Experimental and theoretical investigations of visco-plastic deformation in structural steels considering mutual influence of plasticity and creep effects

Abstract


This paper considers the developed mathematical model of inelastic deformation in structural steels, describing thermoviscoplastic deformation taking into account mutual influence of plasticity and creep effects. An integration algorithm for constitutive relations of thermoviscoplasticity has been developed. It consists in the formulation of constitutive relations in increments, depending on the selected time step. In difficult areas of deformation paths, time step can be adjusted throughout the whole estimation time in case of stability calculations. Stresses, plastic deformations and creep deformations are determined by integrating the defining relations of thermal creep by Runge-Kutta method with the correction of stress deviator and subsequent determination of stress according to thermal plasticity equations with regard to the average creep strain at the next sampling time. Experimental studies of influence between creep processes and plasticity under high temperature using 12H18N9 steel have been conducted. By numerical computer simulation of stress-strain state (SSS) kinetics in laboratory samples and by comparing the obtained results with field experiments, the authors carried out certification of the developed thermoviscoplastic model and integration algorithm of constitutive relations. All of these led to the conclusion about the reliability of model concepts and methods for determining material parameters under joint actions of fatigue and creep mechanisms. The authors have compared computer and physical tensile experiments of laboratory 12H18N9 steel samples with different histories of changes in temperature and mechanical deformation. It is shown that the developed thermoviscoplastic model qualitatively and quantitatively describes main effects of inelastic deformation in structural steels with different histories of mechanical deformation and changes in temperature. It is concluded that the defining relations of thermoviscoplasticity are reliable, and the above methods of integration are accurate.

About the authors

I A Volkov

Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod, Russian Federation

Email: pmptmvgavt@yandex.ru
5a, Nesterova str., 603950, Nizhny Novgorod, Russian Federation Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Head of the Department of Applied mathematics and lifting transport machines, Volga State Academy of Water Transport

A I Volkov

Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod, Russian Federation

Email: pmptmvgavt@yandex.ru
5a, Nesterova str., 603950, Nizhny Novgorod, Russian Federation Master Degree Student of the Department of Applied mathematics and lifting transport machines, Volga State Academy of Water Transport

D A Kazakov

Research Institute of Mechanics, Lobachevsky State University, Nizhny Novgorod, Russian Federation

Email: pmptmvgavt@yandex.ru
23, Gagarin av., Building 6, 603022, Nizhny Novgorod, Russian Federation Doctor of Technical Sciences, Senior Research Fellow, Head of the Laboratory at Research Institute of Mechanics, Lobachevsky State University of Nizhny Novgorod

Yu G Korotkikh

Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod, Russian Federation

Email: pmptmvgavt@yandex.ru
5a, Nesterova str., 603950, Nizhny Novgorod, Russian Federation Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Honored Russian Scientist, Department of Applied mathematics and lifting transport machines, Volga State Academy of Water Transport

I S Tarasov

Volga State Academy of Water Transport, Nizhny Novgorod, Russian Federation

Email: pmptmvgavt@yandex.ru
5a, Nesterova str., 603950, Nizhny Novgorod, Russian Federation Associate Professor, Head of Laboratory of the Department of Applied mathematics and lifting transport machines, Volga State Academy of Water Transport

