Влияние вида напряженного состояния на характер деформирования материалов в условиях проявления мартенситной неупругости

УДК 539.4

ВЛИЯНИЕ ВИДА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ НА ХАРАКТЕР ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ПРОЯВЛЕНИЯ МАРТЕНСИТНОЙ НЕУПРУГОСТИ

© И.Н. Андронов, Н.П. Богданов, В.П. Власов, Н.А.Северова

Россия. Ухта. Ухтинский индустриальный институт

Andronov I.N., Bogdanov N.P., Vlasov V.P., Severova N.A. The influence of the stressed state type on the character of non isothermal deformation of materials in martensite nonelastic conditions. It is experimentally proved that the stressed state type influences a lot on the deformation of materials. The biggest deformation is realized in tension, the least - in torsion and intermediate - in joint torsion with tension.

Поведение материалов, обладающих мартенситной неупругостью, в условиях сложного напряженного состояния изучалось в ряде работ [1 - 4]. В них материал одновременно нагружали постоянным крутящим моментом и осевой силой и подвергали термоциклиро-ванию через интервалы мартенситных переходов. В указанных работах типичным было то, что зависимости интенсивностей сдвиговых деформаций, связанных с пластичностью прямого превращения и эффектом памяти формы, однозначно определялись интенсивностью касательных напряжений, действующих на этапах нагревания и охлаждения. Однако в данных работах наблюдали значительный разброс, связанный, видимо, с погрешностью в определении осевых составляющих деформаций, вносимым тепловым эффектом превращения.

Созданная и развитая в последние годы структурно-аналитическая теория прочности [5] позволила по-другому взглянуть на эту проблему. Расчеты, выполненные на основе указанной теории [6], дали неожиданный результат и показали, что интенсивности обратимых составляющих деформаций Гп и Гпп неоднозначно определяются интенсивностью касательных напряжений. Причем наибольшая интенсивность деформации имеет место при растяжении и сжатии, наименьшая - при кручении и промежуточное значение принимает при совместном действии осевых нагрузок и крутящего момента. С целью выявления обоснованности вышеуказанных фактов выполнены следующие экспериментальные исследования.

Опыты выполнены на образцах из сплава ТН-1. Температуры мартенситных переходов материалов

составляли Мн = 326 К, М - 298 К,

Аи = 390 К, н

Ак = 488 К. Перед испытанием образцы отжигали при

550° С в течение 30 мин. Использовали два вида испытаний. В первом: образец изотермически нагружали в мартенситном состоянии согласно схеме на рис. 1 до уровня напряжений, задаваемых интенсивностью 5, равной соответственно 50, 100 и 150 МПа в одном из трех режимов нагружения: растяжение (точка В), совместное растяжение с кручением (точка С), кручение (точка £)). После этого образец термоциклировапи через интервалы мартенситных переходов, не снимая

нагрузки до тех пор, пока обратимые составляющие деформаций и -у пп не стабилизировались (рис. 2). Основные результаты экспериментов представлены на рис. 2-7. На рис. 2 представлены типичные кривые, иллюстрирующие кинетику восстановления и накопления деформаций в установившемся цикле. Как видно из рисунка, деформации, связанные с эффектами памяти формы и пластичности превращения, близки по величине, и поэтому в дальнейшем в качестве обратимых составляющих деформаций будут использоваться только первые деформации. На рис. 3 представлены зависимости интенсивности сдвиговой деформации Гп, обусловленной ЭПФ от интенсивности касательных напряжений 5. Из хода кривых видно, что Гп неоднозначно определяется интенсивностью 5. Максимальное значение Гп достигается при растяжении (кривая 1), минимальное - при кручении (кривая 3) и промежуточное - при одновременном растяжении с кручением (кривая 2). Более наглядно влияние вида напряженного состояния на Гп представлено на рис. 4. Указанные зависимости показывают, что при изменении вида напряженного состояния от чистого сдвига до растяжения интенсивность Гп увеличивается примерно в два раза. Большой научный и прикладной интерес могут представлять годографы интенсивности Гп, построенные для плоского напряженного состояния в пространстве главных напряжений С| + а2. Вполне

п<

от

61

ш

ОУ

кр

а

со

тр

да-

ем

же

рИ!

тес

cyt

ню

сто

обл

гра

лас

pan

стр;

ем

стрг

пиа

Рис. 2. ляющи термоц

ДОВ С1

т =70,

Рнс. 1. Схема нагружения.

РОВАНИЯ

ОСТИ

агааег оГ : 51ге5$ес) I - т Юг-

составляющие •ались (рис. 2).

едставлены на |чные кривые, |ия и накопле-. Как видно из стами памяти изки по вели-ве обратимых юваться толь-гавлены зави-ормации Гп, касательных о Гп неодно-1аксимальное и (кривая I), и промежу-с кручением апряженного

1. Указанные ;нении вида га до растя-ямерно в два перес могут п, построения в про-

02. Вполне

понятно, что положительные направления осей и ст2 отвечают растяжению, отрицательные - сжатию, а биссектриса второго и четвертого квадрантов - кручению. Линии АА' и ВВ' подобраны таким образом, что они отвечают совместному растяжению или сжатию с кручением при условии выполнения соотношения

ст = ± л/з т. Очевидно, что первый квадрант будет

соответствовать области двухосного растяжения, а третий - двухосного сжатия.

Во втором и четвертом квадрантах будет наблюдаться совместное растяжение (или сжатие) с кручением. Годографы строили: для заданного уровня напряжений и конкретного напряженного состояния экспериментально (заштрихованная часть на рис. 5) или теоретически (не заштрихованная часть на том же рисунке) определяли величину Гп, откладывая последнюю в направлении, отвечающем напряженному состоянию. На рис. 5 кривые I т 3 в заштрихованной области представляют собой экспериментальные годографы Гп. Линии годографа в незаштрихованных областях получены путем расчетно-теоретической экстраполяции кривой 1. Расчет выполнен на основе структурно-аналитической теории [5] с использованием программы [7]. Как видно из хода кривой, пространство главных напряжений делится на две принципиально разные области: 1 и 3 квадранты,

Рис. 2. Кинетика изменения осевой (а) и сдвиговой составляющих деформаций (б) для установившегося цикла при термоциклировании через интервалы мартенситных переходов сплава ТН-1. При условии 5 = 100 МПа при т =70,7 и о =122,5 МПа.

ГП, %

в,МП а

Рис. 3. Зависимость интенсивности сдвиговой деформации, обусловленной ЭПФ при нагревании от интенсивности касательных напряжений для растяжения (1), совместного растяжения и кручения (2) и кручения (3).

о/т

Рис. 4. Зависимость интенсивности деформации от соотношения нормальных и касательных напряжений при 5= 50(1), 100(2) и 150 МПа (3).

Рис. 5. Годографы Г„ в пространстве главных напряжений при Б = 50(1), 100 (2) и 150 МПа(З).

237

1. Является установленным фактом, что вид напряженного состояния оказывает существенное влияние на деформационные характеристики материалов, имеющие место в условиях проявления мартенситной неуп-ругости.

2. Наибольшие деформационные характеристики наблюдаются при растяжении (или сжатии), наименьшие - при кручении и промежуточные - при совместном действии крутящего момента и осевых сил.

Природа указанных явлений остается невыясненной, однако структурно-аналитическая теория прочности [5], даже в двухуровневой постановке, позволяет удовлетворительно описывать влияние вида напряженного состояния на деформационные характеристики материалов.

g=ds/drn

Двухосное

растяжение

Двухосное

сжатие

О 50 100

S, МПа

Рис. 6. Годографы g при 5=50(1), 100 (2) и

Г, МПа 3

2

1

150 МПа (3).

и на годографах модулей пластичности на рис. 6, из которых видно, что максимальный модуль фазовой пластичности реализуется в условиях кручения, минимальный - при растяжении (или сжатии), а при совместном действии осевых нагрузок и крутящего момента £(5) принимает промежуточное значение. На рис. 7 представлены экспериментальные зависимости ^5) от 5, из которых следует, что модуль фазовой пластичности монотонно возрастает с ростом интенсивности напряжений, причем наиболее сильная зависимость наблюдается при кручении (кривая 3), умеренная - при сложном напряженном состоянии (кривая 2), самая слабая - при растяжении (кривая 1).

ВЫВОДЫ

Рис. 7. Зависимости модуля «фазовой пластичности» от интенсивности касательных напряжений для растяжения (1), совместного растяжения и кручения (2) и кручения (3).

где вид напряженного состояния не оказывает влияния на Гп, а так же квадранты 2 и 4, где вид напряженного состояния существенно влияет на интенсивность касательных напряжений. Из хода кривых видно, что ин- 6

тенсивность Гп при растяжении-сжатии примерно в два раза выше, чем при кручении. По аналогии с изотермическим деформированием по кривым на рис. 5 находили модуль фазовой пластичности g(S) = сіБ/сІГп 7

для трех разных значений 5: 0, 50 и 100 МПа. Закономерности, обнаруженные на рис. 5, прослеживаются

ЛИТЕРАТУРА

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. 112 - 113.

Андронов И.Н., Власов В.П.. Какулия Ю.Б., Лихачев В.А. Циклическая память формы сплава CuAIMn в условиях сложного нагружения / Механика прочности материалов: XXIV Всесоюзный семинар «Актуальные проблемы прочности». Рубежное: Ф-л Днепропетровского химико-технологического ин-та, 1990. С. 149-151. Беляев С.П., Кузьмин СЛ., Лихачев В.А., Рогачевская М.Ю. Эффекты пластичности превращения и памяти формы при сложнонапряженном состоянии // Там же. С. 66 -69.

Кузьмин С.Л., Лихачев В.А., Черняева Е.В. Эффекты пластичности превращения и памяти формы при сложно-напряженном состоянии сплава CuAIMn / Функционально-механические свойства материалов и их компьютерное конструирование: XXIX Межреспубликанский семинар «Актуальные проблемы прочности», 15-18 июня 1993. Псков, 1993. С. 365 -370.

Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно-аналитическая теория прочности. С.-Пб., 1993. 471 с.

Андронов И.Н., Андронова В.Е., Балдычева И.Е., Северова Н.А. Расчет циклической памяти формы в условиях сложного нагружения // Науч. тр. 1 Междунар. семинара «Актуальные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева и XXXIII семинара «Актуальные проблемы прочности», 15-18 окт. 1997. Новгород, 1997. С. 28 - 32. Волков А.Е., Лихачев В.А., Эрглис И.В. Деформация изотропного кристаллического тела // Программа «Deform». С.-Пб.: СПбГУ, 1994.