Проявление эффекта Баушингера при знакопеременной деформации

Эффект Баушингера – явление снижения сопротивления материала малым пластическим деформациям после предварительной пластической деформации противоположного знака, открытое в 1881 г. Данный эффект имеет большое значение и применяется, в частности, при изучении вопросов усталостной прочности материалов при знакопеременных нагрузках. Эффект Баушингера присущ всем металлам и сплавам, хотя наиболее сильно проявляется на сталях. Поэтому он является одним из факторов, влияющих на качество готовых металлических изделий, подвергающихся знакопеременному нагружению при изготовлении. В данном обзоре проведен анализ литературных источников по проблеме эффекта Баушингера при знакопеременной деформации металлов. Кратко рассмотрены различные механизмы, объясняющие проявление данного эффекта. Подробно изучены факторы, оказывающие качественное и количественное влияние на проявление эффекта Баушингера: степень предварительной деформации; состав, структура и свойства материала; условия деформирования; явление динамического деформационного старения; температура. Отдельно исследована проблема эффекта Баушингера при знакопеременной деформации стальных изделий, в частности при производстве нефтегазовых труб большого диаметра. Рассмотрены различные методы и подходы к оценке и количественному измерению эффекта Баушингера, показана зависимость параметра Баушингера от допуска на остаточную деформацию. Сделан вывод о том, что эффект Баушингера играет как положительную, так и отрицательную роль при производстве металлических изделий, в частности нефтегазовых труб. С одной стороны, эффект Баушингера оказывает отрицательный эффект, снижая уровень механических свойств конечного продукта ниже требуемого. С другой стороны, создает определенный запас пластичности деформируемого материала в процессе формовки и укладки труб.

1. Masing G. Zur Heyn’schen Theorie der Verfestigung der Metalle durch verborgen elastische Spannungen. In: Wissenschaftliche Veröffentlichungen aus dem Siemens-Konzern. Harries C.D. ed. Berlin, Heidelberg: Springer, 1924. Р. 231–239. https://doi.org/10.1007/978-3-642-99663-4_17

2. Bauschinger J. Uber die Veranderung der Elastizitatsgrenze und der Festigkeit des Eisens und Stahls durch Strecken und Quetschen, durch Erwarmen und Abkuhlen und durch oftmals wiederholte Beanspruchung // Mittheilungen aus dem Mechanisch-Techni­schen Laboboratorium der Koniglichen Technischen Hochschule in Munchen. 1886. Vol. 13. P. 1–115.

3. Bauschinger J. Ueber die Veranderung der Elasticitatagrenze und dea Elasticitatamoduls verschiadener Metalle // Zivilingenieur. 1881. Vol. 27. P. 289–348.

4. Skelton R.P. Bauschinger yield in the range 400 – 1025 °C during cyclic deformation of high temperature alloys // Materials at High Temperatures. 2013. Vol. 30. P. 241–260. https://doi.org/10.3184/096034013X13807096276564

5. Нигматуллин В.И. Экспериментальное исследование влияния предварительной пластической деформации на поведение конструкционных сталей при обратном нагружении // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2011. № 60. С. 119–132.

6. Харитонов В.А., Малолеткова Е.О. Влияние эффекта Баушингера на прочностные характеристики высокопрочных труб // Обработка сплошных и слоистых материалов. 2010. № 36. С. 28–33.

7. Линчевский П.А., Новожилов С.В., Кудряков М.Б. Совершенствование технологии обработки металлов резанием и пластическим деформированием с учетом использования эффекта Бау­шингера // Труды Одесского политехнического университета. 2008. № 2. С. 73–76.

8. Xiaoyu H., Chao W., Margolin H., Nourbakhsh S. The Bauschinger effect and the stresses in a strained single crystal // Scripta Metallurgica et Materialia. 1992. Vol. 27. No. 7. P. 865–870. https://doi.org/10.1016/0956-716X(92)90407-6

9. Wood W.A., Dewsnap N. Internal stresses in metals // Nature. 1948. Vol. 161. P. 682–683. https://doi.org/10.1038/161682b0

10. Abel A., Muir H. The Bauschinger effect and discontinuous yielding // Philosophical Magazine. 1972. Vol. 26. P. 489–504.

11. Ровинский Б.М., Синайский В.Л. О природе эффекта Баушингера // Известия АН СССР. Металлургия и топливо. 1959. № 6. С. 137–141.

12. Brown L.M. Orowan’s explanation of the Bauschinger effect // Scripta Metallurgica. 1977. Vol. 11. No. 2. P. 127–131. https://doi.org/10.1016/0036-9748(77)90291-5

13. Orowan E. Causes and effects of internal stresses. In: Internal Stresses and Fatigue in Metals. Proceedings of General Motors Symposium. Rassweiler G.M., Grube W.L. eds. Amsterdam: Elsevier, 1959. Р. 59–80.

14. Грачев С.В., Казяева И.Д., Пумпянский Д.А. Кинетика термической устойчивости эффекта Баушингера в холоднодеформированной стали // Физика металлов и металловедение. 2004. Т. 97. № 2. С. 104–107.

15. Mamun A.A., Moat R.J., Kelleher J., Bouchard P.J. Origin of the Bauschinger effect in a polycrystalline material // Materials Science and Engineering: A. 2017. Vol. 707. P. 576–584. https://doi.org/10.1016/j.msea.2017.09.091

16. Sleeswyk A.W., James M.R., Plantinga D.H., Maathuis W.S.T. Reversible strain in cyclic plastic deformation // Acta Metallurgica. 1978. Vol. 26. No. 8. P. 1265–1271. https://doi.org/10.1016/0001-6160(78)90011-1

17. Mughrabi H. Dislocation wall and cell structures and long-range internal stresses in deformed metal crystals // Acta Metallurgica. 1983. Vol. 31. No. 9. P. 1367–1379. https://doi.org/10.1016/0001-6160(83)90007-X

18. Грачев С.В, Григорьева В.Н. Термическая устойчивость эффекта Баушингера в закаленной и отпущенной стали // Физико-химическая механика материалов. 1968. Т. 4. № 5. С. 544–547.

19. Пыхтунова С.В. К вопросу об эффекте Баушингера // Качество в обработке материалов. 2015. № 1. С. 75–77.

20. Peirs J., Verleysen P., Degrieck J. Study of the dynamic Bauschinger effect in Ti6Al4V by torsion experiments // EPJ Web of Conferen­ces. 2012. Vol. 26. Article 01023. https://doi.org/10.1051/epjconf/20122601023

21. Richards M.D., Van Tyne C.J., Matlock D.K. The influence of dynamic strain aging on resistance to strain reversal as assessed through the Bauschinger effect // Materials Science and Engineering: A. 2011. Vol. 528. No. 27. P. 7926–7932. https://doi.org/10.1016/j.msea.2011.07.015

22. Бобонец И.И., Гиндин И.А., Неклюдов И.М. Влияние программированного упрочнения на эффект Баушингера меди и алюминия // Известия АН СССР. Металлы. 1967. № 6. С. 156–159.

23. Васильев Д.М. О природе эффекта Баушингера. В книге: Некоторые проблемы прочности твердого тела. Москва: Издательство АН СССР, 1959. С. 37–48.

24. Saks G., Shoji H. Zug-Druckversuche an Messingkristallen (Bauschingereffekt) // Zeitschrift für Physik. 1927. Vol. 45. P. 776–796. https://doi.org/10.1007/BF01329555

25. Зубчанинов В.Г., Алексеев А.А., Гультяев В.И. Исследование эффекта Баушингера и границы текучести при упругопластическом деформировании металлов // Вестник Пермского на­ционального исследовательского политехнического университета. Механика. 2013. № 1. С. 94–105.

26. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях. Москва: Издательство МГУ, 1966. 263 с.

27. Квалиметрическая оценка производства автомобильного крепежа: Монография / Д.М. Закиров, Г.Ш. Рубин, И.Ю. Мезин, А.В. Сабадаш, С.П. Васильев, В.В. Чукин, С.С. Скворцова. Магнитогорск: МГТУ, 2007. 158 с.

28. Богатов А.А., Пузырев С.С. Особенности формоизменения и упрочнения металла при обработке давлением со знакопеременной деформацией // Производство проката. 2013. № 3. С. 2–8.

29. Woolley R.L. The Bauschinger effect in some face-centered and body-centered cubic metals // Philosophical Magazine. 1953. Vol. 44. P. 597–618.

30. Ратнер С.И., Данилов Ю.С. Изменение пределов пропорциональности и текучести при повторном нагружении // Заводская лаборатория. 1950. № 4. С. 46–47.

31. Trelewicz J.R., Schuh C.A. The Hall–Petch breakdown in nanocrystalline metals: A crossover to glass-like deformation // Acta Materialia. 2007. Vol. 55. No. 17. P. 5948–5958. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.07.020

32. Черняк Н.И., Гаврилов Д.А. Сопротивление деформированию металлов при повторном статическом нагружении. Киев: Наукова думка, 1971. 136 с.

33. Манин В.П., Пыхтунова С.В. Влияние накопленной деформации на твердость и сопротивление деформации при острении дюбелей способом холодной поперечно-клиновой прокатки // В сборнике: Обработка сплошных и слоистых материалов. Магнитогорск, 2005. С. 71–73.

34. Смирнов М.А., Ахмедьянов А.М., Варнак О.В., Мальцева А.Н. Склонность низкоуглеродистой трубной стали к проявлению эффекта Баушингера // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия «Металлургия». 2015. Т. 15. № 2. С. 26–32.

35. Khadeev G.E. Effect of multistage deformation during the pipe manu­facturing on mechanical properties of steels strength grade X70–X80. In: Proceedings of the 8th Int. Conf. on Modeling and Simulation of Metallurgical Processes in Steelmaking (STEELSIM 2019). August 13–15, 2019, Toronto, Ont., Canada. 2019. Р. 347–357.

36. Kim H.L., Park S.H. Loading direction dependence of yield‑point phenomenon and Bauschinger effect in API X70 steel sheet // Metals and Materials International. 2020. Vol. 26. P. 14–24. https://doi.org/10.1007/s12540-019-00325-z

37. Скрипняк В.А. Моделирование эффекта Баушингера на основе дислокационной кинетики пластической деформации // В сборнике: Всесоюзный семинар по деформационному упрочнению сталей и сплавов. Барнаул: Издательство АГУ, 1981. С. 54.

38. Рычков Б.А. Сложная деформация стали 45 // В сборнике: К проблеме механики реального твердого тела. Фрунзе: Издательство Илим, 1984. С. 66–78.

39. Фейгин М. Неупругое поведение при совместном действии растяжения и кручения // Механика: Сборник переводов. 1956. № 3. С. 125–139.

40. Комарцов Н.М., Лужанская Т.А., Рычков Б.А. Эффект Баушингера при сложном нагружении // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2010. Т. 15. № 3. С. 853–855.

41. Смирнов М.А., Пышминцев И.Ю., Варнак О.В., Мальцева А.Н., Гойхенберг Ю.Н. Исследование склонности низкоуглеродистой стали к деформационному старению и проявлению эффекта Бау­шингера // Сталь. 2016. № 1. С. 39–45.

42. Kostryzhev A.G., Strangwood M. Bauschinger Effect in Microalloyed Steels: Part I. Dependence on Dislocation-Particle Interaction // Metallurgical and Materials Transactions A. 2010. Vol. 41. P. 1399–1408. https://doi.org/10.1007/s11661-010-0196-4

43. Самусев С.В., Жигулев Г.П., Скрипаленко М.М., Фадеев В.А. Исследование параметров шаговой формовки заготовки при производстве труб большого диаметра на линии ТЭСА 1420 // Черные металлы. 2017. № 9. С. 73–77.

44. Лоевец Д.А., Волегов П.С. Описание эффекта Баушингера при циклическом нагружении поликристаллов с использованием двухуровневой математической модели // Вестник Тамбовского университета. Серия: Естественные и технические науки. 2016. Т. 21. № 3. С. 1116–1119.

45. Сергиев А.П., Проскурин А.А., Логачев В.Н. Влияние эффекта Баушингера на листовую вырубку // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 5. С. 82–85.

46. Хван А.Д., Хван Д.В., Воропаев А.А. Однообразцовый способ оценки эффекта Баушингера // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 7. С. 55–58. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2020-86-7-55-58

47. Харитонов В.А. Оценка эффективности изготовления стальной проволоки совмещенным способом «прокатка – волочение» // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2013. № 5. С. 15–19.

48. Шапиевская В.А. Экспериментальные методы определения параметров эффекта Баушингера // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2011. № 1. С. 3–8.

49. Sowerby R., Uko D.K., Tomita Y. A review of certain aspects of the Bauschinger effect in metals // Materials Science and Engineering. 1979. Vol. 41. No. 1. P. 43–58. https://doi.org/10.1016/0025-5416(79)90043-0

50. Moan G.D., Embury J.D. A study of the Bauschinger effect in Al–Cu alloys // Acta Metallurgica. 1979. Vol. 27. No. 5. P. 903–914. https://doi.org/10.1016/0001-6160(79)90125-1

51. Новожилов В.В. О сложном нагружении и перспективах феноменологического подхода к исследованию микронапряжений // Прикладная математика и механика. 1964. Т. 28. Вып. 3. С. 394–400.

52. Талыпов Г.Б. Пластичность и прочность стали при сложном нагружении. Ленинград: ЛГУ, 1968. 134 с.