WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ЧЖО ТУ Я

УДК 539.4

АНАЛИЗ НЕЛИНЕЙНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СПЛАВОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

01.02.04 – механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА - 2009

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) на кафедре «Строительная механика и прочность»

Научный руководитель: доктор физико – математических

наук, профессор

Мовчан Андрей Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор

Крахин Олег Иванович;

доктор физико-математических наук,

Березин Александр Васильевич

.

Ведущая организация: Национальный институт авиационных технологий.

Защита состоится 2009 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.05 при Московском Авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125 993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета) по адресу: 125 993, г. Москва, А-80, ГСП-3, Волоколамское шоссе, д. 4.

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просьба отправлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан «___»__________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета

к.т.н., доцент Жаворонок С.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию термомеханических свойств сплавов с памятью формы на примере наиболее известного представителя этой группы функциональных материалов – никелида титана. Данный материал может находиться в двух фазовых состояниях, различающихся строением атомной решетки. Это, во-первых, высокотемпературное, высокопрочное, жесткое аустенитное состояние, и, во-вторых – низкотемпературное, менее прочное, менее жесткое мартенситное фазовое состояние. При охлаждении через определенный температурный интервал происходит прямое термоупругое мартенситное превращение из аустенитной фазы в мартенситную, при нагреве – обратное превращение. Термоупругие фазовые превращения были открыты Г.В. Курдюмовым и Л.Г. Хандросом.

Фазовые превращения в СПФ сопровождаются уникальными механическими явлениями, некоторые из которых перечислены ниже:

-существенное изменение упругих модулей (уменьшение при прямом превращении и увеличение при обратном);

- аномальное изменение таких физических характеристик материала, как электрическое сопротивление, теплоемкость, внутреннее трение и т.д.;

-объемный эффект реакции фазового превращения, носящий аномальный характер (увеличение объема при охлаждении, сопровождающемся прямым мартенситным превращением и уменьшение объема при нагреве и соответствующем обратном превращении);

-накопление деформаций формоизменения при прямом превращении (рост деформаций при прямом превращении под действием механического напряжения в «сторону» приложенного напряжения);

- явление ориентированного превращения (рост деформаций «в сторону» ранее приложенного напряжения после его снятия при продолжении прямого превращения);

- явления монотонной, реверсивной и обратимой памяти формы;

- мартенситная неупругость (рост деформаций при изотермическом нагружении СПФ в мартенситном состоянии, связанный со структурными превращениями);

- сверхупругость (рост деформаций при изотермическом нагружении СПФ в аустенитном состоянии, связанный с прямым превращением, вызванным ростом напряжений и падение деформаций при изотермической разгрузке, связанный с вызванным падением напряжений обратным превращением);

- выделение и поглощение латентного тепла фазового перехода;

- диссипативные явления.

Экспериментально механическое поведение сплавов с памятью формы изучалось в работах В.А. Лихачева, А.Е. Волкова, С.Л. Кузмина, С.П. Беляева, В.Г. Малинина, В.Е. Гюнтера, Л.А. Монасевича, Ю.И. Паскаля, В.Н. Хачина, В.Г. Пушина, В.В. Кондратьева, Е.З. Винтайкина, И.И. Корнилова, О.К. Белоусова, Е.В. Качура, О.И. Крахина И.Н. Андронова, S. Miyazaki, K. Tanaka, K. Otsuka, F. Nishimura, N. Watanabe и др.

Различные системы механических определяющих соотношений для сплавов с памятью формы предложены в работах В.А. Лихачева, В.Г. Малинина, А.Е. Волкова, С. Абдрахманова, Г.А. Малыгина, А.А. Мовчана, F. Baumgart, J. Jorde, H.G. Reiss, A. Bertram, I. Muller, F. Falk, B. Raniecki, C. Lexcellent, D.C. Lagoudas, M. Huang, L.C. Brinson E.J. Graesser, F.A. Cozzarelli, C. Liang, C.A. Rogers, K. Tanaka, T. Paator, A. Eberhardt, M. Berveiller, Auricchio F. и др.

