Автореферат (1149750), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Выполнено моделированиерабочего элемента мартенситного двигателя, работающего в режиме «мягкого»(управляемого напряжением) цикла. Для данного режима рассчитанонакопление необратимой деформации в процессе работы и полезная работа взависимости от номера цикла.На рисунке 3 представлены расчетные зависимости необратимойдеформации в цикле от номера цикла, полученные при моделированиитермоциклирования образца под постоянным напряжением 50 МПа (а) и200 МПа (б), в сравнении с аналогичными экспериментальными данными.Видно, что расчетные результаты хорошо соответствуют экспериментальнымданным. Расчетные зависимости являются убывающими, причем характерубывания хорошо описывается убывающей экспонентой.10(б)экспериментрасчет8Деформация, %Деформация, %(а)6420010200,20,10,030экспериментрасчет2,00102030Номер циклаНомер циклаРисунок 3 - Зависимости необратимой деформации в цикле от номера цикла притермоциклировании под напряжением 200 МПа (а) и 50 МПа (б), расчет иэксперимент (A.
Sibirev et al., 2014).13На рисунке 4 представленызависимости удельной работы в цикле отномера цикла для термомеханическихвоздействий,соответствующихрабочемуэлементутепловогомартенситного двигателя с мягким(управляемом напряжением) циклом, содинаковыминапряжениямиприохлаждении 50 МПа, и различныминапряжениями при нагреве. На этомрисункевидно,чтоудельнаямеханическая работа возрастает втечении первых 20-30 циклов, а затемстабилизируетсянанекоторомпостоянном уровне.15Работа, МДж/м3напряжение при нагреве (МПа)12020030010500255075100Номер циклаРисунок 4 - Зависимости удельноймеханической работы в цикле отномера цикла для различныхнапряжений при нагреве в мягкомрежиме.В главе 4, состоящей из трех подразделов, в модель введен критерийразрушения; описана процедура подбора значений материальных постоянных,использующихся для расчета разрушения; приведены данные расчетов числациклов до разрушения при различных циклических воздействиях.В подразделе 4.1 обоснован критерий разрушения, учитывающий, влияниедействующего напряжения, плотностей деформационных дефектов иповрежденности материала.
Повреждение материала происходит за счетобразования и развития пор, нано- и микротрещин. Для описания поврежденийматериала введено понятие дефектности материала. В данной работе принято,что дефектность материала в зерне p, пропорциональна суммарноймикропластической деформации этого зерна:̇ = ∑|̇ | ,=1где B – материальная постоянная, учитывающая развитие дефектности примикропластической деформации.Критерий разрушения на микроуровне, связанный с n-ым вариантоммартенсита, имеет вид:()1+ (1 + 2 | |) =,31+где () и Tσ – след тензора напряжений и интенсивность касательныхнапряжений; τF – предел прочности материала на сдвиг; k1, k2 – материальныепостоянные.
Этот критерий подобен критерию Шлейхера – Надаи,учитывающему влияние на разрушение среднего давления и интенсивностикасательных напряжений. Постоянная k1 отвечает за силу влияния среднегодавления на процесс разрушения. Скопления ориентированных дефектов,описываемые плотностью bn, выступают как концентраторы напряжения.Постоянная k2 определяет масштаб влияния ориентированных дефектов наразрушение. Дефектность p ослабляет материал, снижая его предел прочности.14300200100100100010000Число циклов до разрушения4экспериментрасчет321100100010000Число циклов до разрушенияДеформация, %экспериментрасчетДеформация, %Напряжение, МПаВеличина ⁄(1 + ) является эффективным пределом прочности: в отсутствиидефектности (p=0) оно равно значению параметра τF, а при ее увеличенииснижается.В качестве условия разрушения зерна принято выполнение критерияразрушения на микроуровне для одного из вариантов мартенсита этого зерна.Представительный объем считается разрушенным, если разрушилось хотя быодно из его зерен.
