Моделирование знакопеременного деформирования образца сплава TiNi в изотермическом и адиабатическом режимах

  • Лапина Татьяна Андреевна Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург (Россия) https://orcid.org/0000-0001-5178-2864
  • Беляев Фёдор Степанович Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург (Россия) https://orcid.org/0000-0003-0792-9931
  • Евард Маргарита Евгеньевна Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург (Россия) https://orcid.org/0000-0003-0550-688X
Ключевые слова: сплавы с памятью формы, микроструктурное моделирование, необратимая деформация, тепловыделение, циклическая деформация, никелид титана

Аннотация

Сплавы с памятью формы благодаря своим уникальным свойствам находят применение во многих инженерных приложениях. Поскольку в аустенитном состоянии за счет реализации эффекта псевдоупругости такие сплавы обладают значительной демпфирующей способностью, одним из возможных применений являются устройства виброзащиты. Рабочие элементы из сплавов с памятью формы в таких устройствах используются в условиях циклически изменяющихся напряжений и/или температуры. Теоретические модели, адекватно описывающие такое поведение, позволяют существенно повысить эффективность демпфирующих устройств. Целью работы является микроструктурное моделирование знакопеременного деформирования образца сплава с памятью формы TiNi. Фазовые превращения в материалах с мартенситным каналом неупругости происходят с выделением и поглощением тепла, что может приводить к смещению рабочих температур элемента и изменению его функциональных характеристик, поэтому при теоретическом описании механического поведения материала учитывалось тепловыделение при прямом и теплопоглощение при обратном превращениях. В рамках данной работы такой учет реализован для адиабатического режима знакопеременного деформирования. Выполнено сопоставление полученных данных с результатами моделирования изотермического знакопеременного деформирования. При расчетах учитывали накопление необратимой деформации при циклировании, которая в реальном устройстве может привести к изменению его рабочих характеристик и снижению эксплуатационного ресурса.  Показано, что учет скрытой теплоты превращения при циклировании в режиме заданных деформаций увеличивает максимальные напряжения в цикле и уменьшает объемную долю образовавшегося мартенсита. При учете микропластической деформации происходит эволюция деформационной петли. При этом в адиабатическом режиме в первых циклах происходит рост температуры, в дальнейшем примерно к седьмому циклу он замедляется, и средняя температура перестает заметно меняться.

Биографии авторов

Лапина Татьяна Андреевна, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург (Россия)

магистрант

Беляев Фёдор Степанович, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург (Россия)

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник

Евард Маргарита Евгеньевна, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург (Россия)

кандидат физико-математических наук, доцент

Литература

Menna C., Auricchio F., Asprone D. Applications of shape memory alloys in structural engineering // Shape Memory alloys Engineering: For Aerospace, Structural and Biomedical Applications. Amsterdam: Elsevier, 2015. P. 369–403.

Dolce M., Cardone D. Mechanical behavior of shape memory alloys for seismic applications 2. Austenite NiTi wires subjected to tension // International Journal of Mechanical Science. 2001. Vol. 43. № 11. P. 2657–2677.

Torra V., Auguet C., Isalgue A., Carreras G., Terriault P., Lovey F.C. Built in dampers for stayed cables in bridges via SMA. The SMARTeR-ESF project: A mesoscopic and macroscopic experimental analysis with numerical simulations // Engineering Structures. 2013. Vol. 49. P. 43–57.

Helbert G., Saint-Sulpice L., Arbab Chirani S., Dieng L., Lecompte T., Calloch S., Pilvin P. A uniaxial constitutive model for superelastic NiTi SMA including R-phase and martensite transformations and thermal effects // Smart Materials and Structures. 2017. Vol. 26. № 12. Art. 025007.

Auricchio F., Petrini L. A three-dimensional model describing stress-temperature induced solid phase transformations. Part I: solution algorithm and boundary value problems // International Journal for Numerical Methods in Engineering. 2004. Vol. 61. № 6. P. 807–836.

Machado L.G., Lagoudas D.C. Constitutive Modeling of SMAs // Shape Memory Alloys: Modeling and Engineering Applications. Springer, 2008. P. 131–145.

Xiao Y., Zeng P., Lei. L. Micromechanical modelling on thermomechanical coupling of superelastic NiTi alloy // International Journal of Mechanical Sciences. 2019. Vol. 153–154. P. 36–47.

Yu C., Kang G., Xie X., Rao W. A micromechanical model for the grain size dependent super-elasticity degeneration of NiTi shape memory alloys // Mechanics of Materials. 2018. Vol. 125. P. 35–51.

Волков А.Е. Микроструктурное моделирование деформации сплавов при повторяющихся мартенситных превращениях // Известия РАН. Серия физическая. 2002. Т. 66. № 9. С. 1290–1297.

Casciati S. SMA-based devices: insight across recent proposals toward civil engineering application // Smart structures and systems. 2019. Vol. 24. P. 111–125.

Engineering aspects of shape memory alloys / eds. T.W. Duerig, K.N. Melton, D. Stöckel, C.M. Wayman. London: Buttherworth-Heinemann Ltd, 1990. 491 p.

Nespoli A., Bassani E., Della Torre D., Donnini R., Villa E., Passaretti F. An experimental study on pseudoelasticity of a NiTi-based damper for civil applications // Smart Materials and Structures. 2017. Vol. 26. Art. 105041.

Schmidt M., Ullrich J., Wieczorek A., Frenze J., Eggeler G., Schütze A., Seelecke S. Experimental Methods for Investigation of Shape Memory Based Elastocaloric Cooling Processes and Model Validation // Journal of Visualized Experiments. 2016. Vol. 2016. № 111. Art. 53626.

Ossmer H., Chluba C., Krevet B., Quandt E., Rohde M., Kohl M. Elastocaloric cooling using shape memory alloy films // Journal of Physics. 2013. Vol. 476. № 1. Art. 012138.

Беляев Ф.С., Волков А.Е., Евард М.Е. Моделирование необратимой деформации и разрушения никелида титана при термоциклировании // Деформация и разрушение материалов. 2017. № 5. C. 12–17.

Volkov A.E., Belyaev F.S., Evard M.E., Volkova N.A. Model of the evolution of deformation defects and irreversible strain at thermal cycling of stressed TiNi alloy specimen // MATEC Web of Conferences. 2015. Vol. 33. Art. 03013.

Patoor E., Amrani M.El, Eberhardt A., Berveiller M. Determination of the origin for the dissymmetry observed between tensile and compression tests on shape memory alloys // Journal de Physique. 1995. Vol. 4. № 5. P. 495–500.

Gall K., Sehitoglu H., Chumlyakov Y.I., Kireeva I.V. Tension-compression asymmetry of the stress-strain response in aged single crystal andpolycrystalline NiTi // Acta Metallurgica. 1999. Vol. 47. № 4. P. 1203–1217.

Calloch S., Taillard K., Arbab Chirani S., Lexcellent C., Patoor E. Relation between the martensite volume fraction and the equivalent transformation strain in shape memory alloys // Materials Science and Engineering A. 2006. Vol. 438-440. № Spec. Iss. P. 441–444.

Volkov A.E., Emelyanova E.V., Evard M.E., Volkova N.A. An explanation of phase deformation tension-compression asymmetry of TiNi by means of microstructural modeling // Journal of Alloys and Compounds. 2013. Vol. 577. № Suppl. 1. P. S127–S130.

Опубликован
2020-03-28
Выпуск
Раздел
Технические науки