Автореферат (Микроструктурная модель необратимой деформации и дефектов в сплавах с памятью формы)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиБЕЛЯЕВ Федор СтепановичМИКРОСТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ НЕОБРАТИМОЙ ДЕФОРМАЦИИИ ДЕФЕКТОВ В СПЛАВАХ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ01.02.04-Механика деформируемого твердого телаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степени кандидатафизико-математических наукСанкт-Петербург 2016Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.Научный руководитель:доктор физико-математических наук,профессор кафедры теории упругости СПбГУВолков Александр ЕвгеньевичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,профессор,Мовчан Андрей Александрович(Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт прикладноймеханики Российской академии наук(ИПРИМ РАН), главный научный сотрудникотдела механики адаптивных композиционныхматериалов и систем)доктор физико-математических наук,Гуткин Михаил Юрьевич(Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт проблеммашиноведения Российской академии наук(ИПМаш РАН), главный научный сотрудниклаборатории механики наноматериалов итеории дефектов)Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетноеучреждение науки Институт механикисплошных сред Уральского отделенияРоссийской академии наук (ИМСС УрО РАН)Защита состоится 24 ноября 2016 года в 14 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.30 на базе Санкт-Петербургскогогосударственного университета по адресу: 198504, Санкт-Петербург, СтарыйПетергоф, Университетский пр., 28, математико-механический факультет,ауд.

405.С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им.М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу:199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9и на сайте:https://disser.spbu.ru/disser/soiskatelyu-uchjonoj-stepeni/dis-list/details/14/1069.htmlАвтореферат разослан "____"_____________2016 года.Ученый секретарь диссертационного советадоктор физ.-мат. наукЕ.В. КустоваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работыСплавы с памятью формы (СПФ) относятся к группе перспективных«умных» материалов.

Они демонстрируют такие эффекты как пластичностьпревращения (накопление большой деформации при охлаждении поднагрузкой), память формы (восстановление накопленной деформации принагреве), псевдоупругость (возможность получения большой деформации принагружении и ее возврат при разгрузке). Эти сплавы благодаря уникальнымвозможностям поведения нашли широкое применение в технике и медицине: изних изготавливают термомеханические муфты, термочувствительные элементы,детали силовых установок, виброзащитные элементы, устройства расчековки иразвертывания, рабочие элементы приводов, различные медицинские стенты,скрепки и зажимы.

Для успешного проектирования этих и других устройствнеобходима разработка надежных средств расчета деформационного поведенияи методов оценки усталостных свойств этих материалов. Решению даннойзадачи посвящены усилия многих исследователей в России и в мире. Этиобстоятельства обосновывают актуальность настоящей работы.Большинство существующих в настоящее время микроструктурныхмоделей фокусируется на описании обратимой (фазовой) деформации СПФ.

Прирасчете рабочих элементов из СПФ, работающих в условиях циклическихвоздействий напряжения и/или температуры, важно рассчитывать не толькообратимую деформацию, но и необратимую. Необратимая деформация приводитк изменению геометрических и функциональных характеристик элемента изСПФ, снижая его эксплуатационный ресурс. Несмотря на множество подходовописания необратимой деформации, макроскопические модели, как правило,ограничиваются простым нагружением, а микроструктурные не даютудовлетворительного описания деформации при циклических нагрузках. Дляоценки надежности и срока службы элементов из СПФ, работающих в режимециклической нагрузки, кроме накопления необратимой деформации,необходимо учитывать усталостную долговечность. К настоящему времениполучено много экспериментальных результатов о поведении СПФ приразличных циклических воздействиях. Несмотря на это, методыпрогнозирования циклической долговечности СПФ развиты слабо.

Большинствоиз них основано на использовании закона Коффина-Мэнсона. Такой подходпозволяет получать хорошие количественные оценки, однако его нельзяиспользовать для построения универсального критерия долговечности из-занеоднозначности определения постоянных при разных режимах циклическоговоздействия. Другой подход, описанный в работе (Волков А.Е., Евард М.Е.,Бобелева О.В. Моделирование накопления дефектов и повреждаемости впроцессе пластической деформации мартенсита в сплавах с памятью формы //Материаловедение, 2006.

