Численное моделирование деформации и разрушения металлокерамических композитов с учетом остаточных напряжений

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
SciUp 2024 © 2024 ©