Вариант теории термовязкопластичности

Бесплатный доступ

Рассматриваются основные положения и уравнения теории термовязкопластичности (неупругости), относящейся к классу теорий течения при комбинированном упрочнении. Тензор скоростей деформаций представляется в виде суммы тензоров скоростей упругой и неупругой деформаций. При этом следует отметить, что в данной теории нет условного разделения неупругой деформации на деформации пластичности и ползучести. Упругая деформация следует обобщенному закону Гука, распространенному на неизотермическое нагружение. Вводится поверхность нагружения, которая изотропно расширяется или сужается и смещается в процессе нагружения. Текущая поверхность нагружения определяется процессом нагружения, изменяющимся во времени. Для радиуса поверхности нагружения формулируется эволюционное уравнение, учитывающее дополнительное изотропное упрочнение при непропорциональном (сложном) нагружении, а также обобщенное на неизотермическое нагружение и процессы возврата механических свойств при отжиге. В качестве параметра, характеризующего меру сложности процесса нагружения, принимается параметр Кадашевича-Мосолова, соответствующий углу между векторами скоростей деформаций и напряжений. Смещение поверхности нагружения описывается на основе модели Новожилова-Шабоши, подразумевающей, что полное смещение есть сумма смещений, для каждого из которых имеет место свое эволюционное уравнение. Проведенный анализ петли пластического гистерезиса позволил выделить три типа микронапряжений (смещений) и сформулировать три типа эволюционных уравнений, обобщенных на неизотермическое нагружение и процессы снятия микронапряжений при отжиге. Для определения тензора скоростей неупругой деформации используется ассоциированный (градиентальный) закон течения. Для жестких и мягких режимов нагружения получены выражения для определения скорости накопленной неупругой деформации. Сформулированы условия упругого и неупругого состояний. Для описания нелинейных процессов накопления повреждений вводятся кинетические уравнения накопления повреждений, где в качестве энергии, расходуемой на создание повреждений в материале, принимается энергия, равная работе микронапряжений второго типа на поле неупругих деформаций. Здесь эти кинетические уравнения обобщены на неизотермическое нагружение и процессы охрупчивания и залечивания повреждений. Выделяются материальные функции, замыкающие вариант теории, формулируется базовый эксперимент и метод идентификации материальных функций. Приводится описание верификации вариантов теории термовязкопластичности на широком спектре конструкционных сталей и сплавов и программ экспериментальных исследований.

Еще

Термовязкопластичность, комбинированное упрочнение, микронапряжения, ратчетинг, дополнительное упрочнение, накопление повреждений, охрупчивание, залечивание повреждений

Короткий адрес: https://sciup.org/146211600

IDR: 146211600   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2016.1.03

Текст научной статьи Вариант теории термовязкопластичности

PNRPU MECHANICS BULLETIN

Вопросам построения математических моделей в теориях термовязкопластичности посвящено большое количество работ. Основные направления построения моделей и обширную библиографию по этому вопросу можно найти в монографиях, обзорах и отдельных работах А.А. Ильюшина [1; 2], В.В. Новожилова [3], Ю.Н. Работнова [4], И.А. Биргера [5], В.С. Бондаря [6–9], Р.А. Васина [10],Ю.И. Кадашевича [3], Л.М. Качанова [11], И.В. Кнетса [12], Ю.Г. Коротких [13], Н.Н. Малинина [14], Ю.М. Темиса [15], Кремпла [16; 17], Криега [18–20], Леметри [21], Линхольма [22], Миллера [23–25], Оно [26–29], Харта [30], Шабоши [31–36] и др.

Наибольшее распространение в практических расчетах в настоящее время нашли дифференциальные теории течения, базирующиеся на концепции комбинированного упрочнения. Среди этих вариантов теорий теории В.С. Бондаря [6–9], Ю.Г. Коротких [13]

и Шабоши [31–36] являются наиболее экспериментально обоснованными и широко применяемыми для расчетов ресурса материалов в условиях термовязкопластического деформирования. Основной проблемой построения этих вариантов является формулировка достаточно адекватных эволюционных уравнений для радиуса поверхности нагружения (изотропное упрочнение), для смещения центра поверхности нагружения (анизотропное упрочнение), а также кинетических уравнений накопления повреждений для произвольных процессов термомеханических нагружений, развивающихся в реальном времени.

Для описания изменения радиуса поверхности нагружения с учетом дополнительного изотропного упрочнения, неизотермического нагружения и процессов возврата механических свойств при отжиге принимается эволюционное уравнение, предложенное в работах [6, 7, 9], где в качестве меры сложности процесса непропорционального нагружения принимается параметр Кадашевича–Мосолова [37]. Для описания смещения поверхности нагружения используется модель Новожилова–Шабоши [38, 39], подразумевающая, что полное смещение есть сумма смещений, для каждого из которых имеет место свое эволюционное уравнение. В качестве таких уравнений в настоящей работе принимаются уравнения, аналогичные уравнениям Ишлинского–Прагера [40, 41], Амстронга–Фреде-рика–Кадашевича [42, 43] и Оно–Ванга [44], обобщенные на неизотермическое нагружение и процессы снятия микронапряжений при отжиге. Для описания нелинейных процессов накопления повреждений формулируется кинетическое уравнение накопления повреждений и эволюционное уравнение изменения энергии разрушения, обобщенные на неизотермическое нагружение и процессы охрупчивания и залечивания повреждений. Для определения материальных функций, замыкающих вариант теории термовязкопластичности, формулируются базовый эксперимент и метод идентификации [6–9, 45, 46] материальных функций. Приводится описание верификации [6, 8, 45–49] варианта теории термовязкопластичности.

1.    Основные положения и уравнения теории

Материал однороден и начально изотропен. Рассматриваются только поликристалли-ческие конструкционные стали и сплавы. В процессе термовязкопластического деформирования в материале может возникать только неупругая деформационная анизотропия. Рассматриваются малые деформации при температурах, когда нет фазовых превращений, и скоростях деформаций, когда динамическими эффектами можно пренебречь. Случаи больших градиентов температур не рассматриваются. Рассматриваются шестимерные пространства напряжений и деформаций.

Тензор скоростей деформаций & у представляется в виде суммы тензоров скоростей упругой s j и неупругой s P деформаций:

S У =S £ +s Р.                                       (1)

Упругие деформации следуют обобщенному закону Гука:

  • se = 7I?-J - V (3605-J -6-J )] + aУ T,

E 1dE 1d (2) < = aT§tj -^2[6-J - V(36o5у-6У)]Т-E(3ao5у-6у)dT, где E, v, aT - соответственно модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент температурного расширения, являющиеся функциями температуры Т; aij - тензор напряжений; °о = си /3 — среднее напряжение; 5j - символ Кронекера (oj = 1 при i = j, 5j = 0 при i * j).

Полагается, что в пространстве составляющих тензора напряжений существует поверхность нагружения, разделяющая области упругого и неупругого состояний. Поверхность нагружения изотропно расширяется или сужается и смещается в процессе нагружения. Начальная поверхность нагружения не имеет смещения, а ее размер (радиус) равен пределу ползучести. Текущая поверхность нагружения определяется процессом нагружения, изменяющимся во времени. Уравнение поверхности нагружения принимается в следующем виде:

3/

f (°у )=2 (sj- aij)(sj- aij)-C = 0 (3)

Здесь s j - девиатор напряжений; a j - девиатор смещения (микронапряжений, добавочных напряжений, остаточных микронапряжений [3, 5]); C - размер (радиус) поверхности нагружения. Тензор a j характеризует анизотропное (направленное) упрочнение. Скаляр C отвечает размеру (радиусу) поверхности нагружения и характеризует изотропное упрочнение. Тензор a ij и скаляр C являются функционалами процесса нагружения.

Для скорости изменения радиуса поверхности нагружения принимается следующее уравнение:

C = q 8 8 «» + Я тТ - q R . (4)

Здесь 8 Р $ - интенсивность скоростей неупругой деформации (скорость накопленной неупругой деформации); q 8 , q T , qR - определяющие функции, которые выражаются через материальные функции, подлежащие экспериментальному определению. По знаку q 8 определяется состояние циклического упрочнения ( q 8 0 ) , состояние циклической стабилизации ( q 8 = 0 ) и состояние разупрочнения ( q 8 0 ) . Параметр qT обеспечивает неизотермический переход, а параметр qR - возврат механических свойств при отдыхе или отжиге. Радиус поверхности нагружения может быть меньше начального в случае циклического разупрочнения материала.

Смещение поверхности нагружения описывается на основе модели Новожилова-Шабоши [38, 39], подразумевающей, что полное смещение есть сумма смещений, для каждого из которых имеет место свое эволюционное уравнение,

M a X aj . (5) m=1

Проведенный анализ [46] позволил выделить три типа микронапряжений (смещений) и сформулировать три типа эволюционных уравнений, обобщенных на неизотермическое нагружение и процессы, развивающиеся в реальном времени (снятие микронапряжений при отдыхе и отжиге).

Для микронапряжений первого типа принимается следующее уравнение (аналог уравнения Ишлинского–Прагера [40, 41]):

a j = 2 g ( 1 ) ё р + д Т ( 1 ) a ( l ) Т - g R a j •                           (6)

Здесь g ( 1 ) , g T ( 1 ) , g R' - определяющие функции, выражающиеся через экспериментально определяемые материальные функции.