Таким образом, представительный объем разрушается привыполнении критерия разрушения на микроуровне для хотя бы одного вариантамартенсита в хотя бы одном из его зерен.В подразделе 4.2 описана методика подбора материальных постоянных k1,k2, B, используемых при описании разрушения.В подразделе 4.3 приведены результаты моделирования разрушениясплава никелида титана при различных циклических термомеханическихвоздействиях. Получена зависимость числа циклов до разрушения отнапряжения при термоциклировании под постоянным растягивающимнапряжением, которая хорошо совпадает с имеющимися экспериментальнымиданными (рисунок 5 (а)).
Близость расчетной зависимости на рисунке 5 (а) кпрямой линии в полулогарифмических координатах позволяет сделать вывод обэкспоненциальной зависимости числа циклов до разрушения от величиныприложенного напряжения при термоциклировании.Кромеэтого,производилосьописаниеразрушенияпримеханоциклировании. Выполнено моделирование разрушения при циклическомрастяжении-сжатии до различных значений деформации.
Расчетные иэкспериментальные значения числа циклов до разрушения в зависимости отзначения максимальной деформации показаны на рисунке 5 (б). Сделан расчетчисла циклов до разрушения для цикла: растяжение до фиксированнойдеформации – разгрузка. Расчетная зависимость числа циклов до разрушения отзначения максимальной деформации в сравнении с экспериментальнымиданными приведена на рисунке 5 (в). Расчетные зависимости на рисунках 5 (б) и(в) в двойных логарифмических координатах близки к прямым линиям, чтопозволяет судить о степенной зависимости числа циклов до разрушения отмаксимальной деформации при механоциклировании в псевдоупругом режиме.10987экспериментрасчет654100010000Число циклов до разрушения(б)(а)(в)Рисунок 5 - Число циклов до разрушения при термоциклировании подразличными напряжениями расчет и эксперимент (Беляев С.П.
и др., 1987) (а);при циклическом двустороннем деформировании расчет и эксперимент(S. Miyazaki et al., 1999) (б); при циклическом деформировании дофиксированной деформации расчет и эксперимент (Андреев В.А. и др., 2007)(в).15Напряжение при нагреве, МПаРисунок 5 показывает, что построенная модель с деформационно-силовымкритерием разрушения дает хорошее соответствие расчетных результатов иэкспериментальных данных при описании малоциклового усталостногоразрушения сплавов с памятью формы.Было произведено моделирование400работы до разрушения элемента изникелида титана в условиях мягкого300цикла. Для ряда экспериментов содинаковыминапряжениямипри200охлаждении,равными50 МПаиразличными напряжениями при нагреве100было рассчитано число циклов до100010000разрушения.
Полученная зависимостьЧисло циклов до разрушениячисла циклов до разрушения отРисунок 6 – Число циклов донапряжения при нагреве представлена наразрушения при работе в условияхрисунке 6. Из этого рисунка видно, чтомягкого цикла в зависимости отрасчетная зависимость близка к прямойнапряжения при нагреве.линиивполулогарифмическихкоординатах, что позволяет сделать вывод об экспоненциальной зависимостичисла циклов до разрушения от величины напряжения, приложенного принагреве.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ результате выполнения диссертационной работы достигнута поставленнаяцель, сделаны следующие выводы и получены следующие основные результаты.Разработана микроструктурная модель сплавов с памятью формы,позволяющаярассчитыватьобратимуюфазовуюинеобратимуюмикропластическую деформацию, прогнозировать усталостную долговечностьэтих материалов.
Выполненные с ее помощью расчеты показали, что:1. Предложенный способ учета энергии взаимодействия бейновских вариантовмартенсита в модели и полученная матрица взаимодействия позволяютописывать формирование согласованных пар вариантов мартенсита вникелиде титана.
