2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................5
ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.......................................8
§1.1 Функционально-механические свойства материалов при двухзвенном
характере нагружения.........................................8
§1.2 Влияние вида напряженного состояния на характер деформирования
материалов..................................................14
§1.3 Свойства мартеиситной неупругости при неизотермическом деформировании материалов........................................22
§ 1.4 Эффекты мартеиситной неупругости, реализуемые в условиях сложного термомеханического воздействия.........................31
§1.5 Мартенситная неупругость материала, инициированная ортогональным изотермическим нагружением..............................35
§1.6 Поведение материалов с мартеиситной неупругостью в условиях производства механической работы...............................38
§1.7 Структурно-аналитическая теория прочности..................43
Выводы по главе 1...............................................54
ГЛАВА 2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА
ЭКСПЕРИМЕНТА..............................................56
§2.1 Постановка задачи....................................56
§2.2 Методика эксперимента................................58
ГЛАВА 3 ВЛИЯНИЕ ВИДА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ХАРАКТЕРА ИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА НЕУГ1РУГИЕ СВОЙСТВА НИКЕЛИДА ТИТАНА........67
§3.1 Влияние вида напряженно-деформированного состояния на характер изотермического деформирования сплава ТН-1 с мартенситным механизмом неупругости..............................67
з
§3.2 Свойства мартеиситной неупругости, обусловленные механоциклиро-
ванием в изотермических условиях........................77
§3.3 Мартенситная неупругость никелида титана, инициированная изотермическими догрузками в мартенситном и разгрузками в аустенитном
состояниях..............................................93
Выводы по главе 3..........................................101
ГЛАВА 4 ВЛИЯНИЕ ВИДА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ НА СВОЙСТВА МАРТЕИСИТНОЙ НЕУПРУГОСТИ
РЕАЛИЗУЕМЫЕ В НЕИЗОТЕРМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ....................102
§4.1 Влияния вида напряженно-деформированного состояния на поведение никелида титана в условиях проявления ЦІ 1Ф при термоциклиро-
вании под постоянным напряжением......................102
§4.2 Влияние вида напряженно-деформированного состояния на свойства мартеиситной неупругости никелида титана в условиях производства
механической работы...................................107
§4.3 Производство механической работы в условиях сложного нагружения......................................................117
Выводы по главе 4..........................................119
ГЛАВА 5 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
ОСНОВНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ....................121
§5.1 Влияние вида напряженно-деформированного состояния на деформирование материалов в изотермических условиях по механизму мар-
тенситной неупругости.................................121
§5.2 Расчетно-теоретический анализ влияния типа температурного гистерезиса и вида НДС на характер изотермического деформирования материалов.................................................127
§5.3 Влияние вида НДС на поведение материалов в условиях проявления
циклической памяти формы при переменных напряжениях.....133
Выводы по главе 5...........................................136
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ......................................138
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................143
5
Введение
Результатом научно-технического прогресса часто является усложнение конструкций и условий их работы. Большинство реальных деталей машин подвержено действию сложного комплекса механических и тепловых воздействий. Расширяется круг использования в различных областях техники материалов, обладающих уникальными свойствами, связанными с мартенситной неупругостыо. Разнообразное функциональное назначение таких элементов обуславливает возникновение в них сложного напряженного состояния, что позволяет говорить об актуальности проблемы исследования механического поведения материалов при сложных температурно-силовых воздействиях, тем более что информации о таких исследованиях в научной литературе недостаточно.
Для того чтобы обоснованно подойти к выбору материала и достоверно оценить его свойства, необходимо иметь представление об основных факторах, определяющих механическое поведение металлов и их сплавов. Современные теории механики твердых деформируемых тел позволяют не только объяснить многие механические характеристики, но и прогнозировать создание материалов с заданными свойствами. Однако разработка критериев для сопоставления механических характеристик, полученных при простейших нагружениях (растяжении, сжатии, кручении) и являющихся основным источником информации о материале, с его сопротивлением деформированию в условиях более сложной системы напряже-ний становится вес более актуальной.
В литературе широко представлены феноменологические подходы при решении задач о деформационном поведении материалов в критериальном аспекте. Однако точность любого критерия оценивается путем сопоставления результатов расчета и опыта. Известные экспериментальные данные о закономерностях деформирования при сложном напряженно-деформированном состоянии (НДС) весьма ограничены и противоречивы,
6
что может быть объяснено большими методическими трудностями при постановке опыта. Поэтому представляет интерес изучить влияние вида напряженно-деформированного состояния на неупругие свойства сплошных цилиндрических стержней в условиях различных температурносиловых воздействий.
