Исследование циклических свойств эквиатомного никелида титана при сложном напряженном состоянии

инженерия, 2012. № 5, С. 29-37.

G.V. Malinin

STRUCTURAL ANALYSIS MESOMECHANICS MATERIALS SHAPE MEMORY EFFECT IN THE CONCEPT OF INTERACTION STRAIN LEVELS AND FAILURE

In present article methods structurally-analytical mesomechanical, based on the concept cooperating multilevel (micro-, meso- and macro) plastic current, evolution of structural damages and phase transformations martensitical type are resulted. For the first time the system of the determining ratio considering interference of plastic deformations, processes of destruction and structural phase transformations martensitical the nature for materials with effect of memory of the form (SME) is presented.

Key words: structurally-analytical mesomechanical, martensitical of returning of transformations, shift plastic deformation, mechanisms of microdestruction, translational-rotational modes of deformation, micro-meso-and macroscale levels, materials with effect of memory of the form.

Получено 20.07.12

УДК 539.374.02+574.4

Г.В. Малинин, канд. техн. наук, доц.,

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИКЛИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭКВИАТОМНОГО НИКЕЛИДА ТИТАНА ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Приведены результаты экспериментальных исследований циклических свойств эквиатомного никелида титана выполненных на тонкостенных цилиндрических оболочках. Представлены данные полученные по двум программам нагружения при сложном напряженном состоянии содержащие ортогональные изломы траектории нагружения. Исследовано влияние фазового состава на формирование циклических диаграмм и перекрестного эффекта [1, 2].

Ключевые слова: эквиатомного никелида титана, сложное напряженное состояние, мартенситное и двухфазовое состояние, перекрестный эффект деформации, материал с эффектом памяти формы.

Механические свойства материалов сильно зависят от режимов нагружения в пространстве напряжений. Например, в условиях деформирования одновременно растяжением и кручением небезразлично, прикладывают ли напряжения к материалу по пропорциональному режиму или по двухзвенному с ортогональным изломом, когда к растягивающим нагруз-

кам начинают в определенный момент времени добавлять сдвиговые или наоборот. Известны фундаментальные экспериментальные исследования на различных марок сталей выполненные в Тверской школе под руководством В.Г. Зубчанинова [3], в которых обнаружена не тривиальная реакция материала на характер траектории нагружения. Однако практически отсутствуют экспериментальные данные по влиянию сложных траекторий изотермического нагружения на материалы с эффектом памяти формы. Имеющие в литературе данные, как правило относятся к испытаниям на сплошных образцах, когда возникает неоднородное напряженное состояние и говорить о свойствах материалах в этих условиях не правомочно. Исключение составляют работы [1, 2]. Настоящая работа восполняет существенный недостаток и позволяет тестировать теоретические модели [4] материалов с ЭПФ.

Приведены результаты экспериментальных исследований циклических свойств эквиатомного никелида титана по двум программам нагружения при сложном напряженном состоянии, содержащих ортогональные траектории нагружения.

Согласно первой программе осуществляли изотермическое симметричное знакопеременное сдвиговое нагружение касательным напряжением т при одновременном действии постоянного нормального растягивающего напряжения а. Опыты проводили для двух типов тонкостенных образцов: в мартенситном состоянии при Т=Т1=298 К и в двухфазном при Т=Т2=320 К. Варьировались как величина растягивающего напряжения а так и амплитуда касательного напряжения т. Результаты экспериментальных исследований представлены в виде соответствующих графиков на рис.1 и рис.2.

Вторая программа экспериментальных исследований была направлена на изучение циклических диаграмм одноосного растяжения-сжатия в условиях действующего касательного напряжения. Как и в первой программе испытаний, испытывались образцы в мартенситном и в двухфазном состоянии.

На рис. 1, а и 2, а, приведены схемы многозвенных траекторий нагружения в координатах 7зг—а. Цифры на всех графиках характеризуют соответствующие номера звеньев нагружения. Графики, представленные на рис. 1, б, в и рис. 2, б, в, относятся к мартенситному состоянию, а графики, изображенные на рис. 1, г, д и рис. 2, г, д, отражают деформационные свойства эквиатомного никелида титана в двухфазном состоянии.

В процессе опытов варьировались амплитуда циклической компоненты нормального напряжения а и величина постоянно действующего сдвигового напряжения т. Результаты экспериментальных исследований

представлены на рис.3 и рис.4. Схемы, изображенные на рис. 3,а и рис.4,б, представляют программу нагружения в координатах л/Зг-су, цифры обозначают номера звеньев траектории нагружения. Графики, изображенные на рис.3б,в и рис.4б,в, относятся к диаграммам механического поведения эквиатомного никелида титана в мартенситном состоянии при Т=Т1=298 К, а кривые, представленные на рис.3,г,д и рис.4,г,д - к двухфазному состоянию, полученному при изотермическом нагружении когда Т=Т2=320 К.

уЗг, МПа 170

О

-170

I

2,6 а) [1,15,7,9

10

I

300 а, МПа 1

4,8

МПа

а, МПа

>/Зт МПа

300

2 е,%

в)

200 6 2

100 /7/ /?

-1 у / у,%

-юа

4,8

1 2 £>%

у/ЗтМПа

200 д) <>2

100 5

-/ У Яоа 1 У

4,Н -200

Рис.1. Диаграммы механического поведения сплава Тм-50 %№ в мартенситном состоянии (Т=298 К) - (б, в) и двухфазном состоянии (Т=320 К) (г, д) при многозвенных ортогональных траекториях нагружения: а - схема траектории нагружения; г - сплошная линия (1,10) - зависимость пунктирная (2-9) зависимость ^[з т~£ при о=300 МПа=сот(; штрихпунктирная (11) - зависимость е~Т при ст=4з т=0 (ЭПФ) вуд - зависимость4з Т~упри о=300 MПa=consi

VJrMUa

125

-125

2.6

а)

/0-

. ТУЗ

4,3,5,7,9

ст9МПа

4,8

V%МПа

V3T,Mf7a

В) д)

100• Jfl 100 б, А

5 /74

' / S 1 г,% / ' г\%

-100J У» г -100х л г

Рис. 2. Диаграммы механического поведения сплава Ti-50 %Ni в мартенситном состоянии (Т=298 К) - (б, в) и двухфазном состоянии

(Т=320 К) (г, д, е) при многозвенных ортогональных траекториях нагружения: а - схема траектории нагружения; б, г - сплошная линия (1,10) - зависимость <j~s; пунктирная (2-9) - зависимость ^з т~£ при о=375 MIIa=const; штрихпунюпирная (11) - зависимость s~T при о=у[з т=0 (ЭПФ); в,д - зависимость 4з т~упри о=375 МПа = const; е - зависимость т~е в увеличенном масштабе no s

4Л

1,3,5,7,9 а)

150 / ~ 2,6

I

10

\

-335

335 ст9МПа

100

а б)

тук 2 6

300 / И / !

X

/у знз /

' 100 / / У4 /! 5'/ 9,7

{ ч

V 1. 471 у,%

/ \ / Н

А100 29Н А

2 ц г,%

1 1 < 1 4 8

-300

у13т,М11а а,МПа

ст,МПа 300 200 6 2 п\ в)

100

Г/9/ /з

-2 -/ 0 П Ч ь Г 2 £,%

-100

, -зооА 4-—-ш

Рис. 3. Диаграммы механического поведения сплава 11-50 %№ в мартенситном состоянии (Т=298 К) - (б, в) и двухфазном состоянии (Т=320 К) - (г, д) при многозвенных ортогональных траекториях нагружен ия: а - схема траектории нагружения; б,г - сплошная линия (1,10) - зависимость V3 т~у; пунктирная (2-9) - зависимость сг~у, л[з т=15OMПa=const штрихпунюпирная (11) - зависимость у~Т при л[з т=о=0 (ЭПФ); вуд - зависимость а~£ при V"? т=150МПа=со1Ш

4,8

^тМПа 1,3,5,7,9 • Ш ^ --

I

10

\

М

-250

250 ст,МЛа

V5т,МПа

ст,М11а

^т,МПа аМПа

100

от, МП а

300 6 2 в)

100 /км/з

0 1 е!%

-100/

<7, МПа

300 Ал*

100

5/ ¥ /7 /3

-7 ' // / / 1 е,%

-юсу

4 8 -300

Рис. 4. Диаграммы механического поведения сплава Н-50%№ в мартенситном состоянии (Т=298 К) - (б, в) и двухфазном состоянии

(Т=320 К) - (г, д) при многозвенных ортогональных траекториях нагружения: а - схема траектории нагружения; б, г - сплошная линия (1,10) - зависимость 4з т~у; пунктирная (2-9) - зависимость а~у, т=188МПа=со1^; штрихпунктирная (11) - зависимость у~Т при VI т=о=0 (ЭПФ); в,д - зависимость а-епри у[з т=188MПa=consí

Компьютерный эксперимент, выполненный на модельном объекте [4] с параметрами, близкими по свойствам к эквиатомному никелиду титана, с хорошим качественным и количественным соответствием выявил также деформационные проявления, которые изображены на рис.1- 4.

