Упругопластическое деформирование материалов, обладающих дополнительным упрочнением при непропорциональном циклическом нагружении тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ

• МАТЕРИАЛОВ, ОБЛАДАЮЩИХ ЭФФЕКТОМ

ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПРИ НЕПРОПОРЦИОНАЛЬНОМ ЦИКЛИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ.

§ 1. Краткий анализ эффекта. Обзор теорий.

§ 2. Выбор параметра непропорциональности.

§ 3. Основные положения и уравнения варианта теории

• упругопластического деформирования материалов, обладающих эффектом дополнительного упрочнения.

§ 4. Расчетно-экспериментальный метод определения материальных функций.

§ 5. Определение материальных функций нержавеющих сталей 316 и 304.

• ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ НЕПРОПОЦИОНАЛЬНЫХ ЦИКЛИЧЕСКИХ НАГРУЖЕНИЯХ.

§ 1. Дополнительное упрочнение стали 316 при непропорциональных циклических нагружениях

§ 2. Дополнительное упрочнение и разупрочнение стали при непропорциональных и пропорциональных циклических нагружениях.

§ 3. Разрушение стали 304 при пропорциональных и непропорциональных циклических нагружениях.

§ 4. Упругопластическое деформирование стали 316 при ортогональных циклических нагружениях.

За последние десятилетия разработаны различные определяющие уравнения термовязкопластичности с целью более точного моделирования механического поведения материалов. Это вызвано главным образом повышением рабочих параметров современных машин и аппаратов, снижением металллоемкости конструкций, безопасностью и надежностью элементов конструкций, работающих в экстремальных условиях нагружения. Такие нагружения имеют место в авиационной и ракетно-космической технике, ядерной энергетике и других отраслях современной техники.

Развитие теории пластичности и разработка определяющих уравнений до восьмидесятых годов прошлого столетия шли "спокойным эволюционным путем" [25]. Неожиданности начались тогда, когда при экспериментальных исследованиях [30,31,38,46-50,55-63] сложного (непропорционального) циклического нагружения некоторых нержавеющих сталей было обнаружено весьма сильное упрочнение - более чем в два раза по сравнению с упрочнением при пропорциональном циклическом нагружении. Это явление, названное эффектом дополнительного изотропного упрочнения, не описывалось ни одной теорией.

Впервые описание этого эффекта было предпринято Беналлалом и Марки [46-49] в рамках модели Шабоши [51,52]. Дальнейшее развитие этого подхода содержится в работах [1,22,26,27,32-34]. Но в каждой работе параметр, реагирующий на степень непропорциональности (сложности) нагружения, был различным. Определенные соображения о параметрах непропорциональности приводятся в работе [25], а обоснование выбора параметра непропорциональности предпринято в работе [34].

В настоящее время проблема выбора адекватного параметра непропорциональности и разработки с учетом этого параметра определяющих уравнений упругопластического деформирования и накопления повреждений (разрушения) при сложных (непропорциональных) режимах циклического нагружения остается в достаточной мере не решенной.

Целями настоящей работы являются: поиск и обоснование выбора адекватного параметра непропорциональности нагружения и формулировка с учетом этого параметра положений и уравнений варианта теории упругопластического деформирования; формулировка базового эксперимента и разработка методики идентификации материальных функций, замыкающих теорию; исследование закономерностей дополнительного упрочнения и разупрочнения при непропорциональных циклических нагружениях и обоснование достоверности (верификация) теории.

Все содержащиеся в работе результаты относятся к малым деформациям начально изотропных металлов при температурах, когда нет фазовых превращений и скоростях деформаций, когда динамическими и реологическими эффектами можно пренебречь.

Диссертационная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты и выводы диссертационной работы сводятся к следующим:

1. Определен и экспериментально обоснован один из вариантов параметра непропорциональности, имеющий естественный механический смысл и соответствующий углу между векторами скоростей напряжений и деформаций.

