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

Проект является логическим продолжением Проекта 2018 и направлен на разработку многоуровневых моделей термомеханического поведения перспективных металлокерамических композитов и покрытий с учетом фазовых превращений. Разработка новых легких и надежных материалов с высокими характеристиками прочности, пластичности и долговечности остается одной из основных задач современного материаловедения. Такие материалы необходимы для создания перспективных двигателей и аппаратов с высокой энерговооруженностью. Благодаря высокой удельной прочности композиционные материалы широко применяются в авиации, космосе, энергетике и машиностроении, заменяя традиционные металлы и сплавы. Композитные покрытия повышают прочность и износостойкость поверхности металлических соединений. Композиционные материалы и покрытия обладают сложной иерархически организованной структурой с границами раздела различной геометрии, масштаба и свойств. Границы являются источниками концентраций напряжений и локализации деформации. Технологические остаточные напряжения влияют на прочность при дальнейшей эксплуатации композиционных материалов. В этой связи особую актуальность и значимость приобретает прогнозирование механического поведения композитов с учетом эволюции остаточных напряжений, вызванных, в том числе, фазовыми переходами в металлических матрицах. В дополнение к экспериментам ключевое значение имеет решение обратных задач многоуровневого численного моделирования композиционных материалов и покрытий. Создание цифровых двойников структурно-неоднородных материалов позволяет изучать эволюцию локальных концентраций напряжений в объеме материала и в процессе деформирования, проводить оптимизацию структуры и свойств композитов и покрытий. Основная новая задача Проекта 2021 – изучение механизмов формирования технологических остаточных напряжений в композитах и покрытиях с учетом фазовых переходов в металлических матрицах, выявление закономерностей локализации пластической деформации и разрушения на разных масштабных уровнях при эксплуатации композиционных материалов и покрытий на основе никелида титана с упрочняющими частицами карбида титана. При изучении фазовых переходов в композитах будут использованы разработанные в рамках Проекта 2018 модели термомеханического поведения материалов металлических матриц и керамических частиц, а также модели трехмерных структур композитов с явным учетом сложной формы частиц и поликристаллического строения матрицы. Другими новыми задачами, которые взаимосвязаны с Проектом 2018 и являются прямым продолжением проводимых ранее исследований, является изучение влияния высокоэнергетического электронно-лучевого воздействия на структуру оплавленных поверхностных слоев спеченных металлокерамических композитов, а также изготовление и экспериментальное исследование образцов с двухслойными металлокерамическими композитными покрытиями методом твердофазного спекания. Общий план работы на весь срок выполнения проекта включает два основных этапа: На первом этапе (2021 г.) методом твердофазного спекания будут созданы экспериментальные алюминиевые образцы с двухслойными металлокерамическими композиционными покрытиями с различными керамическими частицами. Будет проведен микро- и рентгеноструктурный анализ, а также механические испытания на сжатие образцов, исследовано влияние градиентности на формирование остаточных напряжений и прочность материала с покрытием. Будет исследован фазовый состав и возможное наличие микро-нано частиц карбидов в оплавленных электронными пучками поверхностных слоях композита. Будут отработаны режимы твердофазного спекания никелида титана и композитов на его основе с частицами карбида титана, проведен микроструктурный анализ опытных образцов с памятью формы. Будут разработаны термомеханические модели с учетом фазовых переходов в металлической матрице, включая определяющие уравнения на основе физической теории пластичности для моноклинной решетки, а также изотропные трансформационные модели. Будут модифицированы собственные конечно-разностные программные комплексы и разработаны блоки подпрограмм, интегрированных в коммерческий пакет ABAQUS, описывающие переходы из кубической в моноклинную решетку в зернах поликристаллической структуры, а также прямые и обратные превращения в однородных матрицах. Будут численно исследованы взаимосвязанные процессы формирования остаточных напряжений, локализации пластической деформации и разрушения с одновременным учетом зарождения и распространения трещин в керамических частицах и металлической матрице, варьируя предел текучести и пластичность матрицы. Второй этап (2022 г.) связан с изучением влияния фазовых переходов в металлических матрицах на формирование остаточных напряжений, локализацию деформации и разрушение композитов при комбинированных термомеханических нагрузках. Методом твердофазного спекания будут созданы образцы сплавов никелида титана различного состава вблизи эквиатомного состояния, а также соответствующие композиты с различной объемной долей частиц карбида титана. Будут проведены микро- и рентгеноструктурный анализ, а также механические испытания образцов по отработанной в Проекте 2018 методике с последовательной догрузкой-разгрузкой образцов и измерением остаточных напряжений. Будут проведены серии численных экспериментов по термомеханическому нагружению образцов композитов «никелид титана – карбид титана» с учетом фазовых переходов в сплавах различного состава. Будет исследовано влияние объемной доли частиц карбида титана на прочность композитов с памятью формы материала матрицы, изучено взаимовлияние процессов структурно-фазовых трансформаций, локализации пластической деформации и разрушения в структурах с учетом и без учета поликристаллического строения матрицы, проведено сравнение экспериментальных оценок с результатами численных экспериментов.