Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В результате проведенных при выполнении Проекта 2014 – 2016 годов теоретических и экспериментальных исследований была показана принципиальная возможность изготовления заготовок изделий конструкционного назначения из металломатричных композитов (ММК) различной степени наполненности методами высокотемпературного пластического формоизменения. Вместе с тем установлено, что ММК имеют ограниченный, а в области растягивающих напряжений низкий уровень технологической пластичности, обусловленный особенностями структуры ММК. Для решения проблемы улучшения деформируемости ММК в 2017 году была поставлена задача разработки и реализации плана проведения модельных экспериментов, по результатам которых можно оценить роль в улучшении структуры и деформируемости ММК следующих видов деформационно-термического воздействия, а именно: сдвиговой деформации, деформации с малой скоростью в режиме ползучести, прерывистой деформации с промежуточным термическим воздействием. В теоретическом плане ставились задачи: разработать принципы построения вычислительных моделей, связывающих процесс разрушения внутри представительного микрообъема с накоплением поврежденности, возникновением и развитием макротрещины; разработать алгоритмы к создаваемому программному модулю для расчета методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния ММК при горячей деформации, в котором в отличие от существующих коммерческих пакетов, сопротивление деформации описывается функционалом, учитывающим упрочнение материала и его разупрочнение за счет релаксационных процессов. Поставленные задачи были решены при выполнении плана исследований 2017 года. В результате выполненного обзора и анализа международного опыта деформационно-термической обработки ММК на основе алюминиевых сплавов были выбраны методы деформационно-термической обработки для предварительного улучшения структуры. В качестве улучшающей термической обработки была выбрана закалка от 540 град. С с охлаждением в воде и масле при температуре 120 град. С. В качестве методов деформирования рассматривали осадку, в том числе прерывистую, и методы, при которых значительный вклад в общую деформацию вносит сдвиг. На основе компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния и накопления поврежденности по модели В.Л. Колмогорова оптимизированы размеры образцов и программа проведения испытаний по деформационно-термической обработке. Изучали процесс деформации составных образцов, в которых реализуется сдвиг в стесненных условиях, и процесс сжатия образцов, запрессованных в оболочку, с изменением направления сжатия, моделирующего процесс всесторонней ковки. В экспериментах на сжатие цилиндрических образцов установлено, что наилучшую деформируемость ММК имеют при температуре 450 град. С, поэтому при этой температуре были проведены все последующие исследования предельной пластичности при других напряженных состояниях и построены диаграммы предельной пластичности для ММК В95/20%SiC и В95/30%SiC. Установлено, что стесненные условия деформации в оболочке, возникающие за счет различия коэффициентов температурного расширения, способствуют созданию напряженного состояния с преобладанием сжимающих напряжений, поэтому возможно осуществление больших сдвиговых деформаций без разрушения материала. Спроектированы и изготовлены специальные устройства и приспособления и проведены пробные эксперименты по деформационно-термической обработке ММК, изготовленного методом печного спекания. Они позволили получить материал для исследования влияния деформации сдвига в стесненных условиях и влияния сжатия образцов, запрессованных в оболочку, с изменением направления сжатия на микроструктуру, механические свойства и деформируемость ММК. Установлено, что одноразовый простой сдвиг со степенью деформации сдвига 1,1 позволил избавиться от чисто хрупкого разрушения образцов при растяжении при комнатной температуре, увеличить временное сопротивление разрыву более чем на 40%, а также существенно улучшить деформируемость в температурном диапазоне обработки давлением. Микроструктурный анализ показал, что в той части образцов, где реализуется интенсивное сжатие, происходят процессы затекания материала матрицы между частицами наполнителя, что способствует формированию более однородной структуры ММК, залечиванию имеющихся микропор и формированию более крепких связей между матрицей и частицами наполнителя. При температурах нагрева 550 град. С и выше происходит эндотермическая реакция, сопровождающаяся локальным расплавлением по границам