VISCOPLASTIC DEFORMATION OF GRANULAR NICKEL ALLOY AT HIGH TEMPERATURES

Abstract


The viscoplastic deformation of a granular nickel alloy during isothermal rolling under high temperature conditions is considered. The stress state of the alloy during rolling is inhomogeneous and multiaxial during repeated deformation with a variable deformation rate. The diagrams of the viscoplastic deformation of the alloy at high temperatures and various deformation rates have a falling (softening) section up to destruction, which is due to a short-term creep during powerful softening. Mathematical modeling of the viscoplastic behavior of the alloy under such conditions is proposed to be carried out on the basis of a variant of the theory of thermoviscoplasticity based on the theory of flow under combined hardening. A variant of the theory of thermoviscoplasticity is generalized to non-isothermal loading and to dependence of the violation process on the deformation rate. The main provisions and equations of the variant of the theory of thermoviscoplasticity are presented. The material parameters that close the version of the theory, the basic experiment and the method of obtaining material parameters are determined. The material parameters of the granular nickel alloy at high temperatures and various deformation rates are obtained. The results of experiments on uniaxial stretching of cylindrical samples made of granular nickel alloy at high temperatures and different deformation rates are presented. Tests with unloading and subsequent loading are also considered. Mathematical modeling of tests of a granular nickel alloy is carried out on the basis of a numerical solution of the Cauchy problem by the Runge-Kutta method of the 4th order of accuracy of the system of equations for a uniaxial stress state under rigid loading obtained on the basis of general equations of a variant of the theory of thermoviscoplasticity. The obtained calculated diagrams of viscoplastic deformation are compared with experimental ones. There is a reliable correspondence between the calculated and experimental results, which indicates the adequacy of the developed version of the theory of thermoviscoplasticity and the method of identification of material parameters.

Full Text

Авиационное двигателестроение является крупным потребителем сложнолегированных, в том числе порошковых (гранульных), сталей и жаропрочных сплавов на никелевой и титановой основе, которые трудно поддаются обработке давлением. Поэтому, для формообразования из них заготовок дисков газотурбинных двигателей (ГТД) 5-го и 6-го поколения требуется разработка новых технологических процессов. Перспективными в этом отношении являются ротационные методы, которые существенно снижают силы деформации, позволяют получать детали сложной пространственной формы и существенно повышают коэффициент использования металла [1; 2]. В процессе изотермической раскатки в условиях высокой температуры материал подвергается вязкопластическому деформированию. При этом процесс деформирования материала в зависимости от вращения диска и движения ролика может повторяться. Напряженное состояние материала в процессе раскатки является неоднородным и многоосным. К тому же диаграмма вязкопластического деформирования материала при растяжении с различными скоростями деформирования после начального упрочнения имеют падающий участок разупрочнения вплоть до разрушения. Такое поведение материала обусловлено тем, что при высоких температурах наблюдается кратковременная ползучесть, происходящая в условиях мощного разупрочнения. Экспериментальному исследованию и математическому моделированию процессов термовязкопластического деформирования конструкционных сталей и сплавов посвящено большое количество работ [3–33]. Наиболее развитыми и перспективными направлениями математического моделирования термовязкопластического деформирования являются варианты теории термовязкопластичности, базирующиеся на теории течения при комбинированном упрочнении [8–17; 21–29]. В работе рассматривается вариант теории термовязкопластичности, основанный на теории неупругости [9]. Вариант теории термовязкопластичности обобщен на неизотермическое нагружение и на зависимость процесса нагружения от скорости деформирования. Определены материальные параметры варианта теории термовязкопластичности, базовый эксперимент и метод определения материальных параметров. Для гранулированного никелевого сплава получены материальные параметры для высоких температур. Проводится экспериментально-теоретическое исследование вязкопластического поведения гранулированного никелевого сплава при одноосном растяжении в условиях высоких температур в широком диапазоне скоростей деформирования. Результаты расчетов сравниваются с данными экспериментов.