Главной целью настоящей диссертационной работы является выполнение всестороннего, систематического, экспериментального и аналитического исследования влияния вида НДС на особенности механического поведения материала, обладающего мартенситной неупругостью, как в изотермических, так и неизотермических условиях.
Исследования проведены по следующим направлениям:
• исследование влияния вида НДС на характер изотермического деформирования сплава ТН-1 (никелида титана) при простом нагружении;
• систематическое исследование деформационных эффектов в никелиде титана при изотермическом механоциклировании его в условиях сложного напряженного состояния;
• исследование эффектов мартенситной неупругости никелида титана в условиях проявления циклической памяти формы (ЦПФ) и производства механической работы при сложном напряженном состоянии;
• разработка на основе структурно-аналитической теории методов численного моделирования механического поведения материалов с исходной текстурой аксиального типа при сложных функционально-механических режимах воздействия и сопоставление результатов расчета с данными экспериментов.
Автор выражает искреннюю благодарность:
своему научному руководителю доктору технических наук, заведующему кафедрой СМ и ПМ Ухтинского государственного технического университета Андронову Ивану Николаевичу за постоянное внимание к
работе, многочисленные обсуждения и постоянную помощь на протяжении всего периода выполнения данной работы;
научному консультанту доктору физико-математических наук, профессору Новгородского государственного университета Малинину Владиславу Георгиевичу за многочисленные консультации по вопросам использования структурно-аналитической теории прочности при описании явлений мартенситной неупругости;
коллективу кафедры физики и администрации Ухтинского государственного технического университета за повседневную поддержку при решении организационных вопросов, связанных с работой над диссертацией.
Используемые в работе сокращения:
ДОП - деформация ориентированного превращения
МЫ - мартенситная неупругость
НДС - напряженно-деформированное состояние
ОМП - обратимое мартенситное превращение
ОПФ - обратимая память формы
ПОП - пластичность обратного превращения
ППП - пластичность прямого превращения
ПУ - псевдоупругость
ТП - термоциклическая ползучесть
ЦПФ - циклическая память формы
ЭПП - эффект пластичности превращения
ЭПФ - эффект памяти формы
ЭРПФ - эффект реверсивной памяти формы
8
ГЛАВА 1 Литературный обзор
В первой главе диссертационной работы приведены литературные данные, посвященные исследованию функционально-механических свойств, как классических материалов, так и материалов с различными нетрадиционными механизмами протекания микродеформации (мартеисит-ными реакциями и упругим двойникованием) в условиях плоского напряженного состояния при ортогональном нагружении и сложном напряженно-деформированном состоянии.
Кратко освещены особенности поведения материалов с мартенсит-ной нсупругостыо при некоторых сложных режимах температурносилового воздействия и в условиях производства механической работы.
Значительное место уделено рассмотрению структурноаналитической теории прочности, позволяющей описать функциональномеханическое поведение указанных материалов.
В главе цитируются данные работ автора настоящей диссертации [17] и других авторов [1н-3,6,9,10,23-И60].
§ 1.1 Функционально-механические свойства материалов при двухзвенном характере нагружения
Технический прогресс привел к заметному усложнению используемых конструкций и условий их работы. В связи с этим, в неупругой области, возникает необходимость оценивать деформации и прочность материала с учетом деформированного состояния и пути нагружения.
В монографиях [41,42,113,118,128,130,134,144] широко отражены исследования отечественных и зарубежных специалистов по проблемам прочности, пластичности и ползучести металлов при нестационарных и переменных нагружениях.
9
Большинство известных теорий пластичности, обзор которых представлен в [75,80,134,138], хорошо подтверждаются в случае простого нагружения. Однако в настоящее время не существует теории пластичности для описания поведения материалов и их НДС при сложном нагружении, когда главные оси напряжений и деформаций в каждой точке тела существенно меняют свою ориентацию в процессе нагружения [68,70].