зерен матрицы. Появление жидкой фазы вблизи частиц наполнителя облегчает растворение карбида кремния в матрице, что также способствует увеличению прочности соединения частиц SiC с матрицей. Экспериментально установлена возможность достижения высоких степеней деформации без разрушения при нагружении образцов ММК В95/10%SiC путем сжатия в условиях неустановившейся ползучести в процессе нагрева до температур 470 - 570 град. C. Это указывает на возможность практической реализации технологии изготовления заготовок деталей конструкционного назначения в режиме неустановившейся ползучести. Спроектировано устройство, позволяющее осуществлять деформационно-термическую обработку путем реверсивного чистого сдвига, что в отличие от однонаправленного простого сдвига позволяет увеличить накопленную сдвиговую деформацию и способствует преобразованию ячеистой структуры спеченного ММК в более однородную. Начаты эксперименты по влиянию предварительной деформационно-термической обработки путем деформации сдвига в стесненных условиях на долговечность в условиях циклических изменений температуры от -50 до + 50 град. С. Экспериментами по прерывистому нагружению сжатием цилиндрических образцов из ММК Д16/5% SiC в диапазоне температур 300-500 град. С установлено, что с ростом температуры испытания относительное сжатие до образования трещин на боковой поверхности образца увеличивается. Однако время выдержки образца в паузе между деформациями не влияет на величину относительного сжатия образцов из ММК Д16/5% SiC до разрушения. Учитывая, что для данного композита определяющей пластические свойства является прочность связи между гранулами матрицы и частицами SiC, можно сделать вывод, что разгрузка и последующая выдержка образцов при температуре испытания не привела к залечиванию поврежденности. Причиной может быть то, что в проведенных экспериментах с промежуточным отжигом деформированных образцов при той же температуре, что была и при деформации, механизм залечивания «пора на стоке» не реализуется на границах «частица наполнителя-гранула матрицы» вследствие отсутствия перемещения этих границ, а для интенсификации механизма объемной диффузии нужны напряжения сжатия или предплавильная температура. Для того, чтобы аналитически описать эти особенности ММК была скорректирована разработанная нами ранее феноменологическая модель, которая теперь учитывает совместное влияние на залечивание поврежденности внешних механических напряжений и температуры в междеформационной паузе. В диапазоне температур деформации 400-500 град. С влияние промежуточного отжига на кривую сопротивления деформации после паузы отсутствует, что говорит о высокой скорости механизмов разупрочнения при этих температурах. При более низкой температуре 300 град. С скорость релаксационных процессов замедляется, и время промежуточного отжига оказывает заметное влияние на поведение кривой сопротивления деформации при нагружении после деформационной паузы. Разработаны алгоритмы для расчета методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния ММК при горячей деформации, с определяющими соотношениями и моделью сопротивления деформации, учитывающей историю изменения скорости деформации и температуры, вязкие свойства, а также процессы упрочнения материала и его разупрочнение за счет динамической рекристаллизации и возврата. Алгоритмы позволят в 2018 году создать программные модули для расчета напряженно-деформированного состояния и поврежденности ММК на макро- и микроуровне, что даст возможность адекватно описать его поведение моделью упруговязкопластической среды с возможностью деформационного разупрочнения, в частности, описать формирование областей спонтанной локализации деформации из-за интенсивного протекания релаксационных процессов с увеличением степени деформации, что невозможно осуществить с помощью современных коммерческих CAE программ. Разработаны принципы построения двухуровневой иерархической модели деформации и разрушения ММК, позволяющей связать процесс разрушения внутри микрообъема ММК с накоплением поврежденности, возникновением и развитием трещины на макромасштабном уровне. Модель основана на использовании структурно-феноменологического подхода, согласно которому на макромасштабном уровне материал рассматривается как однородная, изотропная, изотропно упрочняющаяся среда с усредненными по объему свойствами ММК. На микроуровне рассматривается деформация представительного объема материала, задаваемого как внутренний структурно-неоднородный микрообъем в окружении буферного слоя с усредненными свойствами