2. Сформулированы основные положения и уравнения варианта теории упругопластического деформирования материалов, обладающих дополнительным изотропным упрочнением.

3. Сформулирован базовый эксперимент и разработана методика идентификации материальных функций. Получены материальные функции для нержавеющих сталей 304 и 316.

4. На достаточно широком спектре программ экспериментальных исследований проведено обоснование достоверности (верификация) варианта теории. Отличие результатов расчетов и экспериментов не превысили 15% по компонентам напряженно-деформированного состояния и 30% по характеристикам разрушения.

5. Расчетные и экспериментальные исследования показывают, что при одинаковом размахе деформаций непропорциональные циклические нагружения обладают большим повреждающим эффектом нежели пропорциональные циклические нагружения - снижение долговечности возможно практически на порядок.

6. Показано, что при непропорциональных циклических нагружениях расчеты без учета эффекта дополнительного упрочнения могут привести к существенному занижению получаемого напряженного состояния, а также к существенному как завышению, так и занижению прогнозируемой долговечности по сравнению с реальным напряженным состоянием и с реальной долговечностью материала, обладающего этим эффектом.

7. При исследовании ортогональных циклических нагружении показано, что учет влияния эффекта дополнительного упрочения существенен, когда предварительный режим нагружения является мягким и существует интервал значений амплитуд напряжений и деформаций, где это влияние максимально.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Бондарь B.C. Математическая модель неупругого поведения и накопления повреждений материала // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения: Всесоюз. межвуз. сб./ Горьк. ун-т, 1987. С. 24-28.

2. Бондарь B.C. Математическое моделирование процессов неупругого поведения и накопления повреждений при сложном неизотермическом нагружении в условиях ионизирующего излучения // Расчеты на прочность. М.: Машиностроение, 1988. Вып. 29. С.23-29.

3. Бондарь B.C. Неупругое поведение и разрушение материалов и конструкций при сложном неизотермическом нагружении // Автореферат диссерт. на соиск. уч. степени д.ф.-м.н. Москва: МАМИ, 1990. 40 с.

4. Бондарь B.C. Неупругость. Варианты теории. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004.144 с.

5. Бондарь B.C. Решение нелинейных задач сложного нагружения оболочеквращения // Расчеты на прочность и жесткость: Межвуз. сб./ М.: Мосстанкин, 1982. Вып. 4. С. 85-95.

6. Бондарь B.C. Теории пластичности, ползучести и неупругости в условиях сложного нагружения // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Алгоритмизация и автоматизация исследований: Всесоюз. межвуз. сб. / Горьк. ун-т. 1987. С. 75-86.

7. Бондарь B.C., Даншин В.В., МакаровД.А., Титарев И.А. Экспертная система оценки ресурса материала конструкций высоких параметров // Современные проблемы математики, механики и информатики: Тезисы докладов межд. научн. конференции/ Тула. 2004. С. 56.

8. Бондарь B.C., Санников В.М. Малоцикловая усталость тонкостенных конструкций при повышенных температурах // Конструкционная прочность лопаток турбин ГТД: Тезисы докладов IV научно-техн. конф. / Куйбышев. 1976. С. 75-76.

9. Бондарь B.C., Санников В.М. Усталость и устойчивость оболочек вращения при циклическом теплосиловом нагружении // Прикладная механика. 1981. Т. 17. №2. С. 118-121.

10. Бондарь B.C., Титарев И. А. Упругонластическое поведение и разрушение материала при ортогональном циклическом нагружении // Современные проблемы прочности, пластичности и устойчивости. Материалы V междун. научн. симпозиума / Тверь. 2001. С. 24-30.

11. Бондарь B.C., Фролов А.Н. Математическое моделирование процессов неупругого поведения и накопления повреждений материала при сложном нагружении // Из. АН СССР. МТТ. 1990. №6. С. 99-107.

12. Васин Р.А. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений в теории унругоиластических процессов. // Автореферат диссерт. на соиск. уч. степени д.ф.-м.н. М., 1987. 38 с.

