Введение к работе
Актуальность темы.
Сплавы с памятью формы являются перспективными материалами для использования в аэрокосмической промышленности, энергетике, транспорте, медицинской промышленности и т.д. Экспериментальному исследованию уникальных термомеханических свойств сплавов с памятью формы посвящены работы В.А. Лихачева, С. Абдрахманова, Е.З. Винтайкина, В.Н. Хачина, В.Г. Пушина, О.И. Крахина, И.Н. Андронова, С.П. Беляева, С.Д. Прокошкина, Л.М. Капуткиной, Н.Ю. Хмелевской, K. Otsuka, F. Nishimura, N. Watanabe Y. Liu, Q.P. Sun, W.M. Huang, J.A. Shaw, S. Kyriakides и др.
Различные модели термомеханического поведения СПФ предложены в работах В.А. Лихачева, В.Г. Малинина, С. Абдрахманова, А.Е. Волкова, А.А. Мовчана, С.А. Лурье, K. Tanaka, C. Liang, C.A. Rogers, C. Lexcellent, D. Lagoudas, C. Brinson. F. Auricchio и др. Проектированию и расчету различных устройств, использующих свойства сплавов с памятью формы, посвящены работы О.И. Крахина, Н.А. Махутова, А.И. Разова, В.Н. Семенова, М. А. Хусаинова, Д.Б. Чернова, С.В.Шишкина и др. Задачи о нагружении элементов из СПФ в мартенситном состоянии изгибающими и крутящими моментами решались О.И. Крахиным.
К настоящему времени ряд явлений и эффектов, характерных для СПФ изучен недостаточно. Особенно это касается нелинейных свойств СПФ, проявляемых этими материалами в процессах прямого мартенситного фазового превращения и структурного перехода, общих свойств диаграмм прямого превращения и мартенситной неупругости, различий между формами этих диаграмм. Мало исследовано явление деформационного упрочнения СПФ в мартенситном состоянии, совсем не исследованы возможности упрочнения СПФ за счет явления прямого мартенситного превращения. Практически не изучены реономные свойства СПФ проявляемые этими материалами при нагружении и разгрузке в мартенситном или аустенитном фазовых состояниях.
Цель работы
Целью данной работы было экспериментальное исследование реономных свойств никелида титана и процессов деформационного упрочнения образцов из этого материала при их изотермическом монотонном нагружении в мартенситном или начально-аустенитном фазовых состояниях или прямом мартенситном превращении, идентификация на основании этих экспериментальных данных модели нелинейного деформирования СПФ при фазовых и структурных превращениях, решение в рамках идентифицированной таким образом модели задач изгиба и кручения для элементов из СПФ.
Методы исследования
Экспериментальные исследования деформационного упрочнения и реономных свойств СПФ в условиях мартенситной неупругости или сверхупругости производились при жестком нагружении (испытательная машина UTX) или ступенчатом мягком нагружении (специальная установка). Опыты по прямому превращению производились при мягком нагружении. Для идентификации модели нелинейного деформирования использовался метод наименьших квадратов, функция распределения Вейбулла. Решения задач об изгибе или кручении получены аналитическими методами в квадратурах.
Научная новизна.
-
Впервые исследованы реономные свойства СПФ, проявляемые этими материалами в процессах медленного изотермического мягкого ступенчатого нагружения и разгрузки.
-
Обнаружено явление перекрестного упрочнения, состоящее в том, что деформационное упрочнение СПФ можно получить путем прямого мартенситного превращения под действием механических напряжений.
-
Впервые для аппроксимации экспериментальных данных по прямому превращению и мартенситной неупругости использована функция распределения Вейбулла.
-
Впервые получены аналитические выражения для предельных значений изгибающих и крутящих моментов в элементах из СПФ, превышение которых ведет к существенному ухудшению функциональных свойств этих материалов.
-
Впервые в рамках модели нелинейного деформирования СПФ решены задачи о прямом мартенситном превращении под действием изгибающих или крутящих моментов, а также задача о деформировании конической витой пружины смещения из СПФ.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Положение о наличие у СПФ реономных свойств, состоящих в том, что при мягком ступенчатом нагружении образцов из этих материалов с выдержками на каждой ступени наблюдается затухающий рост деформаций при постоянном напряжении, а при ступенчатой разгрузке в режиме сверхупругости - уменьшение деформаций со временем при постоянном напряжении.
-
Положение о том, что деформационное упрочнение образца из СПФ может быть получено путем прямого мартенситного превращения под действием механических напряжений.
-
Формула, связывающая кривизну с изгибающим моментом для балки из СПФ в активным процессах прямого превращения и (или) структурного перехода, следуя которой при постоянном значении изгибающего момента кривизна пропорциональна объемной доле мартенситной фазы.
-
Аналогичная формула, связывающая крутку и крутящий момент для стержня круглого поперечного сечения из СПФ.
-
Формулы для предельных значений изгибающих или крутящих моментов в балке или стержне круглого поперечного сечения из СПФ.
Теоретическая и практическая ценность
Основными достижениями работы в фундаментальном плане являются: положения о наличие у СПФ реономных свойств и о возможности деформационного упрочнения СПФ за счет прямого превращения, а также формулы для предельных значений изгибающих и крутящих моментов у балок и
стержней из СПФ. Прикладное значение работы состоит в том, что в ее рамках экспериментальным путем найдены значения постоянных для имеющего наиболее широкое практическое использование СПФ – никелида титана. Изгибаемые балки и витые пружины смещения из СПФ часто используются в качестве рабочих тел силовозбудителей, актуаторов, мартенситных двигателей и т.д. Поэтому полученные в работе аналитические решения для этих элементов важны с практической точки зрения.
Достоверность и обоснованность полученных результатов
Достоверность выводов работы подтверждена проведенными экспериментами. Достоверность полученных решений определяется их аналитическим характером.
Апробация работы
Результаты, полученные в работе, доложены на следующих научных конференциях:
-
На XLVII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» 1-5 июля 2008 года. Нижний Новгород.
-
На XLVIII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» памяти М.А. Криштала. Тольятти. 15-18 сентября 2009 г.
-
На II международной конференции «Проблемы нелинейной механики деформируемого твёрдого тела». Казань, 8–11 декабря 2009 г.
-
На XVII Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов». Самара, 23 – 25 июня 2009 г.
-
На Всероссийской конференции «Проблемы нелинейной механики деформируемого твердого тела» Пермь, 13-15 октября 2008 г.
-
На 49 Международной конференции «Актуальные проблемы прочности». Киев. 14-18 июня 2010 г.
-
На V международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующие явления». Тамбов, 21-27 июня 2010 г.
Публикации
По теме работы опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем диссертации
