Вариант теории термовязкопластичности
Автор: Бондарь В.С., Даншин В.В., Кондратенко А.А.
Статья в выпуске: 1, 2016 года.
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.
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 ,
( . ) /в 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.