Об удовлетворительном соответствии результатов теоретических расчетов, выполненных на основе деформационной теории и теории течения, опытным данным, если сложное нагружение производится при неизменной ориентации главных осей, указывается в [70,157]. Опыты проводились по испытанию внутренним давлением и осевой силой тонкостенных трубчатых образцов из стали ЗОХНЗА и малоуглеродистой стали. Нагружение до наступления пластической деформации было пропорциональным, а затем при постоянном или незначительно возрастающем отношении истинных напряжений.
Существенное количественное расхождение опытных данных с результатами теоретических расчетов по теории малых упругопластических деформаций и теории течения наблюдается в тех случаях, когда сложное нагружение сопровождается резким поворотом главных осей [45,68,70, 137,150,158,159]. Т.е. существует мнение, что теории пластичности в этом случае дают результаты, в одинаковой мере не согласующиеся с опытными данными (рис. 1.1).
Например, в работах [68,137] проведены испытания трубчатых образцов стали, меди, латуни и дюралюминия на растяжение за пределы упругости с последующим кручением и на кручение с последующим растяжением. Одновременно с увеличением деформаций догрузки наблюдалось дополнительное возрастание начальной пластической деформации и увеличение наклона линейных участков.
Рис. 1.1 Кривые кручения латуни при различных значениях нормального напряжения [137]: а - 8,7 (а); 9,4 (б); 9,8 (в); 10,6 (г); 11 (д); 13,2 (е) кГ/мм2; I - по деформационной теории; 2 - по теории течения; 3 - по теории скольжения; 4 - экспериментальная кривая.
Аналогичные опыты, сопровождающиеся поворотом главных осей при нагружениях, представлены в работе [125]. По мнению авторов, в лучшем соответствии с опытными данными находится теория течения. Испытания трубчатых образцов из аустенитной стали Х18Н9Т, при растяжении с кручением, показали, что разница между данными опыта и предсказаниями теории малых упруго-пластических деформаций возрастает с увеличением степени предварительного деформирования. 11уть пластической деформации, предсказанный теорией течения, близок к экспериментальному. Приращения пластических деформаций по теории малых упруго-пластических деформаций значительно больше экспериментальных, а наибольшее расхождение с опытными данными наблюдается, когда в соответствии с деформационной теорией пластический сдвиг должен полностью исчезнуть. В тоже время, теория течения не предсказывает экспериментально известного факта изменения упругих свойств материала при пластической деформации [41,42,45,68,150].
11
По-прежнему остается неясным вопрос о характере изменения формы предельной поверхности в процессе пластическою деформирования. Для случая двухзвенного нагружения тонкостенных алюминиевых образцов теоретическая картина эволюции поверхности пластичности приведена в работах [86,137].
Область применимости теории малых упруго-пластических деформаций давно установлена [68,75,76,80,119]. Это - простые и близкие к простым нагружения. Поэтому полученные значительные отклонения нельзя считать неожиданными. Расхождения теоретических и опытных данных при рассмотренных нагружениях указывают на правомерность выдвижения новых, экспериментально обоснованных гипотез. Среди которых: раз-номодульная теория, варианты теории пластичности с изотропно-кинематическим упрочнением, учитывающие фазу подобия девиаторов и элементы структурных моделей среды [77,131 ] и др.
В работе [75] отмечается, что постулат изотропии является общим законом поведения первоначально изотропного, в отношении упругих и пластических свойств, материала при произвольном сложном нагружении. Однако другого мнения придерживаются авторы работ [74,121], обратившие внимание на тот факт, что опыты для проверки постулатов теории упруго-пластических деформаций были проведены лишь на материалах, имеющих обобщенную кривую в виде <тДе,). Отмечалось также, что, следующая из постулата изотропии, инвариантность пластических свойств среды для первого и третьего инвариантов тензора напряжений экспериментально не подтверждается [116].Подобные выводы сделаны и в работах [117,120]. Например, в [120] показано, что вид девиатора напряжений оказывает влияние на процессы пластического деформирования при кратковременном нагружении, а также на процессы разрушения в условиях длительного нагружения. Влияние вида девиатора предварительной пла-
12
стичсской деформации на пластичность и длительную прочность металлов при различных программах нагружения рассмотрено ив [ 1301.
В работах, представленных в [41,42], исследовались закономерности упругопластического деформирования при сложных нагружениях тонкостенных образцов осевым и окружным напряжениями с частичной разгрузкой в одних направлениях и активных нагружениях в других. Установлена возможность существенного повышения прочностных и деформационных свойств при определенных условиях нагружения. В ряде работ представлены новые варианты соотношений между приращениями тензоров напряжений и деформаций упрочняющегося тела с учетом истории деформирования и последующего нагружения.