Формулировке и решению краевых и начально-краевых задач термомеханики для элементов из СПФ посвящены работы А.Е. Волкова, О.И. Крахина, А.А. Мовчана, С.А. Лурье, Со Ньюнт, Ю.Б. Какулия и др.

Возможности применения уникальных свойств СПФ для создания перспективных конструкций и прогрессивных технологий, исследовались в работах О.И. Крахина, А.И. Разова, В.Н. Семенова, А.Г. Чернявского, Д.Б. Чернова, Р.Р. Ионайтиса, М.А. Хусаинова и др.

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных экспериментальному и теоретическому изучению СПФ, целый ряд вопросов к настоящему времени исследован недостаточно. Так, не существует единого мнения об основных качественных особенностях зависимости интенсивности деформации полного прямого превращения, происходящего под действием постоянного напряжения от интенсивности этого напряжения (речь идет о поведении соответствующей зависимости при малых и больших напряжениях). Отсутствует общепринятая процедура определения зависимостей характерных температур прямого и обратного мартенситного превращения под действием некоторого механического напряжения от величины этих напряжений. Недостаточно исследованы процессы накопления деформаций прямого превращения под действием кусочно – постоянной нагрузки.

Отсутствуют феноменологические модели явления реверсивного деформирования при обратном превращении под действием некоторого напряжения, если его интенсивность превышает интенсивность напряжений, которые действовали на предварительном этапе прямого превращения.

К настоящему времени предложены как линейные, так и более адекватные нелинейные феноменологические модели деформирования СПФ при термоупругих фазовых превращениях. В рамках линейных моделей деформирования СПФ решен ряд дважды связных начально-краевых задач о температурном, фазовом и деформированном состоянии стержней из СПФ при прямом и обратном превращении. Аналогичные решения в рамках нелинейных феноменологических моделей деформирования СПФ отсутствуют. Отсутствует ответ на вопрос об актуальности учета нелинейных свойств СПФ при анализе их термомеханического поведения.

На практике управление температурой элементов конструкций из СПФ с небольшими площадями поперечных сечений, а значит их фазовым состоянием и механическим поведением, осуществляют путем пропускания по ним электрического тока. Поэтому весьма актуальной является проблема моделирования изменения температурного, фазового и напряженно-деформированного состояния образцов из СПФ при изменении силы пропускаемого по ним тока. Соответствующие задачи осложнены тем обстоятельством, что электрическое сопротивление СПФ претерпевает аномальные изменения при термоупругих мартенситных превращениях. В результате определить зависимость электрического сопротивления образца из СПФ от координат и времени, не решив задачу о фазовом составе образца, не представляется возможным. В результате возникает весьма сложная проблема, в рамках которой задачи определения электрических свойств материала, его температурного режима, фазового и напряженно-деформированного состояния должны решаться совместно. Ранее такие задачи в рамках нелинейных феноменологических моделей деформирования СПФ, учитывающих не только выделение и поглощение латентного тепла фазовых переходов, но и диссипативные явления, не решались.

Цель работы

Целью данной работы является

1. Экспериментальное исследование процессов деформирования образцов из никелида титана при их прямом и обратном мартенситном превращении под действием постоянных и кусочно – постоянных нагрузок;

2. Выработка методики экспериментального определения зависимости характерных температур термоупругих мартенситных превращений от величины действующих напряжений;

3. Анализ влияния нагруженности материала на этапе обратного мартенситного превращения на величину коэффициента возврата деформаций;

4. Формулировка феноменологической модели реверсивного деформирования СПФ при обратном превращении под действием механического напряжения;

5. Разработка алгоритма решения начально-краевых дважды связных задач о температурном, фазовом и деформированном состоянии стержней из СПФ в рамках нелинейной теории деформирования этих материалов;

6. Сравнение решений связных начально-краевых задач о температурном, фазовом и деформированном состоянии СПФ, полученных в рамках линейной и нелинейной теорий деформирования этих материалов;

7. Формулировка уравнения энергетического баланса, с учетом притока немеханической энергии, связанного с пропусканием электрического тока, учитывающего выделение и поглощение латентного тепла фазового перехода, и диссипативные явления;

8. Разработка алгоритма и решение с помощью этого алгоритма связных задач об электрических свойствах, фазовом, температурном и деформированном состоянии стержней из СПФ, испытывающих прямые или обратные мартенситные превращения при управляющем воздействии электрического тока.

