Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследования механики высокоскоростного
деформирования и разрушения высокотвердых хрупких материалов и
создание керамик с повышенной стойкостью к удару

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0200
Организация
ОИВТ РАН
Руководитель работ
Канель Геннадий Исаакович
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
13,5 млн
Внебюджетные средства
2,7 млн

Информация отсутствует

Соисполнители

Организация
ИЭФ УрО РАН

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Милявский Владимир Владимирович

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 30.09.2009
В рамках первого этапа работ выполнены патентные исследования по теме проекта; исследовано поведение модельных хрупких материалов при ударном сжатии; проведены подготовительные опыты для исследования дефектной структуры сапфира после ударного сжатия; выполнена программная реализация потенциала с трехчастичным взаимодействием, учитывающим особенности ковалентных связей в Аl2O3; разработана, реализована в виде подпрограммы и протестирована феноменологическая модель хрупких керамических материалов для расчетов их деформирования и разрушения при ударных нагрузках; выполнены подготовительные работы к изготовлению образцов керамик на основе порошковых смесей Al2O3 + Al и Al2O3 + AlMg; отработаны режимы компактирования и спекания; выполнено исследование поведения сапфира при ударном сжатии в различных кристаллографических направлениях в широком диапазоне параметров.
Развернуть
2
01.10.2009 - 01.12.2009
При выполнении работ второго этапа были изготовлены и аттестованы образцы композиционных керамик на основе Al2O3 различного состава и микроструктуры, измерены их механические свойства; выполнена регистрация волновых профилей ударного сжатия изготовленных керамических материалов, измерены их динамические пределы упругости и откольная прочность; получены образцы керамик и сапфира, подвергнутые ударному сжатию; исследована дефектная структура в сапфире после ударного сжатия; доработан потенциал межчастичных взаимодействий для Al2O3; рассчитанные с его использованием свойства основных фаз и дефектов упаковки сопоставлены с результатами квантовых расчетов на основе метода функционала электронной плотности (DFT) и экспериментальными данными; в программы расчетов ударных явлений в двумерной постановке введена феноменологическая модель хрупких керамических материалов, проведены тестовые расчеты; исследованы волны разрушения и откола в алюмоборосиликатном стекле в широком диапазоне параметров.
Развернуть
3
01.01.2010 - 30.06.2010
В процессе выполнения третьего этапа контракта были выполнены исследования механических свойств керамических материалов на основе Al2O3, Al, Mg в условиях ударно-волнового нагружения; исследована остаточная дефектная структура керамик после ударного сжатия; выполнено молекулярно-динамическое моделирование высокоскоростного одноосного сжатия и растяжения кристаллов Al2O3 различных ориентаций, исследованы механизмы и кинетические закономерности зарождения и развития пластической деформации, исследованы разрушения при растяжении бездефектных кристаллов; выполнены систематические расчёты ударно-волновых явлений в керамических материалах методами механики сплошных сред и проведено их сравнение с экспериментальными данными с целью уточнения констант материала, использованных в модели разрушения; проведены подготовительные работы к изготовлению образцов керамик на основе порошковых смесей Al2O3 + Al + ZrO2, Al2O3 + Al-Mg + ZrO2 с варьируемым содержанием металлической компоненты, отработаны режимы компактирования и спекания; изготовлены керамические образцы для ударно-волновых измерений; проведены расчеты методами DFT и молекулярной динамики структуры и энергии дефектов упаковки и дислокаций в Al2O3.
Методы исследования – регистрация волновых профилей лазерным допплеровским измерителем скорости свободной и контактной поверхностей VISAR и их последующий анализ, методы молекулярной динамики, квантово-механические расчеты на основе теории функционала плотности, методы вычислительной физики и методы нелинейной механики сплошной среды с использованием комплексных феноменологических моделей материалов, электронная просвечивающая и электронная сканирующая микроскопия сверхвысокого разрешения, рентгенофазовый анализ, ВЕТ-сорбция-десорбция азота, методы аналитической химии, метод 3-х-точечного изгиба (определение предела прочности керамики), индентирование по Виккерсу.
В результате проведения работ проведены ударно-волновые испытания изготовленных керамических материалов на основе Al2O3, Al, Mg и исследована остаточная дефектная структура керамик после ударного сжатия. Значения откольной прочности испытывавшихся керамик находятся в диапазоне 0.57 – 0.75 ГПа при ударе со скоростью 1.8 км/с и 0.38 – 0.57 ГПа при ударе со скоростью 0.66 км/с. Таким образом, что при ударном сжатии в области напряжений ниже динамического предела упругости керамики демонстрируют существенно меньшую откольную прочность. Вероятно, с началом пластической деформации вблизи предела упругости происходит растрескивание по границам зерен, в то время как уплотнение пористой керамики при высоких давлениях ударного сжатия сопровождается усилением межзернных связей.
Выполнено молекулярно-динамическое моделирования высокоскоростного одноосного сжатия и растяжения монокристаллов Al2O3 различных ориентаций и поликристаллов (с размером зерен около 5 нм), установлены условия инициирования пластической деформации при ударно-волновом нагружении и тип зарождающихся при этом дефектов. Разрушение для монокристаллов инициируется на образующихся дефектах. Установлено, что предел течения при сжатии в поликристаллической системе существенно выше, чем при растяжении, это проявляется в обратимом формировании дефектов упаковки вдоль плоскостей сдвига в волнах разрежения, в то время как для их появления за фронтом ударной волны требуются заметно большие скорости ударника. Разрушения при сжатии в такой системе обнаружено не было, а откол при интерференции отраженных волн разрежения происходит преимущественно вдоль межзеренных границ.
Выполнены систематические расчёты ударно-волновых явлений в керамических материалах методами нелинейной механики сплошной среды. Феноменологическая модель Johnson-Holmquist, хорошо зарекомендовавшая себя в задачах ударного воздействия на керамические материалы, внедрена в программу расчетов ударных явлений в двумерной постановке. Проведены систематические расчеты, направленные на уточнение имеющихся литературных данных по параметрам модели Johnson-Holmquist применительно к керамике Al2O3, использовавшейся в группе экспериментов по перфорации. Продемонстрировано хорошее качественное и количественное согласование результатов расчетов по уточненной модели с экспериментальными данными.
Методами смешивания, статического формования и твердофазного синтеза приготовлены 49 керамических образцов (на основе оксидов алюминия и циркония) и исследованы их механические свойства (микротвердость, трещиностойкость и предел прочности на изгиб).
С помощью квантового (метод функционала электронной плотности) и классического молекулярно-динамического моделирования определены активационные барьеры образования и энергии дефектов упаковки, критические напряжения их зарождения, изучены механизмы начала пластической деформации при сдвиге в монокристаллическом Al2O3 для базальной, призматической и пирамидальной систем скольжения.
Развернуть
4
01.07.2010 - 17.11.2010
Выполнены исследования процессов спекания, обеспечивающих размер кристаллитов в матрице Al2O3 0,5-5 мкм и пористость порядка 1-3 %. Установлено, что: конечная плотность керамики, полученной из композитных порошков, спрессованных до плотности 65 - 74% при температуре 1500°С не высока - 87-91%, поэтому для получения плотной керамики необходима длительная выдержка при температурах не менее 1500°С; повышение плотности прессовок с 65 до 69 % заметно увеличивает эффект расширения материала при окислении металлической компоненты; оксид циркония повышает температуру усадки более чем на 100°С; добавление оксида циркония увеличивает концентрацию остаточного алюминия в керамике.
Изготовлены для ударно-волновых испытаний и охарактеризованы образцы композиционных керамик варьируемой микроструктуры составов Al2O3 + ZrO2, Al2O3 + ZrO2 + Al, Al2O3 + MgAl2O4 + ZrO2, Al2O3 + MgAl2O4 + ZrO2 + Al-Mg, а также образцы на основе частично стабилизированного оксидом иттрия ZrO2. Исследованы структура, фазовый состав и механические свойства (E, HV, KIC и др.) образцов. В керамике на основе твердого раствора Y2O3 в ZrO2 зафиксирована дисперсия продольной и поперечной фазовой скорости распространения звуковых волн.