композита. Выбор размера представительного объема материала осуществляется с использованием метода кинетического индентирования с непрерывной записью диаграмм вдавливания, представляющих собой зависимость силы вдавливания от глубины внедрения индентора Берковича. Микрообъем внутри представительного объема ММК выбирается случайным образом и проектируется как кусочно-однородный континуум при помощи разработанного в рамках Проекта 2014–2016 программного комплекса с учетом результатов количественного анализа участков микроструктуры ММК, выбранных при помощи метода Монте-Карло. При наложении к граням представительного объема ММК граничных условий, определяемых из решения задачи на макроуровне, микромеханическая модель ММК, описывающая напряженно-деформированное состояние внутри микрообъема ММК, оказывается согласованной с моделью на макроуровне. Далее связные по напряженно-деформированному состоянию задачи согласуются с точки зрения инициирования и развития процессов поврежденности при совместном использовании моделей механики поврежденности, позволяющих косвенно оценивать накопление повреждений в микрообъемах материала, сохраняющего макроскопическую сплошность, и механики разрушения, связанной с образованием свободный поверхностей. Величина приращения накопленных повреждений обратно пропорциональна предельной деформации, которая зависит от параметров локального напряженного состояния и определяется с использованием разработанного в рамках выполнения Проекта 2014 – 2016 комплекса испытаний изготовленных из ММК образцов. На языке ANSYS APDL разработаны алгоритмы численного моделирования вязкого развития микротрещины, вблизи вершины которой на расстоянии L на i-ом расчетном шаге нагружения выполняется критерий разрушения феноменологической модели поврежденности, а на следующем (i+1)-ом шаге происходит ее перемещение на расстояние L. При этом траектория развития микротрещины на каждом шаге деформации определяется структурными особенностями ММК, реологией его составляющих, а также условиями нагружения. Выполнение условия микроразрушения в отдельных точках микрообъема не означает его разрушения, так как для этого, в соответствии с принципом скейлинга поврежденности, должно выполняться условие макроразрушения для материальной точки, соответствующей данному микрообъему. Установление для определенных классов ММК взаимосвязи между макроповрежденностью и уровнем развития внутреннего микроразрушения позволит разработать критерии идентификации стадий развития микродефектов по расчетной величине макроповрежденности. Выполнен ряд исследований по обоснованию технологий для лабораторной реализации процессов изготовления заготовок конструкционных элементов из ММК, выполнение проектных работ и изготовление оснастки, проведение тестовых экспериментов. Так была показана возможность использования для этих целей деформации в режиме неустановившейся ползучести и была получена заготовка детали «колпачок» из Д16/10% SiC методом обратного выдавливания без подпора. Заготовка после деформации имела внутренний канал глубиной 26 мм при общей высоте заготовки 28 мм. При этом толщина донышка составляла 2 мм, что было получено за счет низкого сопротивления деформации при ползучести, в то время как достигнутая толщина донышка в условиях активной деформации была 10 мм и ограничивалась возрастающим усилием деформирования. Осуществлено проектирование и передана на изготовление пресс-форма для полунепрерывного углового прессования прутков ММК со сваркой в камерной матрице, которая потенциально может являться прообразом оснастки для технологической деформационно-термической обработки.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Основной целью исследований, проведенных в 2018 году, было продолжение изысканий наиболее эффективных методов улучшения деформационных свойств металломатричных композитов (ММК) с матрицей из алюминиевого сплава, упрочненного микрочастицами карбида кремния. Большинство исследований выполнено на образцах с матрицей из высокопрочного легированного сплава В95, используемого в авиастроении, с 10% содержанием карбида кремния SiC (в дальнейшем обозначенного как ММК В95/10%SiC). 