Kinetic equations of creep and damage for description of materials with non-monotonic dependence of fracture strain on stress

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Reducing the level of damage accumulation during pressure treatment of materials at elevated temperatures in creep and close to superplasticity modes in the manufacture of parts can significantly increase its service life in the cold state. Finding temperature and power conditions leading to a reduction in damage of material during the production process and operation is an important task. The purposes of the work: 1) to show the possibility of using the Sosnin-Gorev creep and damage model for alloys with a non-monotonic dependence of strain at fracture on diagrams with creep curves; 2) to carry out comparative analysis of damage accumulation under conditions of uniaxial tension at constant stress and at constant strain rates for alloy with such a dependence. Research methods. Used scalar damage parameter is equated to the normalized deformation, i.e. to the ratio of the current strain to the fracture strain. To find the coefficients of relations creep and damage, the similarity of the creep curves in the normalized values “normalized strain – normalized time”, i.e. the presence of single normalized curve of damage accumulation is checked. The least squares method is used to approximate the experimental data. Numerical integration methods are used for comparative analysis of deformation modes. Results and discussion. Determination of the parameters of the creep and damage equations by the method of a single normalized curve is carried out on the example of experimental data for steel 12Kh18N10T  (12Cr18Ni10Ti) at 850 °C, which has a minimum of fracture strain in diagrams with creep curves. Analysis of the static and kinematic modes of deformation for studied material showed that damage accumulation in both cases is practically the same for stresses close to the stress at which this minimum is reached. If the stresses are lower, then the lower level of damage accumulation will be in the kinematic mode; if the stresses above the minimum value, then the static mode will lead to a lower level of damage accumulation. Application. The obtained results can be useful when choosing rational modes of forming structural elements from alloys with a non-monotonic dependence of the fracture strain on stress, as well as in evaluating it for long-term strength during operation.

About the authors

I. A. Banshchikova

Email: binna@ngs.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the RAS, 15 Ac. Lavrentieva ave., Novosibirsk, 630090, Russian Federation, binna@ngs.ru

References

  1. Волегов П.С., Грибов Д.С., Трусов П.В. Поврежденность и разрушение: классические континуальные теории // Физическая мезомеханика. – 2015. – Т. 18, № 4. – С. 68–87.
  2. Локощенко А.М. Ползучесть и длительная прочность металлов. – М.: Физматлит, 2016. – 504 с. – ISBN 978-5-9221-1645-9.
  3. Meng Q., Wang Z. Creep damage models and their applications for crack growth analysis in pipes: a review // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – Vol. 205. – P. 547–576. – doi: 10.1016/j.engfracmech.2015.09.055.
  4. Skrzypek J.J., Ganczarski A.W. Modeling of material damage and failure of structures: theory and applications. – Berlin: Springer, 1999. – 326 p. – ISBN 3-540-63725-7.
  5. Качанов Л.М. Время разрушения в условиях ползучести // Проблемы механики сплошной среды. – М.: АН СССР, 1961. – С. 186–201.
  6. Работнов Ю.Н. О механизме длительного разрушения // Вопросы прочности материалов и конструкций. – М: Изд-во АН СССР, 1959. – С. 5–7.
  7. Kowalewski Z.L., Hayhurst D.R., Dyson B.F. Mechanisms-based creep constitutive equations for an aluminium alloy // Journal of Strain Analysis for Engineering Design. – 1994. – Vol. 29, N 4. – P. 309–316. – doi: 10.1243/03093247V294309.
  8. Othman A.M., Hayhurst D.R., Dyson B.F. Skeletal point stresses in circumferentially notched tension bars undergoing tertiary creep modelled with physically based constitutive equations // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. – 1993. – Vol. 441, N 1912. – P. 343–358. – URL: https://www.jstor.org/stable/52272 (accessed: 15.08.2021).
  9. Naumenko K, Kostenko Y. Structural analysis of a power plant component using a stress-range-dependent creep-damage constitutive model // Materials Science and Engineering: A. – 2009. – Vol. 510–511. – P. 169–174. – doi: 10.1016/j.msea.2008.04.096.
  10. An anisotropic tertiary creep damage constitutive model for anisotropic materials / C.M. Stewart, A.P. Gordon, Y.W. Ma, R.W. Neu // International Journal of Pressure Vessels and Piping. – 2011. – Vol. 88. – P. 356–364. – doi: 10.1016/j.ijpvp.2011.06.010.
  11. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. – М.: Наука, 1966. – 752 с.
  12. Соснин О.В., Горев Б.В., Никитенко А.Ф. Энергетический вариант теории ползучести. – Новосибирск: Ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, 1986. – 96 с.
  13. Горев Б.В., Клопотов И.Д. К описанию процесса ползучести и длительной прочности по уравнениям с одним скалярным параметром повреждаемости // Прикладная механика и техническая физика. – 1994. – Т. 35, № 5. – С. 92–102.
  14. Бормотин К.С., Олейников А.И. Вариационные принципы и оптимальные решения обратных задач изгиба пластин при ползучести // Прикладная механика и техническая физика. – 2012. – Т. 53, № 5 (315). – С. 136–146.
  15. Бормотин К.С., Вин А. Метод динамического программирования в задачах оптимального деформирования панели в режиме ползучести // Вычислительные методы и программирование. – 2018. – Т. 19, № 4. – С. 470–478. – doi: 10.26089/NumMet.v19r442.
  16. Цвелодуб И.Ю. Постулат устойчивости и его приложения в теории ползучести металлических материалов. – Новосибирск: Ин-т гидродинамики им. М.А. Лаврентьева, 1991. – 202 c.
  17. Банщикова И.А. Выбор режимов формования и оценка эксплуатационного ресурса с использованием кинетических уравнений со скалярным параметром поврежденности // Прикладная механика и техническая физика. – 2019. – Т. 60, № 6. – C. 139–148.
  18. Описание процесса ползучести и разрушения современных конструкционных материалов с использованием кинетических уравнений в энергетической форме / Б.В. Горев, И.В. Любашевская, В.А. Панамарев, С.В. Иявойнен // Прикладная механика и техническая физика. – 2014. – Т. 55, № 6. – С. 132–144.
  19. Локощенко А.М. Длительная прочность металлов при сложном напряженном состоянии (обзор) // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. – 2012. – № 3. – С. 116–136.
  20. Multiaxial creep damage and lifetime evaluation under biaxial and triaxial stresses for type 304 stainless steel // Engineering Fracture Mechanics. – 2017. – Vol. 174. – P. 30–43. – doi: 10.1016/j.engfracmech.2017.01.001.
  21. Goyal S., Laha K. Creep life prediction of 9Cr–1Mo steel under multiaxial state of stress // Materials Science and Engineering: A. – 2014. – Vol. 615. – P. 348–360. – doi: 10.1016/j.msea.2014.07.096.
  22. Горев Б.В., Клопотов И.Д., Захарова Т.Э. К описанию процесса ползучести и разрушения материалов с немонотонным изменением деформационно-прочностных свойств // Физическая мезомеханика. – 2002. – Т. 5, № 2. – С. 17–22.
  23. Соснин О.В., Никитенко А.Ф., Горев Б.В. К обоснованию энергетического варианта теории ползучести и длительной прочности металлов // Прикладная механика и техническая физика. – 2010. – Т. 51, № 4. – С. 188–197.
  24. Gorev В.V., Klopotov I.D., Lyubashevskaya I.V. Creep and damage behavior of AK41T and VT9 alloy under different stress states // Theoretical and Applied Fracture Mechanic. – 1998. – Vol. 29, iss. 1. – P. 1–10. – doi: 10.1016/S0167-8442(98)00010-X.
  25. Горев Б.В., Банщикова И.А. К описанию ниспадающего участка кривой деформирования «напряжение – деформация» по кинетическим уравнениям со скалярным параметром поврежденности // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. – 2008. – № 2 (17). – С. 110–117. – doi: 10.14498/vsgtu621.
  26. Горев Б.В., Банщикова И.А. К описанию процесса ползучести и разрушения упрочняющихся материалов по кинетическим уравнениям со скалярным параметром поврежденности // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Физико-математические науки. – 2009. – № 2 (19). – С. 90–98. – doi: 10.14498/vsgtu732.
  27. Банщикова И.А., Муравьёва А.Е., Цвелодуб И.Ю. Расчет пластин из упрочняющегося материала, разносопротивляющегося растяжению и сжатию при ползучести // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 4 (65). – C. 68–77.
  28. Локощенко А.М., Шестериков С.А. Модель длительной прочности с немонотонной зависимостью деформации при разрушении от напряжения // Прикладная механика и техническая физика. – 1982. – Т. 23, № 1. – С. 160–163.
  29. Banshchikova I.A., Gorev B.V., Legan M.A. Laws of the creep of metallic materials at high temperatures // Journal of Physics. Conference Series. – 2016. – Vol. 754. – P. 082001. – doi: 10.1088/1742-6596/754/8/082001.
  30. Веклич Н.А., Локощенко А.М., Веклич П.Н. Моделирование ресурса деформационной способности материала // Прикладная механика и техническая физика. – 2007. – Т. 48, № 5. – С. 183–188.
  31. Ковпак В.И. Прогнозирование длительной работоспособности металлических материалов в условиях ползучести / Институт проблем прочности АН УССР. – Препринт. – Киев: ИПП, 1990. – 37 с.
  32. Локощенко А.М. Моделирование процесса ползучести и длительной прочности металлов. – М.: Моск. гос. индустр. ун-т, 2007. – 263 с. – ISBN 978-5-2760-1218-6.
  33. Локощенко А.М., Шестериков С.А. Методика описания ползучести и длительной прочности при чистом растяжении // Прикладная механика и техническая физика. – 1980. – Т. 21, № 3. – C. 155–159.
  34. Banshchikova I.A., Iyavoynen S.V., Larichkin A.Yu. On rational modes of forming an axisymmetric steel shell under creep // Journal of Physics. Conference Series. – 2019. – Vol. 1268. – P. 012009. – doi: 10.1088/1742-6596/1268/1/012009.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


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

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».