Диссертация (1149751)
Текст из файла
Санкт-Петербургский Государственный УниверситетНа правах рукописиБеляев Федор СтепановичМИКРОСТРУКТУРНАЯ МОДЕЛЬ НЕОБРАТИМОЙДЕФОРМАЦИИ И ДЕФЕКТОВ В СПЛАВАХ СПАМЯТЬЮ ФОРМЫСпециальность 01.02.04 – механика деформируемого твердого телаДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель: д.ф.-м.н. Волков А.Е.Санкт-Петербург – 2016 г.2ОглавлениеВведение ...........................................................................................................................
4Глава 1. Аналитический обзор ..................................................................................... 161.1. Феноменологические модели............................................................................ 181.2. Микроструктурные модели и описание взаимодействия мартенситныхвариантов.................................................................................................................... 231.3. Модели, учитывающие необратимую деформацию ....................................... 351.4. Описание усталостной прочности и дефектов в СПФ ...................................
491.5. Выводы по аналитическому обзору ................................................................. 55Глава 2. Микроструктурная модель фазовой деформации ....................................... 582.1. Формулировка модели ....................................................................................... 582.2. Построение матрицы Amn для никелида титана............................................... 632.3. Определение материальных постоянных ........................................................ 66Глава 3. Моделирование микропластической деформации ...................................... 723.1.
Модель микропластической деформации и дефектов ................................... 723.2. Выбор материальных постоянных ................................................................... 773.2.1. Выбор начальных значений для упрочнений и плотностей дефектов .. 773.2.2. Поиск материальных постоянных a, β *, .............................................. 773.2.3. Определение материальной постоянной ay ..............................................
823.2.4. Определение материальной постоянной r1 .............................................. 823.2.5. Пример подбора материальных постоянных для микропластическойдеформации ............................................................................................................ 833.3. Примеры моделирования с учетом микропластической деформации .........
86Глава 4. Условие разрушения на микроуровне и на макроуровне........................... 954.1. Методы оценки долговечности СПФ ............................................................... 954.2. Критерий разрушения и его обоснование ....................................................... 964.3.
Калибровка модели, определение материальных постоянных для описанияразрушения................................................................................................................. 9934.4. Моделирование разрушения при циклических воздействиях ..................... 1014.4.1. Разрушение при термоциклировании .....................................................
1014.4.2. Разрушение при механоциклировании ................................................... 102Заключение .................................................................................................................. 106Список литературы ..................................................................................................... 1084ВведениеАктуальность темы исследованияСплавы с памятью формы (СПФ) относятся к группе весьма перспективных«умных» материалов. Они обладают такими эффектами как пластичностьпревращения (накопление большой деформации при охлаждении под нагрузкой),памятьформы(восстановлениенакопленнойдеформациипринагреве),псевдоупругость (способность накопления большой деформации, обратимой приразгрузке). Эти сплавы, благодаря уникальным особенностям поведения нашлиширокое применение в технике и медицине [1-8].
Муфтами из таких сплавовсоздают прочные неразъемные соединения труб и стержней, в том числе,скрепляют узлы, не поддающиеся этой операции с помощью традиционныхтехнологий. Сильное влияние температуры на деформацию используется присоздании термочувствительных элементов. Способность данных сплавов создаватьзначительные реактивные усилия используется при изготовлении деталей силовыхустановок. В космической отрасли применяются виброзащитные элементы,устройства расчековки и саморазвертывающиеся конструкции из этих сплавов. ИзСПФ создаются приводы, (актуаторы), тепловые мартенситные двигатели. Кпреимуществам таких приводов перед традиционными, можно отнести малыеразмеры и масса (при плотности энергии в 4000 раз выше, чем у электромоторалинейные актуаторы на основе сплавов с памятью формы позволяют создаватьмощные устройства при небольших габаритах [6]), надёжность срабатывания,бесшумность и высокие показатели развиваемых усилий.
Мартенситные двигателиявляются экологически чистыми и способны работать при небольших рабочихтемпературах, близких к климатическим, и при перепадах температуры междунагревателем и холодильником лишь в несколько десятков градусов. Одной изсамых больших областей применения изделий из СПФ является медицина [7]. Вортопедии для лечения переломов костей используются скрепки, штифты,пористые имплантаты, протезы кости. При исправлении прикуса применяют5ортодонтические дуги различной формы. Также из этих материалов делаютэндоваскулярные стенты, ловушки для камней в желчном пузыре и т.д.Сплавыспамятьюформыобладаютогромнымпотенциаломвиспользовании, но несмотря на то, что они уже нашли себе применение вомножестве приложений, широкого распространения этихматериалов непроисходит. Одной из главных причин этого (наряду с недостаточнойизученностью тонких особенностей проявления функционально-механическихсвойств) является недостаток надежных средств расчета деформации и методовоценки усталостных свойств этих материалов.