Систематически исследовано поведение и определено сопротивление деформированию и разрушению керамических материалов на основе Al2O3, Al, Mg и ZrO2 при ударно-волновом нагружении. Получены значения откольной прочности и динамического предела упругости для данных материалов. Измеренные значения откольной прочности для композитных керамик, содержащих ZrO2, варьируются от 0.4 ГПа для керамик с плотностью 3.93–3.94 г/см3 до 0.5–0.6 ГПа для более плотных образцов. В отличие от композитных керамик, не содержащих двуокись циркония, для данных керамик не наблюдается падения откольной прочности при ударном сжатии до напряжений, близких к динамическому пределу упругости материала. В композитной керамике Al2O3+ZrO2 наблюдается дисперсия упругой волны сжатия, в то время как в керамической окиси алюминия упругая часть волны сжатия представляет собой скачек массовой скорости и, соответственно, напряжения сжатия. Причиной дисперсии упругой волны является гетерогенная структура композитной керамики.
Выполнено исследование дефектной структуры керамик после ударного сжатия и механического разрушения и сделаны выводы о локализации неупругих деформаций и инициированных механическими напряжениями фазовых превращениях в керамиках сложного состава.
С помощью квантового и классического атомистического моделирования определены критические сдвиговые напряжения и механизмы начала пластической деформации в монокристалле окиси алюминия вдоль различных систем скольжения. Получены значения критических сдвиговых напряжений, которые составляют 13, 17, 22 ГПа для базальной, призматической и пирамидальной систем.
Результаты атомистического моделирования сопоставлены с полученными экспериментальными данными. Проведено сравнение структуры -фазы Al2O3, упругих постоянных, скоростей звука в поликристаллическом состоянии, зависимости скорости ударной волны от массовой скорости. Сопоставление показало, что используемый потенциал межчастичного взаимодействия и модели являются корректными для рассматриваемой задачи и могут быть использованы для понимания механизмов деформации и разрушения, оценки скорости соответствующих элементарных процессов.
Построено аналитическое решение двумерной задачи динамической теории упругости о напряженно-деформированном состоянии полуплоскости при ударном воздействии на ее границу. На основе этого аналитического решения усовершенствована двумерная модель распространения дивергентной волны, позволяющая получать оценки напряженно-деформированного состояния керамик, необходимые для выполнения соответствующих экспериментальных исследований. Разработаны конечно-элементные модели и выполнены модельные расчеты распространения дивергентных волн в керамическом образце при различных параметрах удара криволинейным ударником. Численно-аналитические методы и подходы, разработанные при решении указанных задач, допускают непосредственное обобщение на решение задач экспериментального определения динамических свойств материала и прикладных задач баллистики.
Развернуть
5
01.01.2011 - 30.04.2011
Проведен анализ совокупности результатов исследований и установлена корреляция между структурой, составом, стандартными механическими характеристиками и поведением композиционных керамик при ударе; определены наиболее перспективные композиционные керамики, проведена оптимизация технологических режимов и изготовлены образцы для дополнительных ударно-волновых измерений; выполнены ударно-волновые и стандартные квазистатические испытания оптимизированных керамических материалов; исследована дефектная структура керамик на основе Al2O3, Al, Mg и ZrO2 после ударного сжатия и выявлены условий зарождения разрушений; построена атомистическая модель структуры нанокристаллического Al2O3 на основе методов многогранников Вороного; проведено молекулярно-динамическое моделирование высокоскоростного деформирования и исследование вклада межзеренных границ и тройных стыков в процессы пластического деформирования и разрушения поликристаллического оксида алюминия; исследовано влияния размера зерен на кинетику разрушения; разработан графический интерфейс для математического моделирования ударно-волновых явлений пользователя с целью его применения сторонними организациями, проведены расчёты ряда двумерных и трехмерных гидродинамических задач.