Для микронапряжений второго типа принимается следующее эволюционное уравнение (аналог уравнения Амстронга–Фредерика–Кадашевича [42, 43]):

a i    3 g p + g a ^U* + g T2aj'T - g - a? •                  (7)

Здесь g ( 2 ) , g ^ 2 ) , g T ( 2 ) , « R1 - определяющие функции, выражающиеся через экспериментально определяемые материальные функции.

Для микронапряжений третьего типа принимаются следующие эволюционные уравнения (аналог уравнений Оно–Ванга [9, 44, 46, 48]):

. ( m ) 2 ( m )-р , T ( m ) ( m         ( m ) ( m )

a ( - 3 g ( ) a p + g a ( ) aj ’T - g R ; ^ j .                            (8)

Здесь g ( m ) , g T ( m ) , g Rm ) - определяющие функции, выражающиеся через экспериментально определяемые материальные функции.

Неупругие деформации определяются на основе ассоциированного с поверхностью (3) закона течения следующим образом:

*

F Р = ^f X 3s- s ij-eP

^1J                           6 U *• da ij     2 ° u

Здесь a P = s„ - a,: - девиатор активных напряжений [3]. ijijij

Дифференцируя уравнение (3) по времени, подставляя в полученное выражение (4)– (9) и далее разрешая относительно скорости накопленной неупругой деформации a UP * , можно получить следующее уравнение для скорости накопленной неупругой деформации при мягком нагружении, т.е. при заданных напряжениях:

p a u *

3 5 * Й

3 ijij

2 σ u

- В Т Т + B R

и ,           ( 2 ) ( 2 ) *

E * = q a + g + g a,’au ,

M

B T = « Т - У g T ( m ) a Um ) * , m = 1

M

B R = qK + У g R ( m ) a Um ) * , m = 1

*/,(m)                              M aUm’*= 3sH^j- (m = 1,...,M), g = Zg(m)•

  • 2 ° U                        m = 1

Для получения уравнения при жестком нагружении (при заданных деформациях) на основании (1), (2) следует выражение

E

а У = )---

1 + v

8-.-8 p - а^Т + 35<Д- ij ij ij e 0 ij

Далее подставляя (11) в (10) и разрешая относительно 8 Up * , можно получить следующее уравнение для скорости накопленной неупругой деформации при жестком нагружении:

p

8 и *

E* + 3G *

5 * ( Е - a T )

3 G _ j u— j —) - вт т + B R

* σu

E

Здесь G = —----- - модуль сдвига. Для смешанных режимов нагружения уравнения для 2 ( 1 + v )

8 Up * приводятся в работах [6-9, 45].

Условия упругого и неупругого состояний имеют [6-9] следующий вид:

а * C U 8 p * 0 - упругость, а * = C П 8 Up * 0 - неупругость.

Здесь скорость накопленной неупругой деформации задается выражениями (10) или (12) или любым другим выражением, связывающим скорость накопленной неупругой деформации и скорости напряжений и деформаций (смешанные режимы нагружения).

Для описания нелинейных процессов накопления повреждений вводится кинетическое уравнение накопления повреждений, базирующееся на энергетическом принципе, где в качестве энергии, расходуемой на создание повреждений в материале, принимается энергия, равная работе микронапряжений второго типа на поле неупругих деформаций. Это уравнение аналогично [46], но здесь оно обобщено на неизотермическое нагружение и процессы залечивания и охрупчивания. Тогда кинетическое уравнение накопления повреждений и эволюционное уравнение для энергии разрушения будут иметь следующий вид:

' а

cd = аю а ——- - g„. ю, W ю w = gTwT - gffW.

Здесь а , g ю , g W , gw - определяющие функции, выражающиеся через экспериментально определяемые материальные функции. Функция а ( a U 2 ) , T ) характеризует нелинейность процесса накопления повреждений; функция g ю( аЙ, T ) описывает процесс залечивания повреждений; функция g T ( W , T ) обеспечивает неизотермический переход; функция gw ( а и , T ) описывает процесс охрупчивания. Критерием разрушения будет достижение повреждением предельного значения, обычно принимаемого равным единице.

2.    Связь определяющих функций с материальными

В случае отсутствия дополнительного изотропного упрочнения определяющие функции для радиуса поверхности нагружения выражаются через материальные функции следующим образом [6, 7, 9]:

q

д C p        C д c p        p

' = — > qT =-- > qR = qFP .

s Ss p *          C p д T 4R /s c

Здесь C p ( T , s Up * ) - функция изотропного упрочнения; Pc ( T , C , to ) - функция изотропной ползучести.