Показано, что чем больше энергия взаимодействиявариантов, тем меньше обратимая фазовая деформация.2. Расчет микропластической деформации с учетом деформационных дефектов,отвечающих за изотропное и трансляционное упрочнение, позволяет дляциклических термомеханических воздействий описывать зависимостьнеобратимой деформации за один цикл от номера цикла. Расчетыпоказывают, что при различных приложенных напряжениях эта зависимостьхорошо аппроксимируется убывающей экспонентой.3. Разработанная модель с включенным в нее деформационно-силовымкритерием разрушения позволяет получать хорошую оценку долговечностиэлементов из сплавов с памятью формы при различных циклическихтермомеханических воздействиях, согласующуюся с известными16экспериментами на никелиде титана.
При термоциклировании подпостоянным напряжением число циклов до разрушения экспоненциальнозависит от величины приложенного напряжения. При циклическомдеформировании СПФ в аустенитном состоянии зависимость числа цикловдо разрушения от амплитуды деформации близка к степенной в том случае,когда эта амплитуда достаточна для развития псевдоупругости.4. Расчет удельной механической работы, производимой никелидом титана вмягком рабочем цикле, показывает, что эта работа возрастает в продолжение20-30 циклов после чего стабилизируется.
При одинаковом напряжении,действующем при охлаждении, число циклов до разрушенияэкспоненциально зависит от напряжения, действующего при нагреве. Приудельной работе за цикл 3 МДж/м3 разрушение достигается при более чем 104циклов.СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИСтатьи в журналах, рекомендованных ВАК:1. Беляев Ф.С., Волков А.Е., Евард М.Е. Микроструктурное моделированиеобратимой и необратимой деформации при циклическом термомеханическомнагружении никелида титана // Вестник Тамбовского университета. Сер.Естественные и технические науки.
- Тамбов, 2013. - Т. 18. - № 4. - С. 20252026.2. Belyaev F.S., Volkov A.E., Evard M.E., Volkova N.A. A Microstructural model ofSMA with Microplastic Deformation and Defects Accumulation: Application toThermocyclic Loading // MaterialsToday: Proceedings, Volume 2, Supplement 3,2015, P. S583–S587. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.matpr.2015.07.3523.
Беляев Ф.С., Волков А.Е. Влияние взаимодействия вариантов мартенсита наобратимую фазовую деформацию в сплавах с памятью формы // Механикакомпозиционных материалов и конструкций. - 2015. - Т. 21. - № 2. - С. 190196.4. Volkov A.E., Belyaev F.S., Evard M.E., Volkova N.A. Model of the Evolution ofDeformation Defects and Irreversible Strain at Thermal Cycling of Stressed TiNiAlloy Specimen // MATEC Web of Conferences. 2015. V. 33. art.
03013. 5p. DOI:http://dx.doi.org/10.1051/matecconf/20153303013Статьи в других изданиях5. Беляев Ф.С., Волков А.Е., Евард М.Е. Микроструктурное моделированиедеформационных эффектов в сплаве с памятью формы придвухкомпонентном напряженном состоянии // Тезисы докладов 54международной конференции "Актуальные проблемы прочности". Екатеринбург, 2013.
- С. 182.6. Беляев Ф.С. Влияние взаимодействия вариантов мартенсита на обратимую инеобратимую деформацию в сплавах с памятью формы // Тезисы докладовМеждународной научной конференции по механике "Седьмые Поляховскиечтения". - М.: Издатель И.В. Балабанов, 2015. - С. 157.177. Belyaev F.S., Volkov A.E., Evard M.E. Modeling of deformation and functionalproperties of shape memory alloys based on a microstructural approach // ShapeMemory Alloys: Properties, Technologies, Opportunities.
/ Resnina N.N., RubanikV.V. (eds.). Pfaffikon, Switzerland: Trans Tech Publications Ltd, 2015. pp. 20-37.Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 16-31-00216 и грант№15-01-07657 и при финансовой поддержке Правительства РФ, программамегагрантов (грант № 14.В25.31.0017).18.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
