Введение к работе
Настоящая работа посвящена развитию теории деформирования материалов, обладающих эффектом запоминания формы (ЭЗФ). На основе экспериментальных данных, для таких материалов предлагаются определяющие соотношения, связывающие напряжения и деформации в процессе термосилового воздействия. Экспериментально исследуется поведение некоторых параметров, входящих в определяющие соотношения материалов с паїлятью формы. Решены некоторые задачи (осесимметретная деформация толстостенной трубы , растяжение, изгиб, кручение), в которых продемонстрирована методика определения реактивных усилий, генерируемых при воспрепятствовании восстановлению формы в процессе обратного мартенситного превращения.
Работа выполнена в Кыргызском техническом университете согласно плана госбюджетных научно-исследовательских работ по теме: "Проблемы механики материалов, обладающих эффектом памяти формы" (.шифр темы: EMM, ПШ), утвержденного Министерством народного образования республики Кыргызстан.
Актуальность проблемы. Материалы с памятью формы обладают широким спектром нетрадиционных свойств, неприсущих обычным конструкционным материалам. В последние годы с использованием этих материалов создаются новые устройства для различных отраслей народного хозяйства, принципиально отличающихся от традиционных. В связи о этим важное значение приобретают вопросы расчета напряжений и деформаций в элементах конструкций, изготовленных из материалов с паїлятью формы.
В настоящее время создание теории деформирования материалов о памятью формы, аналогично истории развития механики неупругих (пластических) деформаций, происходит в основном в двух направлениях. Это разработка физических теорий, в которых процесс деформирования рассматривается происходящим одновременно на многих взаимодействующих структурных уровнях, и построение упрощенных феноменологических теорий, воспроизводящих основные, наиболее важные свойства материалов с паїлятью форми. Очевидно, что противопоставлять эти два направлсшш вряд ли целесообразно.
К первому направлению, т.о. физическим тоорплм, относится, например, так называемая, структурцо-апалпгичоскал теория лclop-
миросания материалов с памятью формы. Она была предложена в 1985 году профессором Санкт-Петербургского университета В.А.Лихачеelm и в последующем развита его ученикш.!!! и сотрудниками.
Эта теория обеспечивает большие возможности при описании процессов деформирования во многих практических задачах, с их достаточно ясной физической интерпретацией. Главішм вопросом в этой теории является вибор с&тгаго нижнего структурно-масштабного- уровня, где происходит элементарный акт неупругой деформации. Как отмечают сами авторы "... выбор нижнего структурного урови не упруг ой деформации, воосде.говоря, сильно ограничен и смысловым его содержанием, и достигнутыми зишикш о природо деформации, и техническими возможностями математического характера" .
В последние годы опубликован ряд работ, в которых на основе вышецредложенной теории решены некоторое задачи механики материалов с памятью формы. Анализ этих решений показывает, что при применении структурно-аналитической теории "... техника вычислений представляет самостоятельную весьма сланную задачу".
Ддя выхода на инженерный уровэнъ расчета, на основе изучения основных закономерностей поведения материалов с памятью формы при термосиловом воздействии, нами предложена прикладная (феноменологическая) теория деформирования этих материалов. Очевидно, наши работы относятся ко второму направлению. Дня внедрения предложенной теории в расчетную практику и ее широкого использования необходимы экспериментально-теоретические исследования. В настоящее время во многих устройствах используется свойство материалов с памятью формы генерировать усилия при воспрепятствовании восстановлению первоначальной формы. В связи с этим большую практическую ценность представляют задачи по изучению процессов генерации реактивных усилий в материалах о памятью.
, Цель работы является создание феноменологической теории деформирования материалов с памятью формы на основе данных ыак-роэкспершентов, отражающих основные свойства и закономерности поведения материалов с аффектом запоминания формы при термосиловом воздействии, охватывающим область температур прямого и
обратного мартвнситного превращения. В задачу работы входит тают экспериментальное исследовашю закономерностей накошіегаш и восстановления фазовой деформации при изменении напряжений внутри интервала фазовых превращений и определение и исследова- „ кие поведения, введенных в данную теорию параметров.
С целью демонстрации возможностей и достоинств разрабатываемой теории решена задача о осесикметричной деформации толстостенной трубы с учетом прямого и обратного фазовых превращений, произведено сопоставление теоретических и экспериментальных данных кинетики генерации реактивных усилий.
В задачу исследований входила разработка методика определения и расчета реактивных усилий, генерируемых в процессе обратного мартенситного превращения для часто встречающихся на практике видов нагружошіл (.растлкение, изгиб, кручение).
В работе также проведено экспериментальное изучение влияния процесса ползучести материала на эффекты памяти формы (на примере изгиба).