Для описания дополнительного изотропного упрочнения при непропорциональном (сложном) нагружении определяющая функция q s принимает следующий вид [7, 9]:

д Cp q s= тг + qsa ,                               (17)

ds u *

где s P * - длина дуги траектории неупругой деформации (накопленная неупругая деформация); q s A - описывает дополнительное изотропное упрочнение. Для q s A принимается следующее выражение [7–9, 50]:

q s A =8 A ( C A - C ) , 8 A = ( 1 - A ) 8 , + A 8 . , c a = ( 1 - A ) C , + AC 1 .        (18)

Здесь 8 A ( A , T ) характеризует интенсивность (скорость) дополнительного упрочнения или разупрочнения, а C A ( A , s Up * , T ) - величину дополнительного упрочнения или разупрочнения; A - параметр (мера) непропорциональности нагружения. Параметр C 0 при упрочнении и разупрочнении принимает различные значения, но можно с незначительной погрешностью принять, что при упрочнении и разупрочнении

C о = C p .                                      (19)

Для параметра C 1 , характеризующего дополнительное упрочнение, можно принять зависимость в долях от Cp , т.е.

C 1 = d 1 C p .                                       (20)

Здесь 8 0 ( T ) , 8 1 ( T ) , d 1 ( T ) - модули дополнительного упрочнения и разупрочнения.

В качестве параметра непропорциональности принимается параметр Кадашевича– Мосолова [37], обоснование выбора которого проведено в работе [8],

. . eijsij                    ( 2 . . ) 2 .         ( 3 , . ) 2

A 1 . .        , s u * I o e ij e ij I , ° u * I о s ij s ij I .                              (21)

Vs u * ° u * 2        w v v^    /

Здесь ( ? j , i s ij - девиаторы скоростей деформаций и напряжений.

Далее рассматриваются определяющие функции, входящие в эволюционные уравнения для смещения поверхности нагружения.

Для определяющей функции g ( 1 ) с учетом эффекта вышагивания (ratcheting) петли пластического гистерезиса при мягком несимметричном циклическом нагружении и эффекта посадки петли пластического гистерезиса при жестком несимметричном циклическом нагружении и на основании принципа симметрии циклических свойств [47] принимается следующее выражение:

„(1) _ г pFP т\ = р g     E a ( a u * , T ) E ao

1 + K e ( = p . ) n E + 1

Здесь Eao (T ) - модуль анизотропного упрочнения; KE ( T ) , nE ( T ) - модули вышагивания.

Для определяющих функций g ( 2 ) , g^a 2 ) , g ( m ) ( m = 3,... M ) имеют место [6-9] следующие выражения:

g(2)=РСa , ga2) = e ,

( . ) m - m ) ,                                                  (23)

gv = 1

0 mmm , если aU ) >-( a ) П a ( ) s y 0.

Здесь в ( T ) , a ( T ) , P ( m ) и 0 ^™ )( T ) ( m = 3,... M ) - модули анизотропного упрочнения, определяемые экспериментально.

Для определяющих функций g T ( m ) ( m = 1... M ) имеют место [6-9, 51] следующие выражения:

T (1)      1 d Eao     T (2)     1 d -a       T(m\     1 d ^ m ) / о

ga =--, ga =--a, ga = —--~ ( m = 3-M ) .

a     Eao dT &a    - a dT aa      - m ) dT v

Для получения выражений, связывающих определяющие функции g Rm ) ( m = 1... M ) с материальными, далее рассматривается состояние установившейся ползучести в условиях одноосного напряженного состояния. При изотермическом одноосном нагружении эволюционные уравнения для радиуса и смещений поверхности нагружения принимают следующий вид:

C = q£Ёp - qR,

a (1)= g (1)8 p - gR1) a(1),

• ( 2 )        ( 2 ) • p ( 2 ) ( 2 )’ p ( 2 ) ( 2 )

a( ) = g( ) ap + gxa )a( )sp - gR) a( ),

,a ( m ) = g ( m ) a p - g Rm ) a ( m ) ( m = 3,..., M ) .

В условиях установившейся ползучести имеют место следующие соотношения [6, 7, 9]:

c : = o, c i ( m ) = о     ( m = 1,... m )     a p =ap t = pa = p c .

Далее на основании (25)—(27) можно получить следующие выражения для определяющих функций g Rm ) ( m - 1... M ) :

qR - q. Pc ,(28)

gR'-g(1)Pa /«7,(29)

qR2)-(g(2)+ g"a.21) Pa / a?,(30)

gRm)-g(m 1 Pa /am'   (m - 3,...,M).(31)

Здесь P C ( T , C , to ) - функция изотропной ползучести; P a ( T , au , to ) [6, 7, 9] - функция анизотропной ползучести. Для описания разупрочнения при ползучести (третья стадия ползучести) функции PC и P a принимаются зависящими от повреждения to .