Методы исследования

Для исследования механических свойств СПФ использовались экспериментальные методы, в частности, опыты по мягкому нагружению при фиксированной или меняющейся температуре. Для анализа и аппроксимации экспериментальных данных использовались регрессионные методы. Термодинамический анализ производился в рамках подходов рациональной термодинамики. Начально-краевые задачи решались численным методом, использующим процедуру разделения переменных, конечно-разностную аппроксимацию и метод Рунге – Кутта.

Научная новизна.

  1. Впервые предложен алгоритм определения характерных температур термоупругих мартенситных превращений по экспериментальным данным на прямое и обратное превращение под действием постоянных напряжений, основанный на введении допуска на неупругую деформацию.
  2. Впервые экспериментально установлено, что при прямом превращении под действием двухступенчатого нагружения, когда напряжение при переходе от первого этапа ко второму возрастает, суммарная накопленная деформация не зависит от напряжения, действовавшего на первом этапе и температуры, при которой произошел переход от первого этапа ко второму.
  3. Впервые построена феноменологическая модель реверсивного деформирования при обратном превращении, происходящем под действием механического напряжения.
  4. Впервые проведено сравнение решений начально – краевой задачи о прямом и обратном термоупругом превращении в стержне из СПФ, находящемся под действием постоянных напряжений, полученных в рамках линейной и нелинейной теорий деформирования СПФ. Установлено существенное различие между этими решениями, особенно для случая высоких напряжений.
  5. Впервые в рамках подходов рациональной термодинамики сформулировано связное уравнение энергетического баланса для СПФ, претерпевающих термоупругие мартенситные превращения под действием электрического тока. Уравнение учитывает не только выделение и поглощение латентного тепла фазового перехода, и немеханическое действие электрического тока, но и диссипативные явления.

Основные положения, выносимые на защиту.

  1. Определенные экспериментально качественные особенности зависимости деформации полного прямого превращения под действием постоянного напряжения от величины этого напряжения, состоящие в том, что деформация эта монотонно и нелинейно возрастает с ростом напряжения, причем для высоких напряжений наблюдается насыщение этого роста.
  2. Положение о равенстве деформации, накопленной при полном прямом превращении под действием двухэтапного нагружения, когда напряжение второго этапа выше напряжения первого этапа, деформации полного прямого превращения под действием постоянного напряжения, соответствующего второму этапу двухэтапного процесса.
  3. Определяющее соотношение для деформаций при обратном мартенситном превращении, описывающее реверсивные эффекты.
  4. Полученное в рамках нелинейной теории деформирования СПФ связное уравнение энергетического баланса для прямых и обратных термоупругих мартенситных превращений в этих материалах, происходящих под действием электрического тока.

Теоретическая и практическая ценность

Теоретическое значение работы состоит в разработке новой модели реверсивного деформирования СПФ при обратном превращении и апробации модели нелинейного деформирования СПФ путем решения конкретных начально – краевых задач. Практической ценностью обладают результаты проведенных экспериментальных исследований механического поведения образцов из никелида титана, результаты расчетов термомеханического поведения одномерных элементов из никелида титана, претерпевающих фазовые переходы под воздействием электрического тока, поскольку именно такой способ управления формой элементов из СПФ часто используется на практике.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается проведенными в ее рамках широкомасштабными экспериментальными исследованиями. Каждый эксперимент повторялся на 3 – 5 образцах. Достоверность полученных численных решений проверялась путем неоднократного уменьшения шага сетки по пространственной координате и по времени вплоть до достижения сходимости результатов.

Апробация работы

Результаты, полученные в работе, доложены на следующих научных конференциях:

  1. XIII Международный симпозиум "Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред".- 2007 г.
  2. XXIII сессия международной школы по моделям механики сплошной среды. Саратов, 27 августа – 1 сентября 2007 г.
  3. XLVI Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» 15–17 октября 2007 года. Витебск. Беларусь.

Публикации

По теме работы опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»