1. Проведены эксперименты по прерывистому нагружению образцов из ММК в условиях горячей деформации с варьируемыми временными паузами с целью установления и обобщения закономерностей влияния температуры, времени и напряженного состояния в период паузы на залечивание деформационной поврежденности. Выполнено исследование влияния прерывистого нагружения на сопротивление деформации. Деформирование осуществляли посредством пластического сжатия цилиндрических образцов из металломатричного композита В95/10%SiC и спеченного материала из частиц легированного алюминиевого сплава В95 (далее - В95/0%SiC) плоскими бойками на пластометрической установке конструкции ИМАШ УрО РАН. Испытания проводили при температурах 300, 400 и 500 град. C. Скорость деформации в экспериментах составляла 0,15 1/с. Для осуществления прерывистого нагружения нагретые образцы до температуры испытания деформировали с относительным сжатием, равным половине величины относительного сжатия до разрушения. После деформирования захваты установки отводили и образец выдерживали при температуре испытания, осуществляя при этом промежуточный отжиг с разным временем выдержки: 10 секунд, 10 минут и 1 час. По окончании промежуточного отжига образец снова деформировали до начала образования макротрещины на боковой поверхности образца. В результате обработки результатов экспериментов было установлено, что промежуточный отжиг спеченного материала В95/0%SiC не повлиял на величину относительного сжатия до образования макротрещин, в то время как в металломатричном композите В95/10%SiC суммарное относительное сжатие до образования макротрещин увеличилось после промежуточного отжига. Для оценки микроповрежденности на боковой поверхности сжимаемого образца разработана методика, основанная на измерении уменьшения приведенного нормального модуля упругости, определенного методом инструментального индентирования. Показано, что с уменьшением температуры деформации влияние промежуточного отжига на величину относительного сжатия до образования макротрещин увеличивается. Для объяснения данного факта высказано предположение, что это связано с дополнительным залечиванием поврежденности на межфазных границах материала матрицы и частиц наполнителя, в то время как при высоких температурах этот процесс успевает протекать во время деформирования. Данные результаты коррелируют с величиной изменения предела текучести композита при возобновлении деформации после отжига. Чем сильнее промежуточный отжиг понижает величину предела текучести, тем большую суммарную величину относительного сжатия выдерживает образец до начала образования макротрещин. При достижении после промежуточного отжига значимых величин пластической деформации влияние отжига на сопротивление деформации нивелируется. 2. Продолжены исследования эффективности осуществления деформации в режиме кратковременной неустановившейся ползучести на достигаемые, в том числе предельные деформации образцов ММК. Образцы подвергали одноосному сжатию с использованием устройства, размещенного в шахтной электропечи СШОЛ 11,6/12-М3, разработанного в ходе выполнения проекта в 2017 г. Давление на образец обеспечивали набором грузов, в начальный момент испытаний, в зависимости от помещенных грузов, оно изменялось в диапазоне 6–8 МПа. Испытания проводили до достижения при нагреве температуры образцов в диапазоне 510 – 550 град. C. До и после испытаний измеряли геометрические размеры образцов (высоту, диаметры нижней и верхней поверхностей). Установлено, что фактически образцы начинали деформироваться при достижении температуры 470 град. С. В дальнейшем наиболее интенсивный прирост накопленной степени деформации сдвига (Λ достигает значений 0,9 - 1,66) в диапазоне начальных давлений 5-8 МПа происходит при нагреве до 530 град. С. При повышении температуры до 550 град. С степень деформации сдвига Λ достигает значений 1,7-2,0. Увеличение начального давления на образец вызывает прирост степени деформации сдвига Λ меньше, чем увеличение времени нагрева в исследованном интервале этих параметров. По результатам испытаний на растяжение и сжатие цилиндрических образцов из ММК В95/10% SiC при кратковременной неустановившейся ползучести в процессе нагрева до 570 град. С построена диаграмма предельной накопленной деформации сдвига Λр до разрушения от показателя напряженного состояния σ/Т (где σ – среднее нормальное напряжение, Т – интенсивность касательных напряжений). Для достижения максимальной степени деформации в условиях одноосного сжатия в режиме неустановившейся ползучести наиболее эффективными параметрами деформирования ММК В95/10%SiC являются нагрев до температуры 550 град. С с величиной давления сжатия на образец 7-8 МПа. 3. Проведены исследования по предварительному улучшению структуры ММК при помощи предварительной деформационно-термической обработки; изучению структуры, физико-механических и деформационных свойств после проведенной деформационно-термической обработки. В качестве методов улучшения