Развернуть
6
01.05.2011 - 05.09.2011
Изготовлены образцы оптимизированных композиционных керамик; зарегистрирована и подготовлена для стороннего использования программа компьютерного моделирования ударно-волновых явлений "ИМПАКТ"; выполнена технико-экономическая оценка полученных результатов; разработана программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс. При завершении исследований и обобщении результатов выполнения НИР получены следующие результаты:
оптимизированы составы и режимы получения исходных порошков и приготовления однородных смесей, определены режимы синтеза керамики с наилучшими механическими характеристиками. Показано, что использование нанопорошка Al2O3 в метастабильных модификациях позволяет получить более прочную керамику. Показано, что добавление к Al2O3 диоксида циркония позволяет при схожих относительной плотности и микротвердости увеличить трещиностойкость образцов керамики на 30- 50%. Оптимизированные образцы керамики демонстрируют динамический предел упругости и динамическую прочности на разрыв на уровне лучших известных образцов керамической окиси алюминия.
Экспериментально показано, что пластическое деформирование зерен Al2O3 при больших напряжениях ударного сжатия осуществляется преимущественно путем двойникования. Неупругие деформации в композитной керамике с добавкой ZrO2 локализуются преимущественно во включениях двуокиси циркония, так как кристаллы окиси алюминия обладают более высокой твердостью
С помощью атомистического моделирования определены критические сдвиговые напряжения и механизмы начала пластической деформации в монокристалле Al2O3 вдоль различных систем скольжения. Полученные значения критических сдвиговых напряжений. Проведена оценка скорости зарождения и роста дислокационных петель в условиях ударно-волнового нагружения. Впервые обнаружен новый тип деформационного дефекта, образующийся на поверхности трещины или полости, а затем распространяющийся вглубь образца, непосредственно следуя за фронтом ударной волны. Образование такого линейного дефекта является первой стадией образование ромбоэдрического двойника. Подобные двойники являются также преобладающими дефектами, возникающими при пластической деформации поликристалла в волне сжатия. Зарождение дефектов происходит с запаздыванием, через некоторое время после прохождения фронта упругой волны.
На основе разработанных математических моделей проведены параметрические расчеты пробивания керамометаллических пластин при различных интенсивностях ударного воздействия, геометрических и материальных параметрах баллистической задачи. Показана принципиальная возможность оптимизации защитных структур без проведения большого числа натурных испытаний.
По теме проекта опубликовано 12 научных публикаций, еще две приняты в печать.Защищено 7 диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, представлена в диссертационный совет одна диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Девять молодых исследователей - участников проекта закреплены в сфере науки и образования.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2010 - 2012, 26 мес.
Бюджетные средства
6 млн
Организация
ИПМаш РАН
профинансировано
Продолжительность работ
2012 - 2013, 12 мес.
Бюджетные средства
0,39 млн
профинансировано
Тема
Разработка составов и способов получения высокопрочных толстолистовых строительных сталей, обладающих повышенным сопротивлением хрупкому и вязкому разрушению, для эксплуатации в сложных климатических и геологических условиях.
Продолжительность работ
2011 - 2012, 20 мес.
Бюджетные средства
20 млн
Количество заявок
2
Тема
Разрушение и деформирование материалов, в том числе материалов с памятью формы и наноструктурных материалов.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
5
Тема
Разработка методики проведения на суперкомпьютерах сверхмасштабируемых вычислений в задаче многоуровневого моделирования процессов деформирования и разрушения полимерных нанокомпозитов с целью создания новых конструкционных материалов с повышенными жесткостью и вязкостью разрушения.
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
40 млн
Количество заявок
9
Тема
«Организационно-техническое обеспечение проведения международной молодежной конференции «Механика разрушения и её приложения в инженерных науках» в рамках фестиваля науки».
Продолжительность работ
2012, 2 мес.
Бюджетные средства
1,4 млн
Количество заявок
1
Тема
Проведение прикладных исследований процессов динамического, высокоскоростного деформирования, структурных изменений в материале под воздействием импульсных магнитных полей. Разработка новых магнитно-импульсных технологий обработки материалов.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
6 млн
Количество заявок
5