ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Обоснование. Снижение уровня накопления повреждений в процессе обработки материалов давлением в условиях повышенных температур в режимах ползучести и близких к сверхпластичности при изготовлении деталей может давать существенное увеличение их эксплуатационного ресурса в холодном состоянии. Нахождение температурно-силовых режимов, ведущих к уменьшению поврежденности материала в процессе производства и эксплуатации, – важная задача. Цель работы. Показать возможность использования модели ползучести и повреждаемости Соснина – Горева для сплавов с немонотонной зависимостью предельной деформации на диаграммах с кривыми ползучести. На примере сплава с такой зависимостью провести сравнительный анализ накопления повреждений двух способов деформирования в условиях одноосного растяжения: когда в сечении напряжение постоянно и когда постоянна скорость деформации. Методы исследования. Используется скалярный параметр поврежденности, который приравнен к нормированной деформации, т. е. к отношению текущей деформации к деформации при разрушении. Для нахождения коэффициентов определяющих соотношений проверяется подобие кривых ползучести в нормированных величинах «приведенная деформация – приведенное время», т. е. наличие единой нормализованной кривой накопления повреждений. Аппроксимация экспериментальных данных выполняется на основе метода наименьших квадратов. Для сравнительного анализа режимов деформирования используются методы численного интегрирования. Результаты и обсуждение. Определение параметров уравнений ползучести и повреждаемости по методике «единой кривой» продемонстрировано на примере экспериментальных данных для стали 12Х18Н10Т (steel 12Cr18Ni10Ti) при 850 ºС, имеющей минимум предельной деформации на диаграммах с кривыми ползучести. Анализ статического и кинематического режимов деформирования для исследуемого материала показал, что накопление повреждений в обоих случаях практически одно и то же для напряжений, близких к напряжению, при котором этот минимум достигается. Если напряжения ниже этого диапазона, то меньший уровень накопления повреждений будет при кинематическом режиме деформирования; при напряжениях выше значений этого диапазона к меньшему уровню накопления повреждений будет приводить статический режим. Область применения. Полученные результаты могут быть полезны при выборе рациональных режимов формования элементов конструкций из сплавов с немонотонной зависимостью предельной деформации от напряжения, а также при их оценке на длительную прочность в процессе эксплуатации.

1. Волегов П.С., Грибов Д.С., Трусов П.В. Поврежденность и разрушение: классические континуальные теории // Физическая мезомеханика. – 2015. – Т. 18, № 4. – С. 68–87.

2. Локощенко А.М. Ползучесть и длительная прочность металлов. – М.: Физматлит, 2016. – 504 с. – ISBN 978-5-9221-1645-9.

3. Meng Q., Wang Z. Creep damage models and their applications for crack growth analysis in pipes: a review // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 205. – P. 547–576. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2015.09.055.

4. Skrzypek J.J., Ganczarski A.W. Modeling of material damage and failure of structures: theory and applications. – Berlin: Springer, 1999. – 326 p. – ISBN 3-540-63725-7.

5. Качанов Л.М. Время разрушения в условиях ползучести // Проблемы механики сплошной среды. – М.: АН СССР, 1961. – С. 186–201.

6. Работнов Ю.Н. О механизме длительного разрушения // Вопросы прочности материалов и конструкций. – М: Изд-во АН СССР, 1959. – С. 5–7.

7. Kowalewski Z.L., Hayhurst D.R., Dyson B.F. Mechanisms-based creep constitutive equations for an aluminium alloy // Journal of Strain Analysis for Engineering Design. – 1994. – Vol. 29, N 4. – P. 309–316. – DOI: 10.1243/03093247V294309.

8. Othman A.M., Hayhurst D.R., Dyson B.F. Skeletal point stresses in circumferentially notched tension bars undergoing tertiary creep modelled with physically based constitutive equations // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. – 1993. – Vol. 441, N 1912. – P. 343–358. – URL: https://www.jstor.org/stable/52272 (accessed: 15.08.2021).

9. Naumenko K, Kostenko Y. Structural analysis of a power plant component using a stress-range-dependent creep-damage constitutive model // Materials Science and Engineering: A. – 2009. – Vol. 510–511. – P. 169–174. – DOI: 10.1016/j.msea.2008.04.096.

10. An anisotropic tertiary creep damage constitutive model for anisotropic materials / C.M. Stewart, A.P. Gordon, Y.W. Ma, R.W. Neu // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2011. – Vol. 88. – P. 356–364. – DOI: 10.1016/j.ijpvp.2011.06.010.

11. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. – М.: Наука, 1966. – 752 с.

12. Соснин О.В., Горев Б.В., Никитенко А.Ф. Энергетический вариант теории ползучести. – Новосибирск: Ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, 1986. – 96 с.

13. Горев Б.В., Клопотов И.Д. К описанию процесса ползучести и длительной прочности по уравнениям с одним скалярным параметром повреждаемости // Прикладная механика и техническая физика. – 1994. – Т. 35, № 5. – С. 92–102.