Залечивание материала зависит от характера напряженного состояния. При одноосном сдвиге и растяжении залечивания нет, а при сжатии есть, и чем больше сжатие, тем более интенсивно залечивание материала. Поэтому принимается, что определяющая функция g to зависит от первого инварианта тензора напряжений [6, 7, 9], т.е.

g . =Ц т , a „) .                                 (32)

Охрупчивание материала принимается зависящим от уровня напряжений [6, 7, 9], т.е. от второго инварианта девиатора напряжений или интенсивности напряжений, gw =р( T, a и).                                    (33)

Обоснование зависимости охрупчивания от интенсивности напряжений приводится в работе [6].

Для определяющей функции gW T , обеспечивающей неизотермический переход, имеет место следующее выражение [6, 7, 9]:

W dW0 ,

T g w

0 ш где W0 (T) - начальная энергия разрушения, определяемая из опытов на малоцикловую усталость.

Определяющая функция a , характеризующая нелинейность процесса накопления повреждений, определяется следующим образом [46]:

a- ( a a / a u 2 ) ) a ,                                     (35)

где n a ( T ) - параметр нелинейности процесса накопления повреждений.

3.    Материальные функции, базовый эксперимент и метод идентификации

Вариант теории термовязкопластичности замыкают следующие материальные функции:

E ( T ) , v ( T ) , a T ( T ) - упругие параметры;

Eao ( T ) , ° a ( T ) , в ( T ) модули анизотропного упрочнения;

° ( m ) ( т ) , р ( m ) ( т ) ( m = 3,... M ) модули анизотропного упрочнения, соответствующие аналогу модели Оно-Ванга;

K E ( T ) , nE ( T ) модули вышагивания;

C p ( T , a p , ) функция изотропного упрочнения;

9 o ( T ) , 9 1 ( T ) , d 1 ( T ) модули дополнительного изотропного упрочнения;

W0 ( T ) начальная энергия разрушения;

P C ( T , C , to ) функция изотропной ползучести;

P a ( T , a . , to ) функция анизотропной ползучести;

Х ( T , ° ii ) модуль залечивания;

р ( T , ° . ) модуль охрупчивания.

Функции изотропной и анизотропной ползучести, а также модули залечивания и охрупчивания аппроксимируются следующими выражениями [6, 7, 9]:

P c ( T , C , to ) = exp ( b ) | C C      ( 1 — to ) m ' ,

Pa ( T . a . , to) = ex P ( b a )( a . ) na ( 1 — to) m " ,

X ( T , ° ii ) =

'° если Оii > °

ex P ( b x ) и? x , если ° ii< 0 ,

p ( T , ° . ) = ex P ( b p ) ( ° . ) n p .

Здесь bc ( T ) , nc ( T ) , ba ( T ) , na ( T ) , m to ( T ) - параметры изотропной и анизотропной ползучести; Cpo ( T ) - предел ползучести; b x( T ) , n x( T ) , b p( T ) , n p( T ) - параметры залечивания и охрупчивания.

Для термопластических процессов материальные функции определяются по результатам испытаний в условиях упругопластического состояния при различных уровнях температуры. Базовый эксперимент включает в себя следующий набор данных:

  • -    упругие параметры, которые определяются традиционными методами;

  • -    диаграмма пластического деформирования при растяжении до деформации 0,05 0,1;

  • -    циклические диаграммы при симметричном растяжении-сжатии при постоянной амплитуде деформации 0,0075 0,015;

  • –    циклические диаграммы при несимметричном растяжении-сжатии при постоянной амплитуде деформации 0, 005 - 0,01 и средней деформации цикла 0,05 - 0, 01;

  • –    данные по малоцикловой усталости при одноблочном и двухблочном жестком симметричном циклическом нагружении;

  • –    диаграмма максимальных значений интенсивности напряжений на цикле от накопленной неупругой деформации при непропорциональном циклическом нагружении по траектории деформаций в виде окружности радиусом 0, 0075 - 0, 015 до стабилизации дополнительного изотропного упрочнения и последующем пропорциональном циклическом нагружении до стабилизации разупрочнения;

  • –    данные по усталостному разрушению при непропорциональном циклическом нагружении по траекториям деформаций в виде окружностей с различными радиусами.

Для описания термовязкопластических процессов деформирования и накопления повреждений необходимы:

  • –    данные по ползучести при постоянном напряжении растяжения: зависимость минимальной скорости ползучести от напряжения во всем диапазоне изменения напряжений – от кратковременной до весьма длительной ползучести;

  • –    диаграмма кратковременной ползучести при постоянном напряжении растяжения вплоть до разрушения;

  • –    данные по длительной прочности: кривая длительной прочности при растяжении, включающая все три участка, и кривая длительной прочности при сжатии, соответствующая только второму участку.