About the authors

D. R. Abashev

Moscow Polytechnic University

V. S. Bondar

Moscow Polytechnic University

P. O. Dikovitsky

Moscow Polytechnic University

S. V. Morozov

Moscow Polytechnic University

O. E. Larionova

Moscow Polytechnic University

References

  1. Бурлаков, И.А. Расчет технологических параметров изотермической раскатки дисков газотурбинных двигателей / И.А. Бурлаков, С.В. Морозов, И.А. Боровских // Заготовительные производства в машиностроении. – М., 2010. – № 2. – С. 28–34.
  2. Поперечно-клиновая прокатка в машиностроении / А.И. Целиков, И.Л. Казанская, А.С. Сафронов [и др.]. – М.: Машиностроение, 1982. – 192 с.
  3. Ильюшин, А.А. Механика сплошной среды / А.А. Ильюшин. – М.: Изд-во МГУ, 1990. – 310 с.
  4. Новожилов, В.В. Микронапряжения в конструкционных материалах / В.В. Новожилов, Ю.И. Кадашевич. − Л.: Машиностроение, 1990. − 224 с.
  5. Работнов, Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций / Ю.Н. Работнов. – М.: Физматгиз, 1966. – 752 с.
  6. Термопрочность деталей машин: cправочник / под ред. И.А. Биргера, Б.Ф. Шорра. − М.: Машиностроение, 1975. − 455 с.
  7. Качанов, Л.М. Теория ползучести / Л.М. Качанов. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 1960. – 455 с.
  8. Малинин, Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести / Н.Н. Малинин. – М.: Машиностроение, 1975. – 400 с.
  9. Bondar, V.S. Inelasticity. Variants of the theory / V.S. Bondar. − New York: Begell House, 2013. − 194 p.
  10. Ресурс материалов и конструкций / В.С. Бондарь, И.Г. Горячева, Ю.Г. Матвиенко [и др.]; под общей ред. В.С. Бондаря. – М.: Издательство Московского политеха, 2019. – 192 с.
  11. Волков, И.А. Уравнения состояния вязкоупругопластических сред с повреждениями / И.А. Волков, Ю.Г. Коротких. − М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. − 424 с.
  12. Прикладная теория вязкопластичности: монография / И.А. Волков [и др.]. – Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2015. – 318 с.
  13. Капустин, С.А. Моделирование нелинейного деформирования и разрушения конструкций в условиях многофакторных воздействий на основе МКЭ / С.А. Капустин, Ю.А. Чурилов, В.А. Горохов. – Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2015. – 347 с.
  14. Нелинейная механика материалов / Ж. Бессон [и др]. – СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2010. – 397 с.
  15. Бондарь, В.С. Вариант теории термовязкопластичности / В.С. Бондарь, В.В. Даншин, А.А. Кондратенко // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2016. – № 1. – С. 39–56. doi: 10.15593/perm.mech/2016.1.0
  16. Бондарь, В.С. Прикладная теория неупругости / В.С. Бондарь, Д.Р. Абашев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2018. – № 4. – С. 147–162. doi: 10.15593/perm.mech/2018.4.14
  17. Бондарь, В.С. Неупругое поведение и разрушение материалов при изотермических и неизотермических, простых и сложных нагружениях / В.С. Бондарь, Д.Р. Абашев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 4. – С. 107– 119. DOI: 10.15593/ perm.mech/2020.4.10
  18. Темис, Ю.М. Моделирование пластичности и ползучести конструкционных материалов ГТД / Ю.М. Темис // Материалы 49-й Международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных научных кадров». Школа-семинар «Современные модели термовязкопластичности». – М.: МАМИ, 2005. – Ч. 2. – С. 25–76.
  19. Armstrong, P.J. A mathematical representation of the multiaxial Bauscinger effect / P.J. Armstrong, C.O. Frederick // CEGB Report No. RD/B/N/ 731. − 1966.
  20. Кадашевич, Ю.И. О различных тензорно-линейных соотношениях в теории пластичности / Ю.И. Кадашевич // Исследования по упругости и пластичности. − Л.: Изд-во ЛГУ, 1967. − Вып. 6. − С. 39−45.
  21. Miller, A.K. A unified approach to predicting interactions among creep, cyclic plasticity, and recovery / A.K. Miller // Nuclear Engineering and Design. – 1978. – Vol. 51. – Р. 35–43.
  22. Miller, K.J. Multiaxial fatigue: a brief review / K.J. Miller, M.W. Brown // Adv. Fract. Res. Proc. 6ts Int. Conf. New Delhi 4-10 Dec. – 1984. – Vol. I. – Р. 31–56.
  23. Miller, A.K. NONSS: A new method for integrating unified constitutive equations ander complex histories / A.K. Miller, T.G. Tanaka // Trans. ASME: Journal of Engineering Materials and Technology – 1988. – Vol. 110, no. 3. – Р. 205–211.
  24. Hart, E.W. Constitutive relations for the nonelastic deformation of metals / E.W. Hart // ASME. J. Eng. Mater. Technol. – 1976. – Vol. 98, no. 3. – P. 193–202. doi: 10.1115/1.3443368
  25. Chaboche, J.L. Constitutive equation for cyclic plasticity and cyclic viscoplasticity / J.L. Chaboche // Inter. J. of Plasticity. – 1989. – Vol. 5, no. 3. – Р. 247–302.
  26. Chaboche, J.L. Thermodynamically based viscoplastic constitutive equations: theory versus experiment / J.L. Chaboche // ASME Winter Annual Meeting, Atlanta, GA (USA), 1991. – Р. 1–20.
  27. Chaboche, J.L. Cyclic viscoplastic constitutive equations, parts I and II / J.L. Chaboche // ASME J. of Applied Mechanics 60. – 1993. – Р. 813–828.
  28. Chaboche, J.L. On the plastic and viscoplastic constitutive equations / J.L. Chaboche, G. Rousselier // ASME J. of Pres. Vessel Techn. – 1983. – Vol. 105. – Р. 153–164.
  29. Chaboche, J.-L. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories / J.-L. Chaboche // Int. J. of Plasticity. − 2008. – Vol. 24. − Р. 1642–1692.
  30. Nahrmann, M. A critical review and assessment of different thermoviscoplastic material models for simultaneous hot/cold forging analysis / M. Nahrmann, A. Matzenmiller // international journal of material forming. – 2021. – Vol. 14. – P. 641– 662. DOI: https://doi.org/10.1007/s12289-020-01553-0
  31. Brocker, C. On the generalization of uniaxial thermoviscoplasticity with damage to finite deformations based on enhanced rheological models / C.Brocker, A. Matzenmiller // Technische Mechanik. – 2014. – Vol. 34. – P. 142–165. doi: 10.24352/UB.OVGU-2017-059
  32. Brocker, C. Thermoviscoplasticity deduced from enhanced rheological models / C. Brocker, A. Matzenmiller // Proc. Appl. Math. Mech. – 2012. – Vol. 12. – P. 327–328. doi: 10.1002/pamm.201210152
  33. Oppermann, P. A thermo-viscoplasticitymodel formetals over wide temperature rangesapplication to case hardening steel / P. Oppermann, R. Denzer, A. Menzel // Computational Mechanics. – 2022. – Vol. 69. – P. 541–563. DOI: https://doi.org/10.1007/s00466-021-02103-4

Statistics

Views

Abstract - 101

PDF (Russian) - 95

Cited-By


PlumX


Copyright (c) 2024 Abashev D.R., Bondar V.S., Dikovitsky P.O., Morozov S.V., Larionova O.E.

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