14. Бормотин К.С., Олейников А.И. Вариационные принципы и оптимальные решения обратных задач изгиба пластин при ползучести // Прикладная механика и техническая физика. – 2012. – Т. 53, № 5 (315). – С. 136–146.

15. Бормотин К.С., Вин А. Метод динамического программирования в задачах оптимального деформирования панели в режиме ползучести // Вычислительные методы и программирование. – 2018. – Т. 19, № 4. – С. 470–478. – DOI: 10.26089/NumMet.v19r442.

16. Цвелодуб И.Ю. Постулат устойчивости и его приложения в теории ползучести металлических материалов. – Новосибирск: Ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, 1991. – 202 c.

17. Банщикова И.А. Выбор режимов формования и оценка эксплуатационного ресурса с использованием кинетических уравнений со скалярным параметром поврежденности // Прикладная механика и техническая физика. – 2019. – Т. 60, № 6. – C. 139–148.

18. Описание процесса ползучести и разрушения современных конструкционных материалов с использованием кинетических уравнений в энергетической форме / Б.В. Горев, И.В. Любашевская, В.А. Панамарев, С.В. Иявойнен // Прикладная механика и техническая физика. – 2014. – Т. 55, № 6. – С. 132–144.

19. Локощенко А.М. Длительная прочность металлов при сложном напряженном состоянии (обзор) // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. – 2012. – № 3. – С. 116–136.

20. Multiaxial creep damage and lifetime evaluation under biaxial and triaxial stresses for type 304 stainless steel // Engineering Fracture Mechanics. – 2017. – Vol. 174. – P. 30–43. – DOI: 10.1016/j.engfracmech.2017.01.001.

21. Goyal S., Laha K. Creep life prediction of 9Cr–1Mo steel under multiaxial state of stress // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 615. – P. 348–360. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.07.096.

22. Горев Б.В., Клопотов И.Д., Захарова Т.Э. К описанию процесса ползучести и разрушения материалов с немонотонным изменением деформационно-прочностных свойств // Физическая мезомеханика. – 2002. – Т. 5, № 2. – С. 17–22.

23. Соснин О.В., Никитенко А.Ф., Горев Б.В. К обоснованию энергетического варианта теории ползучести и длительной прочности металлов // Прикладная механика и техническая физика. – 2010. – Т. 51, № 4. – С. 188–197.

24. Gorev В.V., Klopotov I.D., Lyubashevskaya I.V. Creep and damage behavior of AK41T and VT9 alloy under different stress states // Theoretical and Applied Fracture Mechanic. – 1998. – Vol. 29, iss. 1. – P. 1–10. – DOI: 10.1016/S0167-8442(98)00010-X.

25. Горев Б.В., Банщикова И.А. К описанию ниспадающего участка кривой деформирования «напряжение – деформация» по кинетическим уравнениям со скалярным параметром поврежденности // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. – 2008. – № 2 (17). – С. 110–117. – DOI: 10.14498/vsgtu621.

26. Горев Б.В., Банщикова И.А. К описанию процесса ползучести и разрушения упрочняющихся материалов по кинетическим уравнениям со скалярным параметром поврежденности // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. – 2009. – № 2 (19). – С. 90–98. – DOI: 10.14498/vsgtu732.

27. Банщикова И.А., Муравьёва А.Е., Цвелодуб И.Ю. Расчет пластин из упрочняющегося материала, разносопротивляющегося растяжению и сжатию при ползучести // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 4 (65). – C. 68–77.

28. Локощенко А.М., Шестериков С.А. Модель длительной прочности с немонотонной зависимостью деформации при разрушении от напряжения // Прикладная механика и техническая физика. – 1982. – Т. 23, № 1. – С. 160–163.

29. Banshchikova I.A., Gorev B.V., Legan M.A. Laws of the creep of metallic materials at high temperatures // Journal of Physics. Conference Series. – 2016. – Vol. 754. – P. 082001. – DOI: 10.1088/1742-6596/754/8/082001.

30. Веклич Н.А., Локощенко А.М., Веклич П.Н. Моделирование ресурса деформационной способности материала // Прикладная механика и техническая физика. – 2007. – Т. 48, № 5. – С. 183–188.

31. Ковпак В.И. Прогнозирование длительной работоспособности металлических материалов в условиях ползучести / Институт проблем прочности АН УССР. – Препринт. – Киев: ИПП, 1990. – 37 с.

32. Локощенко А.М. Моделирование процесса ползучести и длительной прочности металлов. – М.: Моск. гос. индустр. ун-т, 2007. – 263 с. – ISBN 978-5-2760-1218-6.

33. Локощенко А.М., Шестериков С.А. Методика описания ползучести и длительной прочности при чистом растяжении // Прикладная механика и техническая физика. – 1980. – Т. 21, № 3. – C. 155–159.

34. Banshchikova I.A., Iyavoynen S.V., Larichkin A.Yu. On rational modes of forming an axisymmetric steel shell under creep // Journal of Physics. Conference Series. – 2019. – Vol. 1268. – P. 012009. – DOI: 10.1088/1742-6596/1268/1/012009.