  • 4.    Верификация варианта теории термовязкопластичности

Метод идентификации материальных функций по данным базового эксперимента подробно изложен в работах [6–9, 45, 46], в которых для ряда конструкционных сталей и сплавов приведены материальные функции.

Далее рассматривается верификация на основе сопоставления расчетных и экспериментальных результатов для различных процессов пропорционального (простого) и непропорционального (сложного), изотермического и неизотермического режимов нагружения.

В работах [6, 8, 45–49] приводится верификация варианта теории при пропорциональных стационарных и нестационарных, симметричных и несимметричных, жестких и мягких режимах циклического изотермического нагружения. Иллюстрируется адекватное описание эффекта посадки петли пластического гистерезиса при жестком несимметричном циклическом нагружении, а также эффекта вышагивания (ratcheting) при мягком несимметричном циклическом нагружении. В этих же работах анализируются процессы нелинейного накопления повреждений при одноблочных и многоблочных режимах жестких и мягких циклических нагружений. Рассматриваются процессы от малоцикловой до многоцикловой усталости (101 - 106 циклов).

Неизотермические процессы при пропорциональном (простом) циклическом нагружении рассматриваются в работах [6, 45]. Показано адекватное описание теорией экспериментальных циклических диаграмм и разрушения в условиях малоцикловой усталости.

Процессы непропорционального (сложного) нагружения достаточно полно анализируются в монографии [8], где рассматриваются плоские и пространственные траектории деформаций в широком диапазоне кривизн и круток от малых до больших. В этой же монографии показано адекватное описание теорией эффекта дополнительного изотропного упрочнения при непропорциональных (сложных) циклических нагружениях. Там же рассматривается разрушение при циклических пропорциональных и непропорциональных режимах нагружения от малоцикловой до многоцикловой усталости. Снижение долговечности в условиях непропорционального циклического нагружения по сравнению с пропорциональным при одинаковых размахах деформаций достигает почти порядка, что показывают как эксперимент, так и расчет.

Верификация варианта теории для процессов термовязкопластического деформирования и разрушения рассматривается в работах [6, 45]. Так, например, исследование процессов неупругого деформирования при сложном нагружении по двухзвенным траекториям напряжений проводилось [6, 45] на нержавеющей стали при температуре 650 °С. Каждый цикл нагружения состоял из быстрого кручения, выдержки, быстрой разгрузки, быстрого совместного кручения и растяжения, выдержки и последующей разгрузки (под быстрыми нагружениями подразумеваются нагружения, при которых не успевает проявляться ползучесть). Таким образом, реализовывалась циклическая ползучесть в условиях сложного нагружения. Анализировались [6] и процессы сложного нагружения по двухзвенным траекториям деформаций с различными скоростями деформирования в условиях повышенной температуры.

Исследовались [6, 45] процессы циклического деформирования и малоцикловой прочности при изотермических и неизотермических синфазных и противофазных режимах нагружения в условиях повышенных температур и различных длительностей циклов.

Сравнивались [45] расчетные и экспериментальные кривые длительной прочности, включающие все три участка.

Рассматривалась [6] малоцикловая прочность конструкций при теплосменах, в которых реализовывалось сложное неизотермическое нагружение.

Соответствие расчетных и экспериментальных результатов для широкого спектра конструкционных сталей и сплавов и режимов нагружения говорит о достаточной работоспособности предложенного варианта теории термовязкопластичности.

Заключение

Сформулированы основные положения и уравнения варианта теории термовязкопластичности, адекватно описывающие кинетику напряженно-деформированного состояния и нелинейные процессы накопления повреждений при произвольном сложном неизотермическом нагружении в условиях повторности и длительности термомеханических воздействий. Выделены материальные функции, замыкающие теорию, сформулированы базовый эксперимент и метод идентификации материальных функций. Приводится описание верификации варианта теории термовязкопластичности на широком спектре конструкционных сталей и сплавов и программ экспериментальных исследований.

Следует отметить, что здесь в рамках одной теории описываются экспериментально полученные в последнее время закономерности сложного нагружения как по плоским, так и по пространственным траекториям деформаций, эффекты посадки и вышагивания

(ratcheting) петли пластического гистерезиса при несимметричных циклических нагружениях, закономерности неизотермического нагружения и нелинейного суммирования повреждений, а также эффекты дополнительного изотропного упрочнения при непропорциональных циклических нагружениях.

Вариант теории термовязкопластичности описывает: три стадии ползучести; три участка кривой длительной прочности; знакопеременные и нестационарные процессы ползучести; процессы охрупчивания и залечивания повреждений; взаимное влияние ползучести, пластичности и повреждения и т.д.

Адекватное описание процессов термовязкопластического деформирования и разрушения конструкционных сталей и сплавов при разнообразных режимах нагружения иллюстрирует широкие возможности варианта теории термовязкопластичности.

