ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ И РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ С УЧЕТОМОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
|
Аннотация
Введение 3
1 Математическая постановка задачи и механические свойства материалов .. 9
2 Физическая формулировка проблемы термомеханического поведения и
разрушения металлокерамических композитных покрытий 14
3 Верификация численного решения 17
4 Проверка сходимости решения задачи для процессов разрушения 21
5 Численное решение термомеханической задачи для плоско-напряженной и
плоско-деформированной постановок задачи 23
6 Результаты численного исследования композита с единичной частицей ... 26
7 Результаты численного исследования на мезоуровне 33
Заключение 41
Список использованных источников и литературы 43
Введение 3
1 Математическая постановка задачи и механические свойства материалов .. 9
2 Физическая формулировка проблемы термомеханического поведения и
разрушения металлокерамических композитных покрытий 14
3 Верификация численного решения 17
4 Проверка сходимости решения задачи для процессов разрушения 21
5 Численное решение термомеханической задачи для плоско-напряженной и
плоско-деформированной постановок задачи 23
6 Результаты численного исследования композита с единичной частицей ... 26
7 Результаты численного исследования на мезоуровне 33
Заключение 41
Список использованных источников и литературы 43
В последние десятилетия композиционные материалы из-за их прочности и удельного веса активно заменяют металлы и сплавы в механической, энергетической и космической области производства [1-5]. Металлокерамические композиционные покрытия увеличивают коррозионную стойкость и износостойкость, прочность поверхностного слоя материала [6]. Несмотря на то, что композитные покрытия на основе металлической матрицы активно используют в многочисленных промышленных областях, проблема оценки их прочности и долговечности не решена до сих пор. Из-за сложной микроструктуры композита, трудно предсказать его деформационное поведение при традиционном одно масштабном рассмотрении. Научное направление - физическая мезомеханика материалов - рассматривает материал как иерархически организованную систему структурных уровней различных масштабов. Многомасштабные проблемы в механике и физике твердого тела играют ключевую роль в получении представления о механизмах деформирования и разрушения, которые способствуют проектированию и созданию новых материалов с требуемыми свойствами для широкой области применения. Граница раздела матрица-частица является источником концентрации напряжений, дающее начало возникновению локализации пластической деформации в пластической металлической матрице и разрушению керамических частиц.
На рисунке 1 представлена микрофотография поперечного сечения композиционного покрытия с матрицей Al6061 и упрочняющими керамическими частицами карбида титана (TiC), полученного с помощью метода лазерного осаждения [7].Технология нанесения покрытия лазерным осаждением предполагает использование мощного лазерного луча, который является источником энергии. Лазерный луч превращает подложку в жидкий расплав и в это время порошок распыляется с помощью специального газа. После взаимодействия с лазером, порошок попадает в ванну расплава и формирует покрытие. Во время технологического процесса, как металл, так и упрочняющие частицы нагреваются, а затем охлаждаются. Из-за различия между коэффициентами теплового расширения, а также упругими модулями матрицы и керамических частиц в результате нанесения композиционного слоя на материал возникают
4
остаточные напряжения. Метод лазерного осаждения вызывает появление больших растягивающих остаточных напряжений, которые могут снизить качество получаемых образцов. Проблемы, связанные с оценкой остаточных напряжений, возникающих в металлокерамических композитах, и их влиянием на прочность материала, до сих пор остаются дискуссионными [8]. В работе [9] выполнено лазерное осаждение слоя функциональноградиентного материала на основе сплава Ti6Al4V с добавлением упрочняющих частиц SiC и показано, что наплавление второго слоя может эффективно снижать величину остаточных напряжений.
Существуют как экспериментальные, так и численные методы исследования композиционных материалов [10-15]. Численные методы исследования обладают рядом преимуществ, например, позволяют отделить составляющие напряженно-деформированного состояния друг от друга. Возможности современного вычислительного оборудования позволяют проводить научно-исследовательские расчеты в области механики с высокой точностью описания геометрии и микроструктуры исследуемых материалов. В исследованиях [16-18] программными средствами генерируется 3D конечно-элементная сетка - представительный объем, отражающий структурную неоднородность и наличие криволинейных границ раздела между матрицей и упрочняющими частицами. Теоретические исследования деформирования композиционных материалов направлены в основном на разработку численно-аналитических моделей для случаев однородных однослойных и многослойных покрытий различной толщины с ровными прямолинейными границами раздела, например [19, 20]. Учет сложной нерегулярной и экспериментально наблюдаемой формы упрочняющих частиц при проведении численных расчетов важен для достоверного описания механического поведения исследуемых материалов.
Приграничный слой между матрицей и частицами композитной структуры играют важную роль в механическом поведении материала, так как при механическом нагружении композита напряжения достигают максимальных значений именно на границах раздела компонентов. Свойства приграничного слоя, прежде всего прочность сцепления с компонентами, в большой мере определяют эксплуатационные характеристики композита, и их стабильность во времени [21]. Главная функция этого слоя состоит в том, чтобы снизить локальные напряжения и обеспечить равномерную передачу нагрузки на границе раздела. В работе [22] исследовано влияние объемной доли межфазного слоя, прочности и формы частиц на свойства трехфазного композита. Установлено, что твердость композита увеличивается с увеличением твердости межфазной границы раздела. Исследование также касается изучения границы раздела [23], но с точки зрения модели когезионной зоны (CZM).
Благодаря работам, которые фокусируются на изучении микроструктуры композиционного покрытия возможно получить ясное представление о строении и структурной организации покрытия и детально рассмотреть область подложки, границу раздела покрытие/подложка, а также форму, размер упрочняющих керамических частиц [24-26]. Для комплексного изучения и оптимизации свойств композиционных материалов актуальность приобретает численное моделирование, поскольку экспериментальные методы обладают высокой трудоемкостью, большими временными и финансовыми затратами. Методы вычислительной механики активно используются в приложениях механики разрушения для изучения композиционных покрытий и материалов, интенсивно развиваются методы компьютерного моделирования [27-29].
Таким образом, изучение композиционных материалов необходимо вести на нескольких масштабных уровнях с явным учетом криволинейной границы раздела между керамической частицей и металлической матрицей. Исследование остаточных напряжений, возникающих в результате изготовления структурно-неоднородных материалов, является актуальной и междисциплинарной проблемой. Уровень развития компьютерной техники позволяет использовать методы численного моделирования и компьютерного конструирования материалов для исследования механических свойств композиционных материалов.
Апробация работы
Основные результаты выпускной квалификационной работы были апробированы на научных конференциях различного уровня, таких как:
1. IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики», 18-20 ноября 2019 г. (Томск), 2. XIV Всероссийская школа- конференция для молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» 28 февраля-6 марта 2020 г., Новосибирск - Шерегеш.
3. Всероссийская школа-конференция «Математическое моделирование в естественных науках - 2020» 7-10 октября, г. Пермь,
4. Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», 5-9 октября, г. Томск,
5. X Всероссийская научная конференция с международным участием "Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики", 18-20 ноября 2020 года, Томск.
6. XV Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» приуроченная к 100- летию со дня рождения академика Н.Н. Яненко, 25 феврался - 5 марта 2021 г., Новосибирск - Шерегеш
Работа докладывалась на научных семинарах в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в лаборатории механики структурно-неоднородных сред (ЛМСНС).
По теме выпускной квалификационной работы опубликовано 7 работ, в том числе статья в журнале, входящая в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи, опубликованные в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus, и 3 публикации в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций.
Исследования, представленные в работе, проводились в рамках проекта российского научного фонда (РНФ), грант 18-19-00273 "Разработка иерархических моделей деформации и разрушения металлокерамических композитных покрытий с учетом эволюции остаточных напряжений", руководитель Балохонов Р.Р.
На рисунке 1 представлена микрофотография поперечного сечения композиционного покрытия с матрицей Al6061 и упрочняющими керамическими частицами карбида титана (TiC), полученного с помощью метода лазерного осаждения [7].Технология нанесения покрытия лазерным осаждением предполагает использование мощного лазерного луча, который является источником энергии. Лазерный луч превращает подложку в жидкий расплав и в это время порошок распыляется с помощью специального газа. После взаимодействия с лазером, порошок попадает в ванну расплава и формирует покрытие. Во время технологического процесса, как металл, так и упрочняющие частицы нагреваются, а затем охлаждаются. Из-за различия между коэффициентами теплового расширения, а также упругими модулями матрицы и керамических частиц в результате нанесения композиционного слоя на материал возникают
4
остаточные напряжения. Метод лазерного осаждения вызывает появление больших растягивающих остаточных напряжений, которые могут снизить качество получаемых образцов. Проблемы, связанные с оценкой остаточных напряжений, возникающих в металлокерамических композитах, и их влиянием на прочность материала, до сих пор остаются дискуссионными [8]. В работе [9] выполнено лазерное осаждение слоя функциональноградиентного материала на основе сплава Ti6Al4V с добавлением упрочняющих частиц SiC и показано, что наплавление второго слоя может эффективно снижать величину остаточных напряжений.
Существуют как экспериментальные, так и численные методы исследования композиционных материалов [10-15]. Численные методы исследования обладают рядом преимуществ, например, позволяют отделить составляющие напряженно-деформированного состояния друг от друга. Возможности современного вычислительного оборудования позволяют проводить научно-исследовательские расчеты в области механики с высокой точностью описания геометрии и микроструктуры исследуемых материалов. В исследованиях [16-18] программными средствами генерируется 3D конечно-элементная сетка - представительный объем, отражающий структурную неоднородность и наличие криволинейных границ раздела между матрицей и упрочняющими частицами. Теоретические исследования деформирования композиционных материалов направлены в основном на разработку численно-аналитических моделей для случаев однородных однослойных и многослойных покрытий различной толщины с ровными прямолинейными границами раздела, например [19, 20]. Учет сложной нерегулярной и экспериментально наблюдаемой формы упрочняющих частиц при проведении численных расчетов важен для достоверного описания механического поведения исследуемых материалов.
Приграничный слой между матрицей и частицами композитной структуры играют важную роль в механическом поведении материала, так как при механическом нагружении композита напряжения достигают максимальных значений именно на границах раздела компонентов. Свойства приграничного слоя, прежде всего прочность сцепления с компонентами, в большой мере определяют эксплуатационные характеристики композита, и их стабильность во времени [21]. Главная функция этого слоя состоит в том, чтобы снизить локальные напряжения и обеспечить равномерную передачу нагрузки на границе раздела. В работе [22] исследовано влияние объемной доли межфазного слоя, прочности и формы частиц на свойства трехфазного композита. Установлено, что твердость композита увеличивается с увеличением твердости межфазной границы раздела. Исследование также касается изучения границы раздела [23], но с точки зрения модели когезионной зоны (CZM).
Благодаря работам, которые фокусируются на изучении микроструктуры композиционного покрытия возможно получить ясное представление о строении и структурной организации покрытия и детально рассмотреть область подложки, границу раздела покрытие/подложка, а также форму, размер упрочняющих керамических частиц [24-26]. Для комплексного изучения и оптимизации свойств композиционных материалов актуальность приобретает численное моделирование, поскольку экспериментальные методы обладают высокой трудоемкостью, большими временными и финансовыми затратами. Методы вычислительной механики активно используются в приложениях механики разрушения для изучения композиционных покрытий и материалов, интенсивно развиваются методы компьютерного моделирования [27-29].
Таким образом, изучение композиционных материалов необходимо вести на нескольких масштабных уровнях с явным учетом криволинейной границы раздела между керамической частицей и металлической матрицей. Исследование остаточных напряжений, возникающих в результате изготовления структурно-неоднородных материалов, является актуальной и междисциплинарной проблемой. Уровень развития компьютерной техники позволяет использовать методы численного моделирования и компьютерного конструирования материалов для исследования механических свойств композиционных материалов.
Апробация работы
Основные результаты выпускной квалификационной работы были апробированы на научных конференциях различного уровня, таких как:
1. IX Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики», 18-20 ноября 2019 г. (Томск), 2. XIV Всероссийская школа- конференция для молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» 28 февраля-6 марта 2020 г., Новосибирск - Шерегеш.
3. Всероссийская школа-конференция «Математическое моделирование в естественных науках - 2020» 7-10 октября, г. Пермь,
4. Международная конференция «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», 5-9 октября, г. Томск,
5. X Всероссийская научная конференция с международным участием "Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики", 18-20 ноября 2020 года, Томск.
6. XV Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» приуроченная к 100- летию со дня рождения академика Н.Н. Яненко, 25 феврался - 5 марта 2021 г., Новосибирск - Шерегеш
Работа докладывалась на научных семинарах в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН в лаборатории механики структурно-неоднородных сред (ЛМСНС).
По теме выпускной квалификационной работы опубликовано 7 работ, в том числе статья в журнале, входящая в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи, опубликованные в изданиях, индексируемых в базе данных Scopus, и 3 публикации в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций.
Исследования, представленные в работе, проводились в рамках проекта российского научного фонда (РНФ), грант 18-19-00273 "Разработка иерархических моделей деформации и разрушения металлокерамических композитных покрытий с учетом эволюции остаточных напряжений", руководитель Балохонов Р.Р.
Проведено численное моделирование деформирования и разрушения композиционного материала в рамках иерархического подхода на микроуровне и мезоуровне. Был рассмотрен представительный микрообъем композита с единичной частицей как идеальной (круглой), так и неправильной форм. На мезоуровне был выбран представительный мезообъем, который содержит несколько керамических частиц и была исследована объемная доля керамики. Численно исследованы особенности локализации деформации в области границ раздела при охлаждении композиции «металлическая матрица - керамическая частица» от температуры кристаллизации до комнатной температуры и последующем одноосном нагружении. На основе анализа результатов численных расчетов можно сделать следующие выводы:
1. При охлаждении при плоско-напряженной постановке задачи керамическая частица находится под действием сжимающих напряжений, в матрице на некотором расстоянии от частицы возникают области объемных растягивающих напряжений. При плоско-деформированной постановке задачи частица испытывает растягивающие напряжения, при учете разрушения керамическая частица разрушается уже на стадии охлаждения;
2. При сравнении напряженного состояния микрообъема композита с частицей круглой и нерегулярной форм области растяжения в матрице появляются при охлаждении композита с двумя вариантами форм частиц. Выполнено сравнение попарно композита с и без предварительного охлаждения при последующем сжатии для частиц одной и той же форм. Возникающие в частице области сжатия, более локализованы в случае предварительного охлаждения. В керамической частице неправильной формы возникают области объемного растяжения, красные небольшие области, а в случае круглой частицы эти области не возникают;
3. При внешнем растяжении и сжатии в частице возникают области объемного растяжения (области типа А и С), в которых зарождаются трещины и распространяются в разных направлениях - перпендикулярно и вдоль направления нагружения, соответственно;
4. При охлаждении представительного мезообъема, в матрице возникают области объемного растяжения и сжатия, формирующиеся из-за криволинейной границы раздела «матрица-частица», а также за счет близкорасположенных упруго-хрупких частиц карбида бора. При большой объемной доле керамических частиц возникают области объемного растяжения в частицах карбида бора, а при малой они не возникают;
5. Моделирование трещинообразования керамических частиц в мезообъеме при растяжении для различной объемной доли упрочняющих частиц показало, что в случае большой объемной доли керамических частиц происходит разрушение нескольких частиц сразу. Чем больше объемная доля частиц, тем выше концентрация напряжений вблизи криволинейных границ раздела и тем раньше частицы разрушатся. При растяжении мезообъема остаточные напряжения играют положительную роль, а при растяжении - отрицательную.
1. При охлаждении при плоско-напряженной постановке задачи керамическая частица находится под действием сжимающих напряжений, в матрице на некотором расстоянии от частицы возникают области объемных растягивающих напряжений. При плоско-деформированной постановке задачи частица испытывает растягивающие напряжения, при учете разрушения керамическая частица разрушается уже на стадии охлаждения;
2. При сравнении напряженного состояния микрообъема композита с частицей круглой и нерегулярной форм области растяжения в матрице появляются при охлаждении композита с двумя вариантами форм частиц. Выполнено сравнение попарно композита с и без предварительного охлаждения при последующем сжатии для частиц одной и той же форм. Возникающие в частице области сжатия, более локализованы в случае предварительного охлаждения. В керамической частице неправильной формы возникают области объемного растяжения, красные небольшие области, а в случае круглой частицы эти области не возникают;
3. При внешнем растяжении и сжатии в частице возникают области объемного растяжения (области типа А и С), в которых зарождаются трещины и распространяются в разных направлениях - перпендикулярно и вдоль направления нагружения, соответственно;
4. При охлаждении представительного мезообъема, в матрице возникают области объемного растяжения и сжатия, формирующиеся из-за криволинейной границы раздела «матрица-частица», а также за счет близкорасположенных упруго-хрупких частиц карбида бора. При большой объемной доле керамических частиц возникают области объемного растяжения в частицах карбида бора, а при малой они не возникают;
5. Моделирование трещинообразования керамических частиц в мезообъеме при растяжении для различной объемной доли упрочняющих частиц показало, что в случае большой объемной доли керамических частиц происходит разрушение нескольких частиц сразу. Чем больше объемная доля частиц, тем выше концентрация напряжений вблизи криволинейных границ раздела и тем раньше частицы разрушатся. При растяжении мезообъема остаточные напряжения играют положительную роль, а при растяжении - отрицательную.