13. By До Лонг. Вариант теории и некоторые закономерности упругопластического деформирования материалов при сложном нагружении // Автореферат диссерт. на соиск. уч. степени к.ф.-м.н. Москва: МАМИ, 1999. 21 с.

14. Зубчанинов В.Г., Охлопков Н.Л., Гараников В.В. Экспериментальная пластичность: Монография. Книга 2. Процессы сложного нагружения. Тверь: ТГТУ, 2004. 184 с.

15. Кадашсвич Ю.И. О различных тензорно-линейных соотношениях в теории пластичности // Исследования по упругости и пластичности / J1.: Изд-во ЛГУ, 1967. Вып. 6. С. 39-45.

16. Кадашевич Ю.И., Мосолов А.Б. О соотношениях эндохронной теории пластичности с "новой" мерой внутреннего времени при сложном циклическом нагружении //Технология легких сплавов. 1990. №3. С. 32-36.

17. Кадашсвич Ю.И., Новожилов В.В. Об учете микронапряжений в теории пластичности // Инж. ж. МТТ. 1968. №3. С. 83-91.

18. Кадашсвич Ю.И., Новожилов В.В. Теория пластичности, учитывающая остаточные микронапряжения // ПММ. 1958. Т.22. Вып. 1. С. 78-89.

19. Ленский B.C. Гипотеза локальной определенности в теории пластичности// Известия ЛИ СССР. Отделение технических наук. 1962. №5. С. 154-158.

20. Лепихгш П.П. Физические уравнения вязкопластичности при сложном динамическом нагружении // Проблемы прочности. 1988. №1.С .65-69.

21. Лэмба, Сайдботтом. Пластичность при циклическом деформировании по непропорциональным траекториям // Теоретические основы инженерных расчетов. 1978. №1. С. 108-117.

22. Макдауэлл. Экспериментальное изучение структуры определяющих уравнений для непропорциональной циклической пластичности // Теоретические основы инженерных расчетов. 1985. №4. С. 98-111.

23. Маковкии Г.А. Моделирование циклического упрочнения при блочном непропорциональном деформировании // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Методы решения: Межвуз. сб./ М.: товарищ.науч. изд. КМК. 1997. С. 62-69.

24. Маковкип Г.А. Сравнительный анализ параметров непропорциональности сложного упругопластического деформирования // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия механика. Вып. 1. Н.Новгород: Изд-во ННГУ, 1999. С. 30-36.

25. Мосолов А.Б. О соотношениях теории пластичнсости, учитывающих сложность процессов деформирования. М., 1980. 22 с. Деп. в ВИНИТИ, № 2995-80.

26. Новожилов В.В. О сложном нагружении и перспективах феноменологического подхода к исследованию микронапряжений // ПММ. 1964. Т. 28. Вып. 3. С. 393-400.

27. Новожилов В.В., Рыбакииа О.Г. О перспективах построения критерия прочности при сложном нагружении // Прочность при малом числе циклов нагружения /М.: Наука, 1969. С .71-80.

28. Охаси, Каваи, Кашпо. Неупругое поведение нержавеющей стали 316 при многоосных непропорциональных циклических нагружениях при повышенной температуре // Теоретические основы инженерных расчетов. 1985. №2. С.6-15.

29. Пелешко В.А. Экспериментальное исследование варианта теории упруго-пластического деформирования металлов при сложных нагружениях // Проблемы прочности. 1990. №12. С. 48-53.

30. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник / Под общ. Ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. 520 с.

31. Романов А.Н. Энергетические критерии разрушения при малоцикловом нагружении // Проблемы прочности. 1974. №1. С. 3-10.

32. Соси. Модели разрушения при многоосной усталости // Теоретические основы инженерных расчетов. 1988. №3. С. 9-21.

33. Термопрочность деталей машин: Справочник. Под ред. И.Л. Биргера и Б.Ф. Шорра. М.: Машиностроение, 1975. 455 с.