№ 12. С. 2-5.), использует критерий разрушения,встроенный в микроструктурную модель. Это позволяет получать оценкидолговечности для различных режимов воздействий, но данный критерий не3учитывает влияние на разрушение действующего напряжения, что можетприводить к неверным результатам.В связи с вышесказанным, основной целью кандидатской диссертацииявляется: построение микроструктурной модели сплавов с памятью формы,позволяющейрассчитыватьобратимуюфазовуюинеобратимуюмикропластическую деформацию, прогнозировать усталостную долговечность сучетом взаимодействия вариантов мартенсита, накопления деформационныхдефектов и поврежденности в процессе микропластической деформации.

Длядостижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:1. Разработать способ учета взаимодействия вариантов мартенсита в никелидетитана, обусловливающего образование согласованных пар вариантов.2. Разработать модель микропластической деформации, учитывающуюизотропное и трансляционное упрочнения в связи с накоплениемориентированных и рассеянных деформационных дефектов.3. Разработать и включить в модель новый деформационно-силовой критерийразрушения, учитывающий влияние напряжений, деформационных дефектови поврежденность материала.4. Составить алгоритм для расчета напряженно-деформированного состоянияСПФ на основе разработанной модели и написать реализующую егокомпьютерную программу.5.

Изучить влияние материальных постоянных на общую деформацию приоднократном и циклическом воздействии. Определить методику выбораматериальных постоянных, позволяющую калибровать модель для описанияконкретного материала.6. Выполнить для эквиатомного сплава никелида титана моделированиеохлаждения и нагрева под различными напряжениями; рассчитатьобратимую и необратимую деформацию в условиях реализации эффектадвусторонней памяти формы, циклического изменения температуры илинапряжения, мягкого рабочего цикла мартенситного двигателя; определитьчисло циклов до разрушения при термо- и механоциклировании.Научная новизнаДля микроструктурной модели, в которой варианты мартенситапредставлены бейновскими вариантами фазовой деформации, построенаматрица взаимодействия вариантов мартенсита в никелиде титана, приводящегок его росту в виде согласованных пар.

Впервые разработана микроструктурнаямодель СПФ, позволяющая описывать обратимую (фазовую) деформацию,необратимую (микропластическую) деформацию и поврежденность материала спозиций концепции эволюции деформационных дефектов, а такжепрогнозировать усталостную долговечность образца. Выполнены расчетынеобратимойдеформации,накоплениядеформационныхдефектов,трансляционного и изотропного упрочнения. Сформулирован новыйдеформационно-силовой критерий прочности, учитывающий влияние среднегодавления, деформационных дефектов и поврежденности материала. Определены4способы нахождения и алгоритмы подбора всех материальных постоянных.Выполненподборматериальныхпостоянныхдлямоделированиядеформационного поведения эквиатомного сплава никелида титана.

Выполненырасчетытермоциклическойимеханоциклическойдолговечности,согласующиеся с известными экспериментальными результатами.Теоретическая и практическая значимость работыТеоретическое значение данной работы заключается в том, чторазработанная модель может быть использована для описания функциональныхсвойств, накопления необратимой деформации и прогнозирования усталостнойдолговечности СПФ; она может служить основой для выявления вкладовразличных механизмов деформации в формирование функциональномеханических свойств СПФ и, соответственно, для дальнейшего развитиятеоретического описания деформации СПФ. Практическое значение работысостоит в том, что модель может применяться при разработке функциональныхэлементов приводов и других устройств из СПФ, работающих в условияхциклических воздействий напряжения и температуры, для выборагеометрических характеристик, силовых и температурных режимов,обеспечивающих стабильность свойств сплава и, следовательно, рабочиххарактеристик устройства.Методология и методы исследованияПри разработке модели использовались хорошо зарекомендовавшие себяподходы описания деформации СПФ: рассмотрение деформации на несколькихструктурных уровнях, связанных между собой операторами усреднения;описание мартенситного превращения с помощью методов равновеснойтермодинамики, выражение энергии взаимодействия вариантов мартенсита ввиде квадратичной формы.

Использовались представления о связи необратимойдеформации, трансляционного и изотропного упрочнения с плотностямидеформационных дефектов. Для формулировки критерия разрушенияиспользовалась концепция поврежденности как фактора, снижающегопрочность материала.Положения, выносимые на защиту1. Описание энергии взаимодействия бейновских вариантов мартенсита вникелиде титана с помощью предложенной в данной работе матрицыквадратичной формы.2. Модель микропластической деформации, учитывающая изотропное итрансляционное упрочнения, порожденные накоплением ориентированных ирассеянных деформационных дефектов.3.