Заключение. По итогам натурного и компьютерного экспериментов можно отметить следующие основные моменты. В процессе циклического нагружения наблюдается формирование циклически анизотропного упрочняющегося состояния с ярко выраженным эффектом стабилизации циклической диаграммы деформации. Во всех опытах после 2-3 механо-циклов диаграммы деформации демонстрируют циклически замкнутый гистерезис, который сохранялся при длительном количестве циклов. Анализируя диаграммы циклических деформаций для двух выполненных программ испытаний, можно отметить существенное влияние вида напряженного состояния на диаграммы деформаций мартенситной неупругости.

Сравнивая диаграммы для первой программы (рис.1 и рис.2) с графиками, полученными для второй программы (рис.3 и рис.4) видим, что циклические диаграммы деформаций, полученные по второй программе имеют большую степень циклической анизотропии, чем графики, полученные по первой программе. Необходимо также отметить наличие эффекта псевдоупругости. Представляет интерес весьма сложная кинетика формирования перекрестного эффекта деформации, т.е. изменение той компоненты деформации, которая соответствовала фиксированной компоненте напряжения и инициировалась изменением другой компоненты напряжения. Обозначенное явление изображается пунктирной линией на рис.1 и рис.2 для относительной деформации в и на рис.3 и рис.4 для угловой деформации у.

Весьма важно подчеркнуть, что изображенные на рис.1-4 сложные деформационные эффекты были инициированы обратимыми мартенсит-ными превращениями в процессе изотермического механического нагру-жения. Высказанное утверждение убедительно подтверждается компьютерными экспериментами на модельном объекте, а также экспериментально наблюдаемыми зависимости в и у от температуры Т, которые характеризуют кинетику эффекта памяти формы при нагреве образца в свободном от напряжений состоянии через температурный интервал обратного мартенситного превращения.

Список литературы

1. Арендателев И.Г., Малинин Г.В., Малинина Н.А. Исследование механического поведения сплава Ti-50%Ni при сложном напряженном состоянии // Вестник Новг. гос. ун-та. Сер. Естеств. и техн. науки. 1997. №5. С. 22-28.

2. Малинина Н.А., Малинин В.Г., Малинин Г.В., Эксперименталь-

ные эффекты мартенситной неупругости и сопоставление с теоретическим прогнозом // Научные труды IV Международного семинара "Современные проблемы прочности", Великий Новгород, 2000. Т. 2, С. 60-69.

3. Зубчанинов В.Г., Охлопков Н,Л., Гараников В.В. Экспериментальная пластичность // Процессы сложного нагружения. Тверь: ТГТУ, 2004, 184с.

4. Малинин Г.В. Структурно-аналитическая мезомеханика наност-руктурных состояний среды с обратимыми мартенситными превращениями // Наноинженерия, 2012. №5, С. 22-29.

G.V. Malinin

STUDY CYCLICAL PROPERTIES EQUIATOMIC TITANIUM NICKELIDE UNDER COMPLEX STRESS STATE

The experimental results of cyclic properties of equiatomic NiTi performed on thin-walled cylindrical shells. The data obtained by the two programs loading at the complex stress state with orthogonal fractures path loading. The effect of phase composition on the formation of cyclic diagrams and cross effect.

Key words: equiatomic nickel titanium compound stress, martensitic and two-phase state, cross effect of deformation, the material with shape memory.

Получено 20.07.12

УДК. 621.7, 539.3

Л.П. Семенова, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-18-32, ludmilacemenova@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ), В.А. Серегина, асп., (4872) 24-18-59, vas 2la@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.Н. Пасько, д-р техн. наук, проф.,

ТРЁХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДАВЛИВАНИЯ ОЖИВАЛЬНОЙ ГОЛОВНОЙ ЧАСТИ

Моделировался процесс выдавливания оживальной головной части на стержневой заготовке. Проведён анализ напряженно-деформированного состояния изделия. Представлены картина течения материала и зависимости силы процесса от геометрических параметров головной части. Исследования проводились в рамках гранта РФФИ 10-01-97507-р_центр_а.

Ключевые слова: трёхмерное моделирование, конечно-элементная модель, распределение напряжений и деформаций, многофакторный эксперимент, сила процесса.

Особенности изготовления изделий типа «стержень с оживальной головной частью» обусловлены трудностями, связанными с достижением