Экспериментальное исследование, выполненное в [63] позволяет выделить класс сложных нагружений, которые не оказывают существенного влияния на характер упрочнения материала при повторном нагружении, а способствуют последовательному наложению состояний чистого сдвига. Утверждается, что для данных случаев существует единая кривая деформирования, совпадающая с кривой при пропорциональных нагружениях и выполняется гипотеза о подобии девиаторов напряжений и приращений пластических деформаций.
Закономерности неуиругого деформирования материала в изотермических сложных процессах нагружения по траекториям в виде двухзвенных ломаных изучены в работах [145]. Трубчатые образцы из жаропрочного сплава ЭИ437 нагружали растягивающей силой и крутящим моментом, чтобы получить нагружение по траекториям в виде двухзвенных ломаных. Результаты экспериментов при сложном нагружении показали, что угол наклона вектора деформации к траектории нагружения зависит от длины дуги этой траектории до точки ее излома, однако с развитием пластических деформаций эта зависимость ослабевает, и ею можно пренебречь. Изменение угла наклона вектора деформации к траектории нагруже-
ния зависит от температуры и не зависит от скорости процесса нагружения в пределах ее изменения на порядок. Показано, что при углах излома траектории нагружения, больших 90°, зависимость указанного угла от длины дуги траектории нагружения после точки ее излома не является универсальной.
Аппроксимация и обращение зависимостей между приращениями напряжений и деформаций за пределами упругости для окрестности излома траектории нагружения в зависимости от угла излома рассматриваются в [143].
В работе [73] изложены теоретические основы установления определяющих соотношений между напряжениями и деформациями в дифференциальной форме для изотермических процессов нагружения в девиа-торном пространстве напряжений A.A. Ильюшина. Рассмотрены частные случаи пространственных и плоских задач. Указаны параметры, от которых зависят функционалы процессов и которые следует измерять в экспериментах при активных процессах неупругого нагружения.
Результаты исследования сложного нагружения и особенностей упрочнения при пластическом деформировании стали по замкнутым криволинейным траекториям представлены в работе [74].
На основе теории неупругости в [53] сформулированы уравнения, описывающие процессы упругопластического поведения материала при произвольном нагружении с учетом влияния угла излома, длины первого звена и его ориентации на скалярные и векторные свойства. Отмечается хорошее соответствие теоретического расчета и эксперимента.
Закономерности низкотемпературного деформирования металла, изучение влияния сложного нагружения на инвариантность обобщенных кривых а: = Ф (в*), опытная проверка постулата изотропии и закона запаздывания исследовались в Институте проблем прочности АН УССР [128,130]. Испытания осуществлялись без поворота главных осей тензора
14
напряжений и сопровождались непрерывным ростом интенсивности напряжения.
В лаборатории «Компьютерное конструирование материалов и технологий» НовГУ разработан комплекс экспериментальных методик, описанный в работах [44,110,111], которые позволяют производить исследования физико-механических свойств материалов в сложных термомеханических условиях. Созданы условия для выполнения экспериментальных исследований на основе единых методик с учетом влияния вида НДС, при произвольных траекториях воздействия в пространстве напряжений и деформаций, реализации различных режимов термоциклического воздействий, вариации скоростей в широком интервале и т.д. Результаты выполненных исследований приведены в работах [45,102,112].
Исследования ползучести и длительной прочности стали Х18Н10Т, в условиях сложного напряженного состояния, представлены в [101]. Рассматривая влияние пути нагружения на ползучесть, в [134] показано, что при постоянном значении интенсивности напряжений эффект упрочнения при смене нагрузки почти не проявляется, отмечается, что данный факт указывает на направленный характер упрочнения.
§ 1.2 Влияние вида напряженного состояния на характер деформирования материалов
Наиболее полный обзор о закономерностях деформирования материалов при сложном напряженном состоянии представлен в работах [101, 113,118,128,130,134]. Отмечается, что экспериментальное изучение пластичности, ползучести и длительной прочности материалов при сложном напряженном состоянии производится, главным образом, на тонкостенных цилиндрических трубках, которые подвергаются одновременному воздействию осевой силы, скручивающего момента и внутреннего давления в
- Київ+380960830922