Список литературы Вариант теории термовязкопластичности

  • Ильюшин А.А. Пластичность. Основы общей математической теории. -М.: Изд-во АН СССР, 1963. -271 с.
  • Ильюшин А.А. Механика сплошной среды. -М.: Изд-во МГУ, 1990. -310 с.
  • Новожилов В.В., Кадашевич Ю.И. Микронапряжения в конструкционных материалах. -Л.: Машиностроение, 1990. -224 с.
  • Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. -М.: Физматгиз, 1966. -752 с.
  • Термопрочность деталей машин: справочник/под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шорра. -М.: Машиностроение, 1975. -455 с.
  • Бондарь В.С. Неупругое поведение и разрушение материалов и конструкций при сложном неизотермическом нагружении: дис. … д-ра физ.-мат. наук. -М.: Изд-во Моск. гос. машиностроит. ун-та (МАМИ), 1990. -314 с.
  • Бондарь В.С. Неупругость. Варианты теории. -М.: Физматлит, 2004. -144 с.
  • Бондарь В.С., Даншин В.В. Пластичность. Пропорциональные и непропорциональные нагружения. -М.: Физматлит, 2008. -176 с.
  • Bondar V.S. Inelasticity. Variants of the theory. -New York: Begell House, 2013. -194 p.
  • Васин Р.А. Экспериментально-теоретическое исследование определяющих соотношений в теории упругопластических процессов: автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. -М.: Изд-во МГУ, 1987. -36 с.
  • Качанов Л.М. Теория ползучести. -М.: Физматлит. 1960. -455 с.
  • Кнетс И.В. Основные современные направления в математической теории пластичности. -Рига: Зинатне, 1971. -147 с.
  • Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. -М.: Физматлит, 2008. -424 с.
  • Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. -М.: Машиностроение, 1975. -400 с.
  • Темис Ю.М. Моделирование пластичности и ползучести конструкционных материалов ГТД//Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных научных кадров: материалы 49-й Междунар. науч.-техн. конф. ААИ. Школа-семинар «Современные модели термовязкопластичности». Ч. 2. -М.: Изд-во Моск. гос. машиностроит. ун-та (МАМИ), 2005. -С. 25-76.
  • Krempl E. The influence of state of stress on low-cycle fatigue of structural materials: a literature survey and interpretive report//Amer. Soc. Test. and Mater. Spec. Techn.Publ. -1974. -No. 549. -Р. 1-46.
  • Krempl E., Lu H. The Hardening and Dependent Behavior of Fully Annealed AISI Type 304 Stainless Steel Under Biaxial in Phase and Out -of -Phase Strain Cycling at Room Temperature//ASME Journal of Engineering Materials and Technology. -1984. -Vol. 106. -P. 376-382.
  • Krieg R.D. A. Practical Two Surface plasticity Theory//Journal of Applied Mechanics. -1975. -Vol. 42. -P. 641-646.
  • Krieg R.D., Swearengen J.C., Rhode R.W. A physicallybased internal variable model for rate-dependent plasticity//Proc. ASME/CSME PVP Conference. -1978. -P. 15-27.
  • Krieg R.D., Krieg D.B. Accurate of numerical solution methods for the elastic-perfectly plastic model//Trans. ASME. -1977. -Vol. 199. -No. 4. -P. 510-515.
  • Lemaitre J. Coupled elasto-plasticity and damage constitutive equations//Comput. Meth. Appl. Mech. and Eng. -1985. -Vol. 51. -No. 1-3. -P. 31-49.
  • Constitutive modeling for isotropic materials (HOST)/U.S. Lindholm, K.S. Chan, S.R. Bodner, R.M. Weber, K.P. Walker, B.N. Cassenti//Second Annual Contract Report. NASA CR. 174980. -1985.
  • Miller A.K. A unified approach to predicting interactions among creep, cyclic plasticity, and recovery//Nuclear Eng. and Design. -1978. -Vol. 51. -P. 35-43.
  • Miller K.J., Brown M.W Multiaxial fatigue: a brief review//Adv. Fract. Res. Proc. Int. Conf. New Delhi 4-10 Dec. -1984. -Vol. I. -P. 31-56.
  • Miller A.K., Tanaka T.G. NONSS: A new method for integrating unified constitutive equations ander complex histories//Trans. ASME: J. Eng. Mater. and Technol. -1988. -Vol. 110. -No. 3. -P. 205-211.
  • Ohno N. A constitutive model of cyclic plasticity with a nonhardening strain region//J. Appl. Mech. -1982. -Vol. 49. -P. 721-727.
  • Ohno N. Recent topics in constitutive modeling of cyclic and viscoplasticity//Appl. Mech. rev. -1990. -Vol. 43. -P. 283.