References

  1. Митенков Ф.М., Кайдалов В.Б., Коротких Ю.Г. Методы обоснования ресурса ядерных энергетических установок. - М.: Машиностроение, 2007. - 448 с.
  2. Волков И.А., Коротких Ю.Г. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями. - М.: Физматлит, 2008. - 424 с.
  3. Коллинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. - М.: Мир, 1984. - 624 с.
  4. Гомюк, Бью Куок Т. Расчет долговечности коррозионностойкой стали 304 в условиях взаимодействия усталости и ползучести с использованием теории непрерывного повреждения // Труды Амер. о-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1986. - Т. 108, № 3. - С. 111-136.
  5. Гомюк, Бью Куок Т., Бирон А. Изучение поведения стали 316 при нагружениях по схемам усталости, ползучести и совместного действия усталости и ползучести // Современное машиноведение. - 1991. - № 1. - С. 14-23.
  6. Казанцев А.Г. Исследование взаимодействия малоцикловой усталости и ползучести при неизотермическом нагружении // Проблемы прочности. - 1985. - № 5. - С. 25-31.
  7. Ле Мэй. Развитие параметрических методов обработки результатов испытаний на ползучесть и длительную прочность // Труды Амер. о-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1979. - Т. 101, № 4. -С. 19-24.
  8. Мэнсон, Энсайн. Успехи за последнюю четверть века в развитии методов корреляции и экстраполяции результатов испытаний на длительную прочность // Труды Амер. о-ва инж.-мех. Сер. Д. Теорет. основы инж. расчетов. - 1979. - Т. 101, № 4. - С. 9-18.
  9. Numerical modeling of elastoplastic deformation and damage accumulation in metals under low-cycle fatigue conditions / I.A. Volkov, Yu.G. Korotkikh, I.S. Tarasov and D.N. Shishulin // J. Strength of Materials. - 2011. - Vol. 43. - No. 4. - P. 471-485.
  10. Модель поврежденной среды для оценки ресурсных характеристик конструкционных сталей при механизмах исчерпания, сочетающих усталость и ползучесть материала / И.А. Волков, А.И. Волков, Ю.Г. Коротких, И.С. Тарасов // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2013. - Т. 6, № 2. - С. 232-245.
  11. Волков И.А., Казаков Д.А., Коротких Ю.Г., Экспериментально-теоретические методики определения параметров уравнений механики поврежденной среды при усталости и ползучести // Вестник Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. Механика. - 2012. − № 2. − С. 50−78.
  12. Казаков Д.А. Экспериментально-теоретическое исследование вязкопластического деформирования сталей в области повышенных температур и скоростей деформаций до 10-2 с-1 // Прикладные проблемы прочности и пластичности. Алгоритмизация и автоматизация решения задач упругости и пластичности: Всесоюз. межвуз. сб. Горьковского ун-та. - Горький, 1985. - С. 89-97.
  13. Ползучесть цинка при теплосменах / В.А. Лихачев, Г.А. Малыгин [и др.] // Физика металлов и металловедение. - 1963. - Т. 16. - Вып. 6.
  14. Теория ползучести и длительной прочности металлов / И.А. Одинг, В.С. Иванова, В.В. Бурдукский, В.Н. Геминов. - М.: Металлургия, 1959. - 488 с.
  15. Можаровская Т.Н. Программа и методика исследования ползучести и длительной прочности материалов с учетом вида девиатора напряжений и истории нагружения // Проблемы прочности. - 1984. - № 11. - С. 83-88.
  16. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. - М.: Наука, 1966. - 752 с.
  17. Chaboche J.L. Constitutive equation for cyclic plasticity and cyclic viscoplasticity // Inter. J. of Plasticity. - 1989. - Vol. 5. - No. 3. - P. 247-302.
  18. Benallal A., Marquis D. Constitutive Equations for Nonproportional Cyclic Elasto-Viscoplasticity // Journal of Engineering Materials and Technology. - 1987. - Vol. 109. - P. 326-337.
  19. Lemaitre J. Damage modelling for prediction of plastic or creep fatigue failure in structures // Trans. 5th Int. Conf. SMRiT, North Holland, 1979. No. L5/1b.
  20. Murakami S., Imaizumi T. Mechanical description of creep damage and its experimental verification // J. Mec. Theor. Appl. - 1982. - No. 1. - P. 743-761.

Statistics

Views

Abstract - 38

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2014 Volkov I.A., Volkov A.I., Kazakov D.A., Korotkikh Y.G., Tarasov I.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies