Феноменологическое описание механического поведения материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Крючков, Сергей Владимирович

• Крючков, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крючков, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

§1.1 Свойства мартенситной неупругости при неизотермическом деформировании металлов.

§ 1.2. Явление памяти формы.

§ 1.3. Метод феноменологического описания деформации без параметров состояния, характеризующих превращение

Модель Ф. Баумгарта, Й. орде, X. -Г.

Райса).

§ 1.4. Структурно-аналитическая теория прочности.

§ 1.5. Аналитическое решение краевых задач для материалов с эффектом памяти формы (Модель А.А.

Мовчана).

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Разработка общей феноменологической модели описание механического поведения материалов при термоциклировании через интервалы мартенститных переходов.

§2.1. Одноуровневый подход в описании свойств мартенситной неупругости материалов.

§2.2. Феноменологическое описание поведения материалов в условиях реализации обратимой памяти формы и деформации ориентированного превращения.

§2.3. Аналитическая модель деформирования при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов учитывающая влияние предварительной тренировки.

§2.4. Аналитическая модель описывающая перекрестное действие нормальных и касательных напряжений на сдвиговые и осевые деформации.

Выводы по второй главе.68.

ГлаваЗ. Опытное апробирование основных расчётно - теоретических положений модели.

§3.1. Эффект обратимого формоизменения при термоциклировании образцов сплава TiNiCu через интервалы мартенситных переходов в условиях одновременного кручения и растяжения.

§3.2. Термосиловые поверхности термоциклирования в материалах с каналами мартенситной неупругости.

§3.3. Эффект обратимого формоизменения под нагрузкой.

Выводы по третьей главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Феноменологическое описание механического поведения материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов»

В настоящее время известен широкий класс материалов, обладающих обратимыми мартенситными переходами (ОМП). К ним относятся, прежде всего, сплавы на основе TiNi,MnCu,CuZn,CuAl,FeMn и другие. С полной уверенностью можно сказать, что указанные материалы занимают особое место в физике твердого тела, физическом материаловедении и механике деформируемого твердого тела (МДТТ), так как им характерен целый ряд уникальных, нетрадиционных физико-механических свойств, выделяющих их из класса обычных конструкционных металлов и сплавов. К этим свойствам, прежде всего, относится способность материала восстанавливать большие неупругие деформации до 10 15% при изменении температуры или изотермической разгрузке. В литературе отмеченные явления более известны как эффекты памяти формы (ЭПФ) и псевдоупругости (ПУ) [39]. Названным материалам характерен и ряд других эффектов, таких как: обратимаяламятьформы(ОПФ) - обратимое изменение деформации при теплосменах; эффект реверсивной памяти формы (ЭРПФ) - реверсивное, т.е. знакопеременное изменение деформации при нагревании; пластичность прямого превращения (ППП) - накопление деформации в сторону внешней нагрузки при охлаждении в интервале прямого мартенситного перехода; циклическая память формы (ЦПФ) - обратимое формоизменение при термоциклировании в нагруженном состоянии и другие явления. Перечисленные свойства можно обобщить одним термином - мартенситная неупругость (МН). Явления (МН) достаточно хорошо изучены, однако большинство экспериментальных данных получены для простых видов нагружения - кручение, растяжение [39]. Вышеупомянутые уникальные свойства материалов с ОМП дают возможность использовать их в различных областях техники: в космонавтике, машиностроении, медицине и т.д. [54,57,62,64]. В частности, они могут быть использованы в элементах исполнительных силовых механизмов сложного функционального назначения, мартенситных двигателях, тепловых реле, в строительных конструкциях и в ряде других инженерно-технических направлениях. Для надежного использования материалов с МН в силовых механизмах многоразового действия необходим набор методов механического описания их поведения при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов. По названной проблеме выполнен большой цикл экспериментальных и теоретических исследований обобщенный в структурно-аналитической теории прочности Лихачева В.А. - Малинина В.Г. [40-И6]. С появлением названной теории возникла возможность адекватно описывать поведение материалов в условиях проявления МН. На базе указанной теории разработан прикладной феноменологический подход для решения некоторых задач сопротивления материалов [1]. Есть и удачные попытки решение задач для сред с МН с позиций классической МДТ [55-61]. Разнообразное функциональное назначение элементов из материалов с МП обуславливает потребность в дальнейшем развитии методов феноменологического описания механического поведения материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов в различных функциональных режимах нагружения.

Одной из основных задач данного направления является разработка способов определения феноменологических параметров, полученных при простых видах нагружения (растяжении, сжатии, кручении) и позволяющих в дальнейшем описывать поведение материала в условиях произвольного набора компонент тензора напряжения.

Нерешенной остается задача учета влияния предварительной термоциклической тренировки на механическое поведение материала при его термоциклировании через интервалы мартенситных переходов.

Таким образом, дальнейшее развитие методов феноменологического описания механического поведения материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов становится всё более актуальным.

Все сказанное выше позволяет выделить проблему феноменологического описания механического поведения материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов в самостоятельную проблему МДТ, от успешного решения которой зависит не только дальнейшее развитие методов механического описания свойств материалов с МН, но и эффективное использование указанных материалов в устройствах и механизмах сложного функционального назначения.

Главной целыо настоящей диссертационной работы является разработка методов феноменологического описания механического поведения материалов при термоциклировании через интервалы МП

Исследования проведены по следующим направлениям:

1. Разработка общей феноменологической модели описания механического поведения материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов.

2. Феноменологическое описание поведения материалов в условиях реализации обратимой памяти формы и деформации ориентированного превращения.

3. Создание модели, описывающей влияние предварительной термоциклической тренировки на поведение материалов при термоциклировании через интервалы МП.

4. Разработка модели поведения материалов при термоциклировании через интервалы МП, учитывающая перекрестное действие напряжений.

5. Опытное апробирование основных расчетно - теоретических положений модели.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Крючков, Сергей Владимирович

Выводы по работе.

В целом, резюмируя результаты, можно сделать следующие выводы: Предложенный феноменологический подход к описанию свойств мартенситной неупругости при термоциклировании позволяет анализировать широкий класс явлений мартенситной неупругости при теплосменах, а именно созданная феноменологическая модель, позволяет учитывать следующие явления и эффекты:

Монотонное влияние напряжений, действующих при термоциклировании, на величину деформационных откликов, реализуемых при теплосменах.

Эффекты обратимой памяти формы и деформации ориентированного преращения.

Влияния предварительной термоциклической тренировки на деформационные свойства при термоциклировании, которое сводится к существенному увеличению (в несколько раз) деформационных откликов при нагревании и охлаждении.

Перекрестные влияния действующих напряжений на компоненты тензора деформации, по крайней мере для простых схем нагружения.

Введенный четырехвалентный тензор "термоциклической податливости материала" позволяет описывать поведение материала при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов в условиях сложного напряженного состояния.

Основные определяющие соотношения экспериментально апробированы и получено хорошое качественное соответствие для широкого класса материалов при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов в условиях одновременного кручения с растяжением. В силу простоты и доступности модели она может найти эффективные применения в различных инженерно-технических приложениях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крючков, Сергей Владимирович, 2005 год

1.Абдрахманов С.А. Деформация материалов с памятью формы при термосиловом воздействии. Бишкек. "Илим". 1991. 115 с.

2. Андронов И.Н. Механическое поведение материалов при сложных температурно-силовых воздействиях в условиях проявления мартенситной неупругости. Диссертация на соискания ученой степени доктора технических наук по специальности 01.02.04. Москва. 1999.

3. Андронов И.Н. Обратимая память формы медно-марганцевых композиций. Канд. дисс. физ. мат. наук 01.04.07 физика твердого тела //Ленинград, ЛГУ, 1983. 223с.

4. Андронов И.Н, Богданов Н.П., Северова Н. А. Влияние вида напряженного состояния на характер деформирования материалов в условиях проявления мартенситной неупругости. Вестник Тамбовского Университета 1998. Т.З. Вып. 3. С. 236-238.

5. Андронов И. Н., Гаврюшин С. С., Богданов Н. П., Крючков С. В. Термосиловые поверхности термоциклирования в материалах с каналами мартенситной неупругости. Деформация и разрушение материалов. 2005. № 8. С. 27.

6. Андронов И.Н., Лихачев В. А. Влияние предварительного термоциклирования на физико-механическое поведение медно-марганцевыхкомпозиций в условиях проявления обратимой памяти формы. Изв. Вузов. Цветная металлургия. 1986. №2. С. 97-102.

7. Андронов И.Н., Какулия Ю.Б., Рогачевская М.Ю. Циклическая память формы и термоциклическая ползучесть сплава Си-62.5 % Мп в условиях одновременного растяжения и кручения. ЛГУ. JI.: 1988, 25 с. Деп. в ВИНИТИ 22 ноября 1988. № 8220-В28.

8. Андронов И.Н., Какулия Ю.Б., Рогачевская М.Ю. Циклическая память формы и термоциклическая ползучесть сплава Си-62.5 % Мп в условиях одновременного растяжения и кручения. ЛГУ. Л.: 1988, 25 с. Деп. в ВИНИТИ 22 ноября 1988. № 8220-В28.

9. Андронов И.Н., Крючков С.В., Овчинников С.К. Одноуровневая модель явлений мартенситной неупругости. Труды VI Международного Симпозиума "Современные проблемы прочности" имени В.А. Лихачева. 20 24 октября 2003 г. Великий Новгород. Т. 2. С. 167 - 172.

10. Андронов И.Н, Овчинников С.К., Крючков С.В. Влияние термомеханической тренировки на поведение сплава ТН-1 в условиях проявления циклической памяти формы. Вестник Самарского государственного Серия. Физико-математическая. 2004. С. 97-100.

11. Андронов И.Н., Крючков С.В, Овчинников С.К. Одноуровневая модель явлений мартенситной неупругости в материалах с эффектом памяти формы. Сборник научных трудов. Материалы научно-технической кнференции 15-17- апреля 2003. Ухта. УГТУ. 2004. С. 150-153.

12. Андронов И.Н.,Кузьмин СЛ.,Лихачев В.А. Термоциклическая ползучесть медномарганцевых сплавов, связанная с ГЦК<->ГЦТ превращениями // Изв. вузов. Цветная металлургия. 1983. №3. С. 84-88

13. Андронов И.Н., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А. Исследование обратимой памяти формы в сплавах Cu-Mn // Металлофизика. 1984. Т. 6, № 3. С. 44^17.

14. Андронов И.Н., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Патрикеев Ю.И, Королев М.Н., Деформирование материалов в условиях проявления пластичности превращения // Проблемы прочности 1983. № 5. С. 96-100.

15. Андронов И.Н., Лихачев В.А. Влияние предварительного термоциклирования на физико-механическое поведение медномарганцевых композиций в условиях проявления обратимой памяти формы. Изв. Вузов. Цветная металлургия. 1986. №2. С. 97-102.

16. Андронов И.Н., Лихачев В.А., Рогачевская М.Ю. Эффекты памяти формы у сплава TiNiCu при сложном напряженном состоянии // Изв. вузов. Физика. 1989. № 2. С. 117 119.

17. Брайнин Г. Э., Крылов Б.С., Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Мастерова М.В. Эффекты механической памяти в никелиде титана и сплавах титан-никель-медь // Вестник ЛГУ (сер, математика, механика, астрономия). 1983. № 10. С. 16-21.

18. Вассерман Г., Гревен И. Текстуры металлических материалов // М.: Металлургия. 1969. 654 с.

19. Виитайкин Е.З., Удовенко В.А., Литвин Д.Ф., Серебряков В.Р. Константы упругости сплавов марганец-медь // ФММ. 1980. Т. 4, вып. 9. С. 883 -885.

20. Капуткина Л.М., Моврич Г.В. Математическая модель текстурных переходов при фазовых превращениях под нагрузкой // 3 Междунар. конф."Прикл. рентгеногр. мет.". Москва. 16-18 нояб., 1994:Тез. докл. М: 1994. С. 30

21. Установка для испытания образцов материалов при сложном напряженном состоянии:А.с. № 1809356 СССР: G 01 N 3/08 / Власов В.П., Андронов И.Н., Какулия Ю.Б.:- 4908828/28. Заявл. 07.02.91: Опубл. 15.043.93. Бюл. JV« 14: черт.

22. Козлов Э.В., Майснер Л.Л., Клопотов А.А., Тайлашев А.С. Неустойчивость кристаллической решетки накануне структурных фазовых переходов // Изв. вузов. Физика. 1985. № 5. С. 118 126.

23. Курдюмов Г.В. О природе бездиффузионных мартенситных превращений // Докл. АН СССР. 1948. Т. 60, № 9. С. 1543 1546.

24. Курдюмов Г.В., Хандорс Л.Г. О термоупругом равновесии при мартенситных превращениях // Докл. АН СССР. 1949. Т. 66, № 2. С. 211-215.

25. Лескина М.Л., Лихачев В.А., Щербакова Л.Н. Оптимизация параметров термомеханического цикла модельного мартенситного двигателя // Материалы со сложным функционально механическими свойствами. Компьютерное конструирование материалов: XXX

26. Межреспубликанский семинар "Актуальные проблемы прочности". Новгород. 16 19 мая 1994 г. Новгород, 1994. Ч. 1. С. 84 - 92.

27. Лихачев В.А. Материалы с эффектом памяти формы и их компьютерное конструирование // Изв. вузов. Физика: Компьтерное конструирование материалов. Тематический выпуск. Под ред. Акад.

28. B.Е. Панина. 1995. № 11. С. 86 105.

29. Лихачев В.А., Кузьмин С.Л., Каменцева З.П. Эффект памяти формы. Л.: Изд. ЛГУ. 1987. 216 с.

30. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно аналитическая теория прочности. Изд. Санкт-Петербург. 1993. 471 с.

31. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Новая концепция пластичности, основанная на идеях о многоуровневом развитии процессов массопереноса // Моделирование на ЭВМ дефектной структуры кристаллов: Сборник научных работ ФТИ им. Иоффе. Л. 1987. С. 112131.

32. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Об уравнениях общей теории пластичности кристаллов // Изв. вузов: Физика. 1988. № 6. С. 73 78.

33. Лихачев В.А., Малинин В.Г.Микро и макроповреждаемость кристаллов в двухуровневой модели // Изв. вузов: Физика. 1988. № 6.1. C. 78 -81.

34. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Новая концепция прочности//Межвузовский сборник:Структура и свойства металлических материалов и композиций. Новгор. политехи, ин-т. Новгород, 1989. С. 4-31.

35. Лихачев В.А. Малинин В.Г. Структурно аналитическая теория прочности в многоуровневой постановке // Изв. вузов: Физика. 1990. № 2. С. 121-138.

36. Лихачев В.А., Патрикеев Ю.И. Влияние напряжений и деформаций на характеристические температуры мартенситных превращений в материалах с эффектом памяти формы / Деп. рук. Ред. жури. Вестн.

37. Л ГУ.(Мат., мех., астроном.) Л. 1984. 46 с Депонирована в ВИНИТИ 24.05.84. № 5033.

38. Лихачев В.А, Шиманский С.Р. Исследование В2 —»R мартенсиного превращения в сплаве ТН-1. / Деп. рук. Ред. Журн. Вестн. ЛГУ, Мат., мех., астроном., Л., 1984. 15 с. Депонирована в ВИНИТИ 10.12.84. № 7867.

39. Способ обработки полуфабрикатов из сплавов с термоупругими мартенситными превращениями: А.с. № 1351152 СССР С 22 F 1/04/

40. Лихачев В.А., Андронов И.Н., Кузьмин С.Л., Рогачевская М.Ю.: -4052327/31-02. Заявл. 06.03.86. УДК 621.785.79(0888.9).

41. Материалы с эффектом памяти формы. Справочник.Т. 1 .под ред. Лихачёва В.А.

42. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. Под редакцией С. Д. Пономарева. Изд. Машиностроение. 1968.400 с.

43. Материалы с эффектом памяти формы и их применение. Материалы семинара. Новгород Ленинград. Новгородский политехнический институт, 1989. С. 168-257.

44. Мовчан А.А. Некоторые проявление способности к ориентированному превращению для сплавов с памятью формы. Журнал Прикладная механика и техническая физика Т.37. №6(220), 1996г. Изд. Сибирского отделения РАН.

45. Мовчан А.А. Выбор аппроксимации диаграммы перехода и модели исчезновения кристаллов мартенсита для сплавов с памятью формы. Журнал Прикладная механика и техническая физика Т.36. №2(210), 1995г. Изд. Сибирского отделения РАН.

46. Миргазизов М.З., Поленичкин В.К., Понтер В.Э., Итин В.И. Применение сплавов с эффектом памяти формы в стоматологии. М:.Медицина. 1991, 181 с.

47. Северова Н.А. Влияние вида напряженно-деформированного состояния на функционально-механические свойства сплошных цилиндрических стержней из никелида титана при сложных режимах воздействия. Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук.

48. Тихонов А.С., Герасимов А.П., Прохорова И.И. Применение памяти формы в современном машиностроении. Москва. Машиностроение. 1981. 80 с.

49. Фсодосьев В. И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1972, -554 с.

50. Хачин В.Н., Итин В.И. Сплавы с памятью. Москва. Общество "Знание" РСФСР. 1984. 40 с.

51. Хусаинов М.А., Беляков В.Н. Петли гистерезиса при неполном мартенситном превращении // Материалы с эффектом памяти формы и их применение. Материалы семинара. Новгород.- Ленинград Новгородский политехнический институт, 1989.С. 37 39.

52. Эффект памяти формы в сплавах. (Пер. с англ. Под редакцией В.А. Займовского)М.: Металлургия. 472 с.

53. Классен Неклюдова М.В. Механическое двойникование кристаллов. М., АН СССР.1960. 261 с.

54. Eisenwasser J.D., Brown L.L. Pseuodoelasticity and the, strain memory effect in Cu-Zn-Sn alloys // Trans. 1972.V. 3, N 6. P. 1359 -1383.

55. Haus G., Torok E, Warlimont N. On the reversible martensitic transformations of ordered and disordered Fe3Pt/B кн.: Мартенситные превращения. Докл. Международной конференции "ICOMAT- 77"(Киев, 16-20 мая 1977). К. 1978. С. 185-189.

56. Delaey L., Krishnam R.V., Tas Н., Warlimont Н. Thermoelasticity, pseudoelasticity and the memory effects associated with martensitic transformations // Sci. 1974. N 9. P. 1359 -1363.

57. Wasilewski R.J. The effect of applied stress on the martensitic trasformations in TiNi //Met. Trans. 1975 V. 2, N 11. P. 2973-2981.

58. P.R. Morris. Cristallite Orientation Analysis from Incomplete Pole Figyres // Advances in X Ray Analysis. 1975. V. 18, P. 511 - 534.

59. Брайнин Г.Э., Дрибан В.А., Лихачев В.А. Кристаллогеометрия наследования дислокаций при мартенситных превращениях // ФММ. 1979. Т. 47, №3. С. 611-619.