34. Хилл Р. Математическая теория пластичности. М.: Гостехиздат, 1956.

35. Шевченко Ю.Н., Терехов Р.Г. Физические уравнения термовязкопластичности. Киев: Наукова думка, 1982.

36. Benallal A., Calloch S., Laborderie С., Marquis D. Hardening of metals under cyclic nonproportional loadings in tension-torsionand triaxial tension // International seminar on Multiaxial plasticity. 1-4 septebmer 1992. Cachan France. P. 1-7.

37. Benallal A., LemaitreJ., Marquis D. and Ronsset M. "Nonproportional Loadings in Plasticity and Viscoplasticity: Experimentation and Modelling", Proceedings the International Conference on Non Linear Mechanics, Shanghai, China, Oct. 1985.

38. Benallal A., Marquis D. Constitutive Equations for Nonproportional Cyclic Elasto-Viscoplasticity // Journal of Engineering Materials and Technology. 1987. V. 109. P. 326-337.

39. Benallal A. and Marquis D. "An Experimental Investigation of Cyclic Hardening of 316 SS Under Complex Multiaxial Loadings", Proc. Of the 9th SMIRTConf., paper L 10/3. Lausanne, 17-21 August 1987.

40. Cailletaud G., Kaczmarek //. and Polieella H. "Some Elements on Multiaxial Behavior of 316 Stainless Steel at Room Temperature", Mec. of Materials, Vol. 3, No. 4, Dec. 1984.

41. Chaboche J.L. Constitutive equation for cyclic plasticity and cyclic viscoplasticity. Inter. J. of Plasticity. Vol. 5. No. 3, 1989. P. 247-302.

42. Chaboche J.L. Thermodinamically based viscoplastic constitutive equations: theory versus experiment. ASME Winter Annual Meeting, Atlanta, GA (USA), 1991. P. 1-20.

43. Jiang Y., Sehitoglu H. Cyclic Ratchetting of 1070 steel under multiaxial stress states / Inter. J. of plasticity. Vol. 10. No. 5, 1994. P. 579-608.

44. Jiang Y, Sehitoglu H. Modeling of Cyclic Ratchetting Plasticity, Part II: Comparison of Model Simulations with Experiments // J. of Appl. Mech. Vol. 63, 1996. P. 726-733.

45. Kanazawa K., Miller K.J. and Brown M. W. "Cyclic Deformation of 1% Cr. Mo. V. Steel Under Out-of-Phase Loads", Fat. Of Eng. Mat. and Struc., Vol. 2, 1979. P. 217.

46. Krieg R.D. A Practical Two Surface Plasticity Theory // Journal of Applied Mechanics. 1975.v. 42. P. 641-646.

47. McDowell D.L. andSocie D.F. "Transient and Stable Deformation Behavior Under Cyclic Nonproportional Loadings", ASTM STP 853. Proceedings of the International Symposium on Biaxial-Multiaxial I atigue, San Francisco, Dec. 1982. P. 64-87.

48. Olschewski J., Pilvin P. Phenomenological vs. micromechanical approaches for multiaxial loading. Preprints of MECAMAT'92. International Seminar on MULTIAXIAL PLASTICITY. 1-4 September 1992. CACHAN FRANCE.

49. Tasnim //., Stelios K. Ratcheting of Cyclically hardening and softening materials: II Multiaxial behavior/ Inter. J. of Plasticity. Vol. 10. No. 2, 1994. P. 185-212.

50. Тапака Е., Murakami S. and Оока М. "Effects of Plastic Strain Amplitudes on Non-proportional Cyclic Plasticity", Acta Mech., Vol. 57, 1985. P. 167-182.

51. Тапака E., Murakami S. and Оока M. Effects of strain path shapes on nonproportional cyclic plasticity // J. Mech. Phys. Solids. 1985. v. 33. No. 6. P. 559-575.