Своеобразие механических свойстви отсутствие для СПФ однозначной зависимости между напряжениями,деформациями и температурой делают невозможным использование обычныхметодов расчета. В таких условиях для описания деформации применяют моделимеханического поведения материалов, так как они могут учесть всю сложностьдеформационных механизмов материала.Степень разработки темы исследованияПостроениемоделеймеханическогоповеденияСПФвпоследниедесятилетия стало предметом интенсивных исследований многих ученых.Полученные модели условно можно разделить на две группы: макроскопические имикроструктурные модели.Макроскопические модели основаны на механике сплошной среды c учетомтермодинамикии/илинепосредственноаппроксимациикривыхэкспериментальных данных.
Исследователи обычно используют объемную долюмартенсита в качестве внутренней переменной и различные математическиефункции для описания ее зависимости от температуры и напряжения. Такиемодели, как правило, больше подходят для технических применений из-за ихпростоты и малого количества вычислений. Зачастую материальные постоянныеопределяются непосредственно из экспериментальных данных, что позволяетмодели давать в некоторых случаях достаточно точное соответствие сэкспериментом. Но при этом стоит отметить, что макроскопические моделиописывают деформацию феноменологически, без рассмотрения деформационных6процессов на микроуровне, из-за чего они имеют невысокую предсказательнуюспособность. Часто такие модели имеют узкую направленность и применяются дляописания конкретного явления, в основном это псевдоупругое поведение илиэффект памяти формы.К настоящему моменту разработано множество макроскопических моделей,которые используют разнообразные подходы описания деформации.
В моделиБертрама [9], мартенситные превращения описываются с позиции теории теченияпри помощи введения второй поверхности текучести, определяющей «обратное»течение при разгрузке, и установления зависимости поверхностей текучести оттемпературы. В модели А.А. Мовчана [10, 11], вводится внутренняя переменная,определяющая объемную долю мартенсита, для которой постулируются законы еезависимости от температуры и с которой связывается фазовая деформация.Отдельное слагаемое отвечает за эффект деформации ориентированногопревращения – довольно тонкого явления, характерного для некоторых СПФ.Построение ряда моделей начинается с рассмотрения законов термодинамики:вводится функция свободной энергии, зависящая от внешних переменных ипараметров состояния материала, затем постулируются эволюционные уравнениядля внутренних параметров модели Танаки [12, 13], Лагоудаса [14], ЛиангаРоджерса [15].Микроструктурные модели описывают деформацию на микроуровне,основываясь на представлениях о лежащих в ее основе физических процессах,таких как упругость, тепловое расширение, фазовое превращение, переориентациямартенсита,пластичность.Макроскопическаядеформациярассчитываетсяпосредством усреднения деформаций отдельных структурных элементов, чтопозволяет учесть реальную структуру материала.
Основным достоинством такогомоделирования является более высокая предсказательная сила, чем примакроструктурном подходе, поскольку определяющие уравнения формулируютсяввиде,инвариантномотносительнорежимоввнешнеготермосиловоговоздействия, и описание происходит с единых позиций для одноосногорастяжения, сдвига и других видов нагружения при постоянной или изменяющейся7температуре. Микроструктурные модели имеют естественные возможности длясовершенствования при необходимости учета каких-либо других механизмовдеформации или разрушения.
Вместе с тем, множество внутренних параметров,определяющих состояние всех микрообъемов, порождает большой объемвычислений и сложности в получении аналитических решений, поэтому получениерезультатов подразумевает написание компьютерной программы, реализующеймикроструктурную модель, и применение компьютерной техники для вычислений.Важной задачей является подбор значений материальных постоянных, сложностькоторого может затруднить изучение и тестирование модели, а также усложнить еепрактическое применение в случае, если правила подбора констант не будутсформулированы.Для моделирования механического поведения СПФ разработано множествокак макроскопических моделей, так и микроструктурных, но при выбореконкретной модели для расчета, в первую очередь следует обратить внимание наобласть ее применимости.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