  • Ohno N., Wang J.D. Transformation of a nonlinear kinematics hardening rulle to a multisurface form under isothermal and nonisothermal conditions//Int. Journal of Plasticity. -1991. -Vol. 7. -P. 879-891.
  • Ohno N., Wang J.D. Kinematics hardening rule with critical state of dynamic recovery. Parts I and II.//Int. Journal of Plasticity. -1993. -Vol. 9. -P. 375-403.
  • Харт. Уравнения состояния для неупругой деформации металлов//Теоретические основы инженерных расчетов: тр. ASME. -1976. -№ 3. -C. 1-7.
  • Chaboche J.L. Constitutive equation for cyclic plasticity and cyclic viscoplasticity//Inter. J. of Plasticity. -1989. -Vol. 5. -No. 3. -P. 247-302.
  • Chaboche J.L. Thermodynamically based viscoplastic constitutive equations: theory versus experiment//ASME Winter Annual Meeting. -GA (USA). -Atlanta, 1991. -P. 1-20.
  • Chaboche J.L. Cyclic viscoplastic constitutive equations, parts I and II//ASME J. of Applied Mechanics. -1993. -Vol. 60. -P. 813-828.
  • Chaboche J.L., Rousselier G. On the plastic an viscoplastic constitutive equations//ASME J. of Pres. Vessel Techn. -1983. -Vol. 105. -P. 153-164.
  • Chaboche J.-L. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories//Int. J. of Plasticity. -2008. -Vol. 24. -P. 1642-1692.
  • Нелинейная механика материалов/Ж. Бессон, Ж. Каето, Ж.-Л. Шабоши, Т.С. Форест. -СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2010. -397 с.
  • 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.
  • Новожилов В.В. О сложном нагружении и перспективах феноменологического подхода к исследованию микронапряжений//ПММ. -1964. -Т. 28. -Вып. 3. -С. 393-400.
  • Chaboche J.-L., Dang-Van K., Cordier G. Modelization of the strain memory effect on the cyclic hardening of 316 stainless steel//Proceedings of the 5th International Conference on SMiRT. Div L. -Berlin, 1979. -Paper No. L. 11/3.
  • Ишлинский А.Ю. Общая теория пластичности с линейным упрочнением//Укр. мат. журн. -1954. -Т. 6. -Вып. 3. -С. 314-324.
  • Prager W. A new method of analyzing stresses and strains in work hardening plastic colids//ASME J. Appl. Mech. -1956. -Vol. 23. -P. 493-496.
  • Amstrong P.J., Frederick C.O. A mathematical represention of the multiaxial bauscinger effect//CEGB Report No. RD/B/N/731. -1966.
  • Кадашевич Ю.И. О различных тензорно-линейных соотношениях в теории пластичности//Исследования по упругости и пластичности. -Л.: Изд-во ЛГУ, 1967. -Вып. 6. -С. 39-45.
  • Ohno N., Wang J.-D. Kinematic hardening rules with critical state of dynamic recovery. Part 1: Formulations and basic features for ratcheting behavior//International Journal of Plasticity. -1993. -Vol. 9. -P. 375-390.
  • Макаров Д.А. Математическое моделирование процессов неизотермического неупругого деформирования и накопления повреждений в конструкционных материалах: дис. … канд. физ.-мат. наук. -М.: Изд-во Моск. гос. машиностроит. ун-та (МАМИ), 2005. -108 с.
  • Бондарь В.С., Даншин В.В., Макаров Д.А. Математическое моделирование процессов деформирования и накопления повреждений при циклических нагружениях//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2014. -№ 2. -С. 125-152.
  • Бондарь В.С. Некоторые новые результаты исследования пластичности материалов при сложном нагружении//Упругость и неупругость. -М.: ЛЕНАНД, 2006. -С. 94-109.
  • Бондарь В.С., Бурчаков С.В., Даншин В.В. Математическое моделирование процессов упругопластического деформирования и разрушения материалов при циклических нагружениях//Проблемы прочности и пластичности: межвуз. сб. Вып. 72. -Н. Новгород: Изд-во Нижегород. гос. ун-та, 2010. -С. 18-27.
  • Бондарь В.С., Даншин В.В., Семенов П.В. Нелинейные процессы накопления повреждений при нестационарных циклических нагружениях//Проблемы прочности и пластичности. -2012. -Вып. 75, Ч. 2. -С. 96-104.
  • Benallal A., Marquis D. Constitutive equations for no proportional cyclic elasto-viscoplasticity//Journal of Engineering Materials and Technology. -1987. -Vol. 109. -P. 326-337.
  • Бондарь В.С., Даншин В.В., Кондратенко А.А. Вариант теории термопластичности//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2015. -№ 2. -С. 21-35. DOI: 10.15593/perm.mech/2015.2.02.
Еще
Статья научная