структуры ММК посредством проведения предварительной деформационно-термической обработки были использованы следующие методы: знакопеременная сдвиговая деформация и всесторонняя ковка в режиме неустановившейся кратковременной ползучести. Установлено, что при деформационно-термической обработке методом всесторонней ковки в режиме высокотемпературной неустановившейся ползучести композита структура из ячеистой преобразуется в структуру с равномерным распределением частиц SiC, при этом частицы проникают внутрь алюминиевой матрицы и в результате оказываются окруженными металлической матрицей. Таким образом в композите реализованы преимущественно межфазные связи «матрица-SiC», что способствует повышению его механических свойств и деформируемости. Однородное распределение частиц наполнителя по объему композита после всесторонней ковки привело к однородному распределению микромеханических свойств. Так, если после спекания можно было различить диаграммы индентирования, относящиеся к наполнителю и матрице, то после всесторонней ковки на микроуровне композит представляет собой единое целое. Знакопеременная плоская сдвиговая деформация была осуществлена на специальном приспособлении для универсальной испытательной машины INSTRON 8801. С использованием данного устройства получены заготовки ММК В95/10% SiC после 1, 2, 3 и 4 переходов деформационно-термической обработки, из которых были изготовлены образцы для испытаний свойств. Результаты испытаний образцов на растяжение показали, что с каждым переходом деформационно-термической обработки пластические свойства композита улучшаются. Так, например, относительное удлинение после разрыва образца после 4-х переходов деформационно-термической обработки в 2,16 раза выше, чем образца из исходного ММК. Исследования показали, что проведение деформационно-термической обработки улучшает пластические свойства ММК при низких температурах. По сравнению с результатом по испытанию образцов в исходном состоянии образцы после всесторонней ковки обладают повышенными механическими свойствами. Испытание при температуре 20 град. С, показало, что максимальное значение сопротивления деформации выросло на 32 % и составило 570 МПа, при этом значение степени деформации до разрушения выросло на 40 % и составило 0,38. В испытании при температуре -50 град. С максимальное значение сопротивления деформации выросло до 650 МПа, но значение степени деформации до разрушения уменьшилось до 0,24. Показана работоспособность ММК при шоковом термоциклировании с амплитудными значениями температуры -60 … +95 град. С и при начальном растягивающем напряжении 150 МПа. 4. Осуществлена программная реализация конечно-элементного кода для моделирования напряжённо-деформированного состояния ММК при горячей деформации на основе конечно-элементного фреймворка libMesh и разработанных в 2017 году в рамках проекта алгоритмах; выполнено тестирование программы и проведение вычислительных экспериментов по моделированию деформации ММК. Разработана конечно-элементная программа для моделирования напряжённо-деформированного состояния ММК при горячей деформации на основе конечно-элементного фреймворка libMesh и разработанных в 2017 году в рамках проекта алгоритмах. Программа разработана на языке C#. В качестве конечных элементов использованы треугольники для двумерных задач и тетраэдры для трехмерных задач. В программе реализовано решение задач в осесимметричной постановке, при плоском деформированном состоянии и в трехмерной постановке. Программа позволяет задавать различную реологию для каждой фазы гетерогенной среды, которой является ММК. При этом среда может быть упругой, упругопластической и упруговязкопластической, определяющие соотношения которой описывают реологию металлов и сплавов при горячей деформации. В качестве препроцессора программы для обеспечения ввода исходных данных, создания твердотельных моделей деформируемого тела из ММК и построения конечно-элементной сетки была разработана подпрограмма для импорта постановок задач из ANSYS. Подпрограмма позволяет импортировать из архивных файлов ANSYS (.cdb) конечно-элементные сетки со значениями идентификатора модели материала для каждого конечного элемента и данными о граничных условиях. Для обработки результатов конечно-элементного расчёта использован существующий свободно распространяемый постпроцессор ParaView. Данная программа позволяет проводить анализ результатов вычислений, включая визуализацию, построение графиков величин, полученных в результатах расчёта, построение сечений трёхмерных моделей, оценку минимальных и максимальных значений. Конечно-элементный фреймворк libMesh обладает готовым функционалом для вывода файлов в формате Visualization Toolkit (.vtk, .vtu, .pvtu), который поддерживается данным постпроцессором. Реализована возможность выполнения вычислений на кластерном суперкомпьютере. При этом задача разделяется между узлами суперкомпьютера, а обмен информацией происходит по протоколу MPI. Тестирование программы осуществили на задачах сжатия круглого цилиндра, бесконечно длинного и трехмерного параллелепипедов плоскими плитами с трением и без трения. 5. Осуществлена вычислительная реализация моделей, связывающих процесс разрушения внутри представительного микрообъема ММК с накоплением поврежденности, возникновением и развитием макротрещины. Осуществлена разработка 2D вычислительной модели ММК Al/50%SiC и выполнена ее численная реализация, позволившая связать процесс разрушения внутри представительного микрообъема ММК с накоплением поврежденности, возникновением и развитием макротрещины для двух случаев плоскодеформированного состояния - однородного растяжения и сжатия со скоростью 1 1/с при температуре 300 град. С. Вычислительная модель исследуемого ММК представляет собой 2D композицию из структурно-неоднородного представительного микрообъема в окружении буферного слоя с усредненными свойствами композита. Расчеты выполнили с помощью разработанной в проекте на основе конечно-элементного фреймворка libMesh конечно-элементной программы для моделирования напряжённо-деформированного состояния ММК при горячей деформации. Моделирование на микромасштабном уровне было осуществлено с целью связать степень исчерпания ресурса пластичности композита, рассчитанного с использованием линейной модели поврежденности В.Л. Колмогорова, с накоплением микроразрушения внутри представительного объема ММК в зависимости от величины эквивалентной макродеформации. Установлено, что на микроуровне уже на начальной стадии деформации реализуется неоднородное напряженно-деформированное состояния (НДС) с формированием зон концентрации растягивающих напряжений и локальной пластической деформации в матрице ММК, потенциально опасных для зарождения микродефектов нарушения сплошности по механизму когезионного разрушения. С увеличением степени деформации неоднородность характеристик НДС и их общий уровень увеличиваются, что в конечном итоге и приводит к инициации и развитию микротрещин в матрице ММК. Это подтверждается как экспериментальными данными, полученными при выполнении Проекта 2014-2016, так и результатами моделирования процесса микроразрушения. Расчет микроповрежденности и ее накопления внутри представительного микрообъема, выполненный пошагово с небольшими приращениями величины макродеформации, позволил сформировать возможные расчетные траектории развития микротрещин в матрице ММК. Для этого все конечные элементы матрицы ММК, удовлетворяющие критерию разрушения, деактивировались, т.е. их жесткость численно становилась близкой к нулю. Имевшееся при этом перераспределение напряжений в соседних с деактивированным конечных элементах автоматически учитывалось на последующем расчетном шаге. Результаты моделирования позволили связать степень микроразрушения ММК, которая характеризовалась как суммарная расчетная длина микротрещин, со степенью рассеянного разрушения на макроуровне. 6. Выполнен цикл работ по лабораторной реализации процессов изготовления заготовок конструкционных элементов из ММК методами пластического формоизменения. Спроектирована штамповая оснастка для закрытой штамповки детали конструкционного назначения типа «двутавр», с помощью которого выполнена штамповка деталей из заготовки, изготовленной из исходного ММК и ММК, подвергнутого четырем переходам деформационно-термической обработки методом знакопеременной сдвиговой деформации. Реализовано в лабораторных условиях пробное изготовление фасонных заготовок деталей конструкционного назначения в режиме неустановившейся высокотемпературной ползучести. Изготовлены опытные образцы крепежных деталей сложной формы: деталь шестигранной формы с переходами в цилиндрические выступы и составная деталь в виде крепежного стального элемента со вставкой из ММК. Примеры успешного изготовления фасонных изделий из ММК с матрицей из легированного высокопрочного алюминиевого сплава, упрочненного микрочастицами карбида кремния, демонстрируют перспективность способа деформации в режиме неустановившейся ползучести для формоизменения, совмещающего деформационно-термическую обработку, позволяющую повысить деформируемость ММК до уровня необходимого для получения.