Численное моделирование деформации и разрушения металлокерамических композитов с учетом остаточных напряжений

Автор: Землянов А.В., Евтушенко Е.П., Балохонов Р.Р.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2020 года.

Бесплатный доступ

Исследовано термомеханическое поведение металлокерамических композиционных материалов. В качестве матрицы используется высокопрочный алюминиевый сплав 6061-T6, а в качестве упрочняющих частиц - карбид бора B4C. Структура металлокерамических композитов учитывает сложную форму частиц в явном виде. Для моделирования механической реакции алюминиевой матрицы использовалась изотропная упругопластическая модель, а керамических частиц - упруго-хрупкая модель. Чтобы исследовать процессы зарождения и распространения трещин в керамических частицах, выбран критерий разрушения типа Губера, учитывающий локальное напряженное состояние керамического материала: объемное растяжение либо сжатие. Рассмотрен композиционный материал с единичным включением как реально наблюдаемой в эксперименте, так и идеальной (круглой) формы. Численно исследовано влияние остаточных термических напряжений, возникающих при охлаждении композиционного материала от температуры, близкой к температуре рекристаллизации алюминия, до комнатной температуры, на характер локализации пластической деформации в алюминиевой матрице и разрушения карбидных частиц, а также на макроскопическую прочность композита при внешней нагрузке: растяжении и сжатии. Двумерные динамические краевые задачи в плоско-напряженной и плоско-деформированной постановках решались численно методом конечных элементов с помощью модуля Explicit программного комплекса Abaqus. Для задания определяющих соотношений материалов были разработаны процедуры подпрограмм VUMAT, которые подключаются к программному комплексу Abaqus. На основе полученных результатов численного моделирования были сделаны выводы о том, что остаточные термические напряжения, возникающие после охлаждения, приводят к смене механизма растрескивания частиц от раскалывания к разрушению вдоль границы раздела «матрица - включение» и повышают прочность композита при его последующем растяжении.

Еще

Механика структурно-неоднородных сред, физическая мезомеханика, многоуровневое численное моделирование, металлокерамические композиты, остаточные напряжения, локализация пластической деформации, разрушение

Короткий адрес: https://sciup.org/146282029

IDR: 146282029 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.08

Список литературы Численное моделирование деформации и разрушения металлокерамических композитов с учетом остаточных напряжений

A review on emerging composite materials for cesium adsorption andenvironmental remediation on the latest decade / Shangqing Chen, Jiayin Hu, Senjian Han, Yafei Guo, Nelson Belzile, Tianlong Deng // Separation and Purification Technology. - 2020. -Vol. 251. - 117340. DOI: 10.1016/j.seppur.2020.117340
Natalie Zimmermann, Peng Hao Wang. A review of failure modes and fracture analysis of aircraftcomposite materials // Engineering Failure Analysis. - 2020. - Vol. 115. - 104692. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.104692
Ramanathan Arunachalam, Pradeep Kumar Krishnan, Rajaraman Muraliraja. A review on the production of metal matrix composites through stir casting-Furnace design, properties, challenges, and research opportunities // Journal of Manufacturing Processes. - 2018. - Vol. 191. - P. 33-45. DOI: 10.1016/j.jmapro.2019.04.017
Avik Samanta, Qinghua Wang, Hongtao Ding. A novel selective laser melting process for glass fiber-reinforced metalmatrix composites // Manufacturing Letters. - 2018. -Vol. 18. - P. 27-30. DOI: 10.1016/j.mfglet.2018.09.006
Malaya Prasad Beheraa, Troy Doughertyb, Sarat Singamneni. Conventional and Additive Manufacturing with Metal Matrix Composites: A Perspective// Procedia Manufacturing. - 2019. -Vol. 30. - P. 159-66. DOI: 10.1016/j.promfg.2019.02.023
Gopinath Muvvala, Debapriya Patra Karmakar, Ashish Kumar Nath. Monitoring and assessment of tungsten carbide wettability in laser cladded metal matrix composite coating using an IR pyrometer // Journal of Alloys and Compounds. - 2017. -Vol. 714. - P. 514-521. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.04.254
Pramanik A., Basak A.K. Fracture and fatigue life of Albased MMCs machined at different conditions // Engineering Fracture Mechanics. - 2018. - Vol. 191. - P. 33-45. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.01.013
Advance research progresses in aluminium matrixcomposites: manufacturing & applications / Pulkit Garg, Anbesh Jamwal, Devendra Kumar, Kishor Kumar Sadasivuni, Chaudhery MustansarHussain, Pallav Gupta // Journal of Materials Research and Technology. - 2019. -Vol. 8, Iss. 5. - P. 4924-4939. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.06.028
Hypervelocity impact damage behavior of B4C/Al composite for MMOD shielding application / Xuegang Huang, Chun Yin, Hongqiang Ru, Shumao Zhao, Yongjun Deng, Yunjia Guo, Sen Liu // Materials & Design. - 2020. - Vol. 186. - 108323 https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108323
The erosion performance of cold spray deposited metal matrix composite coatings with subsequent friction stir processing / Tom Peat [et al.]. // Applied Surface Science. - 2017. - Vol. 396. -P. 1635-1648. DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.10.156
Gopinath Muvvala, Debapriya Patra Karmakar, Ashish Kumar Nath. Online assessment of TiC decomposition in laser cladding of metal matrix composite coating // Materials & Design. - 2017. -Vol. 121. - P. 310-320. DOI: 10.1016/j.matdes.2017.02.061
Dejian Liu, Hu. Peipei, Guoqing Min. Interfacial reaction in cast WC particulate reinforced titanium metal matrix composites coating The work was supported by the Russian Science Foundation (Project No. 18-19-00273). Fracture model described by Eq. (2) was developed according to the Government research assignment for ISPMS SB RAS, project FWRW-2021-0002.
produced by laser processing // Optics & Laser Technology. - 2015. -Vol. 69. - P. 180-186. DOI: 10.1016/j.optlastec.2015.01.003
Shot peening-induced plastic deformation of individual phases within a coated WC-Co hard metal composite material including stress-strain curves for WC as a function of temperature / Lukas Faksa, Werner Daves, Thomas Klunsner, Kathrin Maier, Thomas Antretter, Christoph Czettl, Werner Ecker // Surface & Coatings Technology. - 2019. - Vol. 380. - 125026. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.125026
Effect of cell form on residual stress of SiC-reinforced GH4738 composites / Yanju Wang [et al.]. // Composites Part C: Open Access. - 2020. - Vol. 2. - 100030. DOI: 10.1016/j.jcomc.2020.100030
Modeling on temperature-dependent first matrix cracking stress for fiber reinforced ceramics considering fiber debonding and residual thermal stress / Yong Deng [et al.]. // Ceramics International. - 2018. - Vol. 44. - P. 21666-21674. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.08.254
A numerical study of plastic strain localization and fracture across multiple spatial scales in materials with metal-matrix composite coatings / R. Balokhonov, V. Romanova, S. Schmauder, E. Emelianova // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2019. - Vol. 101. - P. 342-355. DOI: 10.1016/j.tafmec.2019.03.013
Создание металлокерамических структур на основе Ti, Ni, WC и B4C с применением технологии лазерной наплавки и холодного газодинамического напыления / В.М. Фомин [и др.]. // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22, № 4. - С. 5-15.
Закономерности формирования областей объемного растяжения при одноосном и всестороннем сжатии металлокерамических композитов и покрытий / Р.Р. Балохонов [и др.]. // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22, № 1. - С. 69-80.
Balokhonov R., Romanova V., Kulkov A. Microstructure-based analysis of deformation and fracture in metal-matrix composite materials // Engineering Failure Analysis. - 2020. - Vol. 110. - 104412. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2020.104412
State-of-the-art of surface integrity in machining of metal matrix composites / Zhirong Liao [et al.]. // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2019. - Vol. 143. -P. 63-91. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2019.05.006
Chen S., Osovski S. Damage evolution around shear loaded intervoid ligaments in plane strain and plane stress// European Journal of Mechanics / A Solids. - 2020. - Vol. 80, № 10390. DOI: 10.1016/j.euromechsol.2019.103909
On structural topology optimization considering material nonlinearity: Plane strain versus plane stress solutions / Heng Chi [et al.]. // Advances in Engineering Software. - 2019. - Vol. 131. -P. 217-231. DOI: 10.1016/j.advengsoft.2018.08.017
Cervera M., Chiumenti M., Di Capua D. Benchmarking on bifurcation and localization in J2 plasticity for plane stress and plane strain conditions // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. - 2012. - Vol. 241-244. - P. 206224. DOI: 10.1016/j.cma.2012.06.002
Pushpendra Kumar Jain, Prashant Baredar, S.C.Soni. Development Of Silicon Carbide Particle Reinforced Aluminium 6101 Metal Matrix Composite Using Two-Step Stir Casting// Materials Today: Proceedings. - 2019. - Vol. 18. - P. 3521-3525. DOI: 10.1016/j.matpr.2019.07.281
Sliding frictional contact analysis of a monoclinic coating/isotropic substrate system / K.B. Yilmaz, 1. Qomez, M.A. Guler, B. Yildirim // Mechanics of Materials. - 2019. -Vol. 137. - 103132. DOI: 10.1016/j.mechmat.2019.103132
Modeling method of coating thickness random mistuning and its effect on the forced response of coated blisks / Xianfei Yan, Junnan Gao, Yue Zhang, Kunpeng Xu, Wei Sun // Aerospace Science and Technology. - 2019. - Vol. 92. - P. 478-488. DOI: 10.1016/j.ast.2019.06.020
Pandi Pitchai, Harald Berger, P.J. Guruprasad. Investigating the influence of interface in a three phase composite using variational asymptotic method based homogenization
Effects of thermal residual stresses and thermal-induced geometrically necessary dislocations on size-dependent strengthening of particle reinforced MMCs / Dongfeng Cao, Qingfeng Duan, Shuxin Li, Yucheng Zhong, Haixiao Hu // Composite Structures. - 2018. - Vol. 200. - P. 290-297. DOI: 10.1016/j.compstruct.2018.05.129
Yash Pachaury, Yung C. Shin. Assessment of sub-surface damage during machining of additively manufactured Fe-TiC metal matrix composites // Journal of Materials Processing Technology. -2019. - Vol. 266. - P. 173-183. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.11.001
Laser surface polishing of NiCrSiBC - 60WC ceramic-metal matrix composite deposited by laser directed energy deposition process / Amit Choudhary, Abhijit Sadhu, Sagar Sarkar, Ashish Kumar Nath, Gopinath Muvvala // Surface & Coatings Technology. - 2020. -Vol. 404. - 126480. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126480

Еще

Статья научная