Научная новизна работы. Даны определяющие соотношения механики материалов о памятью формы, связывающие напрякения и деформации при тормосиловом еоздойстеии на материал в области температур, включающих прямое и обратное фазовые превращения. Введено понятие фазового коэффициента поперечной деформации и экспериментально изучена закономерность изменения этого параметра, входящего в определяющие соотноиошш, как при атермичео-ких, так и в условиях изотермического нагружешш. Показано постоянство модуля фазового превращения, характеризующего''жесткость материала на процесс накопления фазовой деформации. Экспериментально установлено, что в процессе ползучести генерируются фазовые деформации.
Применение прикладної! теории деформирования материалов с памятью формы продемонстрировано на примаро расчета деформации толстостешой грубы. В результате рошеїия этой задачи получона зависимость реактивного давления трубы от величины первоначально приложенного цавлешія, накопленной фазовой деформации, зазора и жесткости системи.
, Мл простоіілшх видов натрушення разработана методика и . произведен расчет реактивных усилий, развиваемых в процессе об-
ратного мартенситного превращения. При этом, как-правило, остаточные (фазовые) деформации получали в процессе нагрузки-разг- ' рузки в изотерьшчеоких условиях. Экспериментелъно показано, что способ получения фазовой деформации не влияет на величину и кинетику развития реактивных усилий.
Практическая ценность работы. Предложены довольно простые по своей структуре определяющие соотношения механики материалов с памятью формы, которые в надлежащей мере отражают реальные свойства этих материалов при накоплении фазовой деформации в процессе прямого превращения и эффекты восстановления формы при обратном мартенситом превращении.
Проведены экспериментальные исследования с изменением величин напряжений при накоплении фазовой деформации и в процессе восстановления формы. Полученные опытные данные в совокупности . с известными результатами других исследователей не противоречат предсказаниям предложенной прикладной теории деформирования материалов с памятью, что подтверждает обоснованность и достоверность последних.
Открыто явление инициирования фазовой деформации в процессе ползучести, а также независимость величин реактивных усилий от способа получения остаточной (Фазовой) деформации.
Предложена эффективная методика расчета кинетики реактивных усилий для часто встречающихся на практике случаев нагруке-нкя. Полученные результаты исследований могут быть использованы при расчете и проектировании силовых и исполнительных механизмов различных устройств, включающих элементы, изготовленные из материалов с эффектом памяти формы.
В работе, в качестве демонстрационного примера, приведены
расчеты реактивных усилий в тонкостенном кольце, в цилиндричес
кой пружине в зависимости от жесткости контртел и устройства для
закрепления инструмента с силовыми элементами из материалов с
памятью формы. - -
Апробация работы. Основные положения.и отдельные результа
ты диссертации были доложены на: і
I. Республиканской научно-технической конференции "Ресур
сосберегающие технологии и прочность в машиностроении" (Фрун
зе, 1986); ' ' ' '
-
Ш-м Всесоюзном совещании-семинаре "Современное состояние и основные направления исследований сейсмостойкости и прочности энергетического оборудования" (Фрунзе,1987);
-
Конференции математиков и механиков Киргизии, посвященной 70-летию Октября (Фрунзе, 1987);
-
1-й Всесоюзної! конференции "Эффекты памяти формы и сверхпласхичноеш и их применение в медицине" (Томск, 1989);
-
1У-м Международном семинаре "Космическое научное приборостроение" (Фрунзе, 1989);
-
Международном семинаре "Сейсмопрочность энергегаческого оборудования" (Орунзе, 1989);
-
П-м Всесоюзном семинаре "Технологические задачи ползучести и сверхпластичносги" (Фрунзе, 1990);
-
Республиканской конференции "Математическое моделиро-. вачие и проблемы автоматизации" (Фрунзе, 1990);
-
Выездной сессии экспертного совета Гос'образования СССР по машиностроению (Алма-Ата, 1991).
10. ХХІУ-м, ХХУ-м, ХХУП-м Всесоюзных и Межреспубликанских семинарах "Актуальные проблемы прочности" (Ленинград-Рубежное, 1990; Ленинград-Новгород, 1991; Санкт-Петербург, 1992; Санкт-Петербург-Ухта, 1992): а также на научных семінарах сектора прочности Института автоматики АН республики Кыргызстан, на секции научно-технического совета по машиностроению ШІ, на ученом совете научно-инженерного центра "Импульс" All республики Кыргызстан, лаборатории сопротивления материалов 1Ш математики и 'механики при Санкт-Петербургском университете и других совещаниях и семинарах.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 34 работы, из них 3 монографии, зарегистрировано одно положительное решение на изобретение. Результаты исслодовшшй приведены, такие в отчетах по научно-исследовательским темам.
Структура и' объем работы. Диссертация состоит из введокия, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 370 страницах машинописного текста, содержащего 122 рисунка, 4 таблицы. Библиографический список включает 173 нанмоновашя литературішх источников.
Автор глубоко признателен своим учителям и научным консультантам - доктору физико-математических наук профессору Санкт-Петербургского университета В.А.Лихачеву и, нине покойному, доктору физико-математических наук, профессору, академику АН республики Кыргызстан Ы.Я.Леонову за постоянное внимание к работе и неоценимую помощь в решении поставленной проблемы.