеханического поведения иерархически организованных материалов, и их применением для изучения закономерностей деформации и разрушения новых перспективных композиционных материалов и покрытий на их основе. Последние десятилетия композиционные материалы благодаря высокой удельной прочности постепенно вытесняют чисто металлические соединения в авиации, космосе, энергетике и машиностроении. Нанесение композитных покрытий способствует повышению прочности, износо- и коррозионной стойкости поверхностных слоев металлических изделий. Применение таких материалов в ключевых отраслях промышленности приведет к разработке прорывных технологий создания двигателей и аппаратов с высокой энерговооруженностью, что обеспечит высокую конкурентоспособность и лидирующие позиции Российской Федерации в производстве продукции гражданского и военного назначения.Несмотря на широкое использование композитных металлокерамических покрытий, проблемы их прочности и долговечности на сегодняшний день до конца не решены. В первую очередь это связано со сложной иерархической структурой, делающей поведение материалов с композиционными покрытиями сложно предсказуемым в рамках традиционных подходов. Изменения в структуре композита могут привести к смене механизмов деформации и разрушения на разных масштабных уровнях. Остается дискуссионным вопрос, связанный с возникновением остаточных напряжений в процессе нанесения покрытий и их влиянием на свойства материалов с покрытиями в процессе их дальнейшей эксплуатации. Требуют дополнительных исследований эффекты, связанные с влиянием формы, размера и пространственного распределения упрочняющих частиц на свойства композита. Большое влияние на качество формируемых композиций оказывают изменения, происходящие в переходных зонах «металл – керамика». Такие изменения вызваны термическими и диффузионными процессами, которые в значительной степени определяют структуру и свойства компонентов и композиции в целом. Решение данных проблем напрямую связано с изучением фундаментальных закономерностей локализации деформации и разрушения в композитах при термомеханических воздействиях и нереализуемо в рамках одноуровневых подходов физики пластичности и континуальной механики. Задача проекта – разработка иерархических моделей и изучение механизмов формирования технологических остаточных напряжений, возникающих при изготовлении композиционных материалов и покрытий на их основе, а также выявление закономерностей локализации пластической деформации и разрушения на разных масштабных уровнях при эксплуатации материалов с композитными металлокерамическими покрытиями. В качестве материалов металлических матриц будут рассмотрены алюминиевые, титановые, никелевые сплавы и высокопрочные стали. Материалы упрочняющих частиц будут выбраны среди керамик, включая карбиды титана и вольфрама, корунд, диоксид и вольфрамат циркония, а также карбиды и бориды циркония и дисилицид молибдена. Использование многоуровневого подхода и разработанных на его основе моделей с явным учетом границ раздела обеспечит получение принципиально новых знаний о механизмах деформации композитов на разных масштабных уровнях. При моделировании будут использоваться как имеющиеся в литературе экспериментальные данные по изучению микроструктуры и свойств композитных металлокерамических покрытий, так и результаты специальных экспериментов, запланированных в рамках предлагаемого проекта. Публикации, посвященные моделированию деформации структурно-неоднородных материалов с композитными металлокерамическими покрытиями, на сегодняшний день практически отсутствуют. Это новая область исследований в рамках данной тематики, где возможно создание опережающего научно-технического задела.Исследования будут проводиться на трех основных масштабных уровнях: 1) макроскопический уровень металлической основы с композитным покрытием; 2) мезоскопический уровень композитного покрытия (композита «металл – керамика») и 3) микроуровень отдельного включения в матрице. Характерные масштабы на разных уровнях связаны с размером структурных неоднородностей (отдельных включений, неровностей поверхности частиц и границ раздела между покрытием и подложкой, и т.д.), вблизи которых возникают концентрации напряжений.План работ по проекту включает три основных этапа:На первом этапе (2018 г.) будут созданы экспериментальные образцы металлокерамических композитов и проведен их микроструктурный анализ. Будут развиты методы генерации двумерных и трехмерных структур композитов и на основе экспериментальных данных созданы численные модели материала с композитным покрытием на разных масштабных уровнях. Будут разработаны термомеханические модели материалов компонентов структур, включая определяющие уравнения на основе физической теории пластичности, описывающие поведение металлов и сплавов с учетом упругой и пластической анизотропии кристаллов, а также модели разрушения керамических материалов. Будут модифицированы собственные конечно-разностные программные комплексы и разработаны блоки подпрограмм, интегрированные в существующие коммерческие пакеты (например, ФИДЕСИС, ABAQUS, АNSYS). Будут выбраны параметры моделей и проведены расчеты деформирования двухфазных структур композитов на разных масштабных уровнях. На уровне отдельного включения будут подробно исследованы механизмы концентрации напряжений и локализации пластического течения вблизи криволинейных интерфейсов, процессы зарождения и распространения трещин.Второй этап (2019 г.) связан с изучением остаточных напряжений, возникающих в материалах в процессе наплавки металлокерамических покрытий за счет разницы коэффициентов термического расширения. Будут выявлены места формирования локальных сжимающих и растягивающих напряжений в металлической матрице и керамических включениях в условиях близких к всестороннему сжатию, реализуемых при охлаждении структур с включениями из расплава до комнатной температуры. При прочих равных условиях будет исследовано влияние физико-механических свойств керамических частиц (включая керамику, обладающую отрицательным коэффициентом термического расширения) и свойств матрицы в системах «металл-керамика» и «керамика-керамика» на прочность композитов. Будет проведено качественное и количественное сравнение характеристик напряженно-деформированного состояния при всестороннем и одноосном сжатии структур, исследовано влияние температурной зависимости предела текучести металлической матрицы на локализацию пластической деформации в матрице и концентрацию напряжений во включениях. На мезоуровне будет исследовано влияние объемной доли и взаимного расположения упрочняющих частиц на прочность композиций. Экспериментально будут исследованы остаточные микронапряжения и влияние размера включений на их величину, проведено сравнение экспериментальных оценок с результатами численных экспериментов.На третьем этапе (2020 г.) численно и экспериментально будет исследовано влияние остаточных напряжений на прочность материала с композитным металлокерамическим покрытием в процессе его дальнейшей эксплуатации. Будут изучены процессы деформации и разрушения двухфазных структур композитов с учетом и без учета остаточных напряжений, выявлены фундаментальные механизмы эволюции опасных локальных растягивающих напряжений в условиях комбинированного термомеханического нагружения, реализуемого при охлаждении из расплава с последующим растяжением, сжатием, сдвигом и их комбинацией. Будут исследованы многофазные структуры с учетом поликристаллического строения металлических матриц и подложек, неоднородной структуры приграничных областей, градиентных модифицированных поверхностных слоев. На макроуровне будет исследовано влияние толщины металлокерамического покрытия и криволинейной формы границы раздела «покрытие-подложка».