НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МІЦНОСТІ
ІВАНЧЕНКО ОЛЕКСІЙ ГЕННАДІЙОВИЧ
УДК 620.1.+539.4.
ВПЛИВ ПОПЕРЕДНЬОГО ТЕРМОМЕХАНІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ НА ОПІР КРИХКОМУ РУЙНУВАННЮ ТЕПЛОСТІЙКИХ СТАЛЕЙ
01.02.04. – механіка деформівного твердого тіла.
А в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Київ – 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті проблем міцності
Національної Академії Наук України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор
Покровський Володимир Вікторович
Інститут проблем міцності
Національної Академії Наук України
зав. відділом “Механіки руйнування великогабаритних конструкцій”
Офіційні оппоненти:
доктор технічних наук, професор
Степанов Геннадій Володимирович
Інститут проблем міцності НАН України
зав. відділом “Міцності та руйнування за умов ударного і імпульсного навантаження”
кандидат фізико-математичних наук,
Галатенко Григорій Васильович
Інститут механіки ім. С.П. Тимошенко НАН України
старший науковий співробітник
Провідна установа: Національний технічний університет
“Київський політехнічний інститут”, м.Київ
Захист відбудеться “23” вересня 1999 р. о 930 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.241.01, Інститут проблем міцності НАН України, 252014, м.Київ, вул.Тимірязєвська, 2
З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту проблем міцності НАН України, 252014, м.Київ, вул.Тимірязєвська, 2
Автореферат розісланий “ 22 ” червня 1999р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук Гігіняк Ф.Ф.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Корпуси атомних водо-водяних реакторів, що працюють під високим тиском, є найвідповідальнішими елементами конструкції атомних енергетичних установок. Руйнування цих елементів конструкцій може призвести не тільки до повного виходу з ладу всієї атомної енергетичної установки, а і до важких екологічних наслідків, а також може загрожувати життю та здоров’ю людей. Тому так гостро стоїть проблема обгрунтування ресурсу безпечної експлуатації цих конструкцій.
Основу атомної енергетики України складають реактори типу ВВЕР-440 та ВВЕР-1000. Як відомо, в корