Predicting high-temperature rheological deformation and long-term strength of a viscoplastic material using a leader sample

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A method for predicting creep and long-term strength in conditions of viscous failure mechanism has been proposed and implemented. It is assumed that when the material is loaded, there is no instant plastic deformation or the first stage of creep, and the hypothesis of incompressibility is satisfied. In the developed method, it is shown that if the creep curve under constant stress and the time to failure are known for a pre-tested sample (leader sample), then to obtain the rheological deformation diagram and long-term strength of the material at other stress levels, it is sufficient to know only the initial minimum creep deformation rate (at the initial moment of time) for the samples at these stress levels.
The adequacy of the developed method to experimental data for a range of alloys under conditions of tension and torsion of samples has been tested. It has been shown that the prediction results do not depend on the choice of a leader sample from the series of samples tested at different stress levels.
The research results demonstrate that the developed method allows not only predicting creep curves and long-term strength (in the asymptotic formulation), but also optimizing the planning of experimental studies to obtain a series of steady-state creep curves under constant stresses.

About the authors

Vladimir P. Radchenko

Samara State Technical University

Email: radchenko.vp@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4168-9660
SPIN-code: 1823-0796
Scopus Author ID: 7004402189
ResearcherId: J-5229-2013
http://www.mathnet.ru/person38375

Dr. Phys. & Math. Sci., Professor; Head of Dept.; Dept. of Applied Mathematics & Computer Science

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Elena Afanaseva

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: afanasieva.ea@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7815-2723
SPIN-code: 7548-9837
http://www.mathnet.ru/person188683

Postgraduate Student; Dept. of Applied Mathematics Computer Science

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

Mikhail N. Saushkin

Samara State Technical University

Email: saushkin.mn@samgtu.ru
ORCID iD: 0000-0002-8260-2069
Scopus Author ID: 35318659800
ResearcherId: A-8120-2015
https://www.mathnet.ru/person38368

Cand. Phys. & Math. Sci.; Associate Professor; Dept. of Applied Mathematics & Computer Science

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya st., 244

References

  1. Kachanov L. M. Teoriia polzuchesti [Creep Theory]. Moscow, Fizmatlit, 1960, 455 pp. (In Russian)
  2. Rabotnov Yu. N. Creep Problems in Structural Members, North-Holland Series in Applied Mathematics and Mechanics, vol. 7. Amsterdam, London, North-Holland Publ., 1969, xiv+822 pp.
  3. Gol’denblat I. I., Bazhenov V. L., Kopnov V. A. Dlitel’naia prochnost’ v mashinostroenii [Long-Term Strength in Machine Building]. Moscow, Mashinostroenie, 1977, 246 pp. (In Russian)
  4. Nikitenko A. F. Polzuchest’ i dlitel’naia prochnost’ metallicheskikh materialov [Creep and Long-Term Strength of Metallic Materials]. Novosibirsk, NGASU, 1997, 278 pp. (In Russian)
  5. Radchenko V. P., Eremin Yu. A. Reologicheskoe deformirovanie i razrushenie materialov i elementov konstruktsii [Rheological Deformation and Fracture of Materials and Structural Elements]. Moscow, Mashinostroenie-1, 2004, 264 pp. (In Russian). EDN: QNATSX
  6. Lepin G. F. Polzuchest’ metallov i kriterii zharoprochnosti [Creep of Metals and Heat-Resistance Criteria]. Moscow, Metallurgiya, 1976, 344 pp. (In Russian)
  7. Lokoshchenko A. M. Creep and Long-Term Strength of Metals. Boca, Raton, CRC Press, 2018, xviii+545 pp. EDN: YKQNZJ. DOI: https://doi.org/10.1201/b22242.
  8. Zakonomernosti polzuchesti i dlitel’noi prochnosti [Regularities of Creep and Long-Term Strength], ed. S. A. Shesterikov. Moscow, Mashinostroenie, 1983, 102 pp. (In Russian)
  9. Sosnin O. V., Gorev B. V. Nikitenko A. F. Energeticheskii variant teorii polzuchesti [Enegry Variant of Theory of Creep]. Novosibirsk, Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, 1986, 95 pp. (In Russian)
  10. Loktionov V., Lyubashevskaya I., Terentyev E. The regularities of creep deformation and failure of the VVER’s pressure vessel steel 15Kh2NMFA-A in air and argon at temperature range 500–900 °C, Nucl. Mat. Energy, 2021, vol. 28, 101019. EDN: YNXXTF. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nme.2021.101019.
  11. Loktionov V., Lyubashevskaya I., Sosnin O., Terentyev E. Short-term strength properties and features of high-temperature deformation of VVER reactor pressure vessel steel 15Kh2NMFA-A within the temperature range 20–1200 °C, Nucl. Eng. Des., 2019, vol. 352, 110188. EDN: LATTSR. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2019.110188.
  12. Banshchikova I. A., Nikitenko A. F. Creep of axisymmetrically loaded plates with allowance for damage accumulation in their material, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2006, vol. 47, no. 5, pp. 747–756. EDN: KGLJUZ. DOI: https://doi.org/10.1007/s10808-006-0111-3.
  13. Nikitenko A. F., Lyubashevskaya I. V. Service life of pressurized vessels, J. Appl. Mech. Tech. Phys., 2007, vol. 48, no. 5, pp. 766–773. EDN: LKOBVH. DOI: https://doi.org/10.1007/s10808-007-0099-3.
  14. Lokoshchenko A. M., Fomin L. V., Teraud W. V., Basalov Yu. G., Agababyan V. S. Creep and long-term strength of metals under unsteady complex stress states (Review), Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2020, vol. 24, no. 2, pp. 275–318 (In Russian). EDN: OQCCVC. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1765.
  15. Robinson E. L. Effect of temperature variation on the long-time rupture strength of steels, Trans. ASME, 1952, vol. 74, no. 5, pp. 777–780. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4015916.
  16. Omprakash C. M., Kumar A., Srivathsa B., Satyanarayana D. V. V. Prediction of creep curves of high temperature alloys using $theta$-projection concept, Procedia Engineering, 2013, vol. 55, pp. 756–759. DOI: https://doi.org/10.1016/j.proeng.2013.03.327.
  17. Lundin C. D., Aronson A. H., Jackman L. A., Clough W. R. Very-short-time, very-hightemperature creep rupture of type 347 stainless steel and correlation of data, J. Basic Eng., 1969, vol. 91, no. 1, pp. 32–38. DOI: https://doi.org/10.1115/1.3571023.
  18. Hoff N. J. The necking and the rupture of rods subjected to constant tensile loads, J. Appl. Mech., 1953, vol. 20, no. 1, pp. 105–108. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4010601.
  19. Mozharovskaya T. N. Relationship of the time until failure in long-term loading under conditions of the plane stressed state to the minimum rate of creep deformations, Strength Mater., 1982, vol. 14, no. 12, pp. 1635–1639. EDN: XLUTEH. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00768650.
  20. Volkov I. A., Korotkikh Yu. G. Uravneniia sostoianiia viazkouprugoplasticheskikh sred s povrezhdeniiami [Equations of State for Viscoelastic-Plastic Media with Damage]. Moscow, Fizmatlit, 2008, 424 pp. (In Russian). EDN: RYRTNT
  21. Boyko S.V. Modeling the Formation of Structural Elements under Unsteady Creep Conditions, Thesis of Dissertation (Cand. Phys. & Math. Sci.). Novosibirsk, Lavrentyev Institute of Hydrodynamics, 133 pp. (In Russian)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure. 1. Experimental (solid lines) [8] and calculated (dashed lines) creep curves of the corrosion-resistant 12Kh18N10T alloy at a temperature of 850°C constructedbased on the leader sample (line 1); markers (nominal stresses): 1 — 40 MPa; 2 — 50 MPa; 3 — 60 MPa; 4 — 80 MPa

Download (70KB)
Indexing metadata
3. Figure. 2. Experimental (solid lines) [16] and calculated (dashed lines) creep curves of a titanium alloy at a temperature of 600°C constructed based on the leader sample 3 (a) and the leader sample 1 (b); markers (nominal stresses): 1 — 300 MPa; 2 — 350 MPa; 3 — 400 MPa

Download (127KB)
Indexing metadata
4. Figure. 3. Experimental (points) [9] and calculated (dashed lines) diagrams for specific work of stresses on creep deformations of D16T alloy at a temperature of 250°C constructed based on the leader sample (line 4) under conditions of uniaxial tension (a) and torsion (b); markers (nominal stresses): 1 — 100 MPa; 2 — 90 MPa; 3 — 80 MPa; 4 — 70 MPa; 5 — 46.2 MPa; 6 — 40.5 MPa; 7 — 37.0 MPa; 8 — 34.6 MPa

Download (124KB)
Indexing metadata
5. Figure. 4. Experimental (points) [9] and calculated (dashed lines) diagrams for specific work of stresses on creep deformations of VT-9 alloy at a temperature of 600°C constructed based on the leader sample 3 (a) and the leader sample 1 (b); markers (nominal stresses): 1 — 450 MPa; 2 — 350 MPa; 3 — 250 MPa

Download (93KB)
Indexing metadata
6. Figure. 5. Experimental (points) [9] and calculated (dashed lines) diagrams for specific work of stresses on creep deformations of OT-4 alloy at a temperature of 550°C constructed based on the leader sample 3 (a) and the leader sample 4 (b); markers (nominal stresses): 1 — 80 MPa; 2 — 60 MPa; 3 — 50 MPa; 3 — 40 MPa

Download (100KB)
Indexing metadata
7. Figure. 6. Experimental (points) [9] and calculated (dashed lines) diagrams for specific work of stresses on creep deformations of VT-5 alloy at a temperature of 450°C constructed based on the leader sample 4 (a) and at a temperature of $550\,^\circ$C on the leader sample 7 (b); markers (nominal stresses): 1 — 370 MPa; 2 — 350 MPa; 3 — 330 MPa; 4 — 300 MPa; 5 — 150 MPa; 6 — 130 MPa; 7 — 110 MPa

Download (110KB)
Indexing metadata
8. Figure. 7. Experimental (points) [21] and calculated (dashed lines) diagrams for specific work of stresses on creep deformations of 09G2S alloy at a temperature of 700°C constructed based on the leader sample a (a) and the leader sample 2 (b); markers (nominal stresses): 1 — 69.67 MPa; 2 — 58.86 MPa

Download (113KB)
Indexing metadata
9. Figure. 8. Experimental (points) [21] and calculated (dashed lines) diagrams for specific work of stresses on creep deformations of 09G2S alloy at a temperature of 730°C constructed based on the leader sample a (a) and the leader sample 2 (b); markers (nominal stresses): 1 — 58.86 MPa; 2 — 49.05 MPa

Download (108KB)
Indexing metadata
10. Figure. 9. Experimental (points) [21] and calculated (dashed lines) diagrams for specific work of stresses on creep deformations of 09G2S alloy at a temperature of 750°C constructed based on the leader sample a (a) and the leader sample 2 (b); markers (nominal stresses): 1 — 49.05 MPa; 2 — 38.24 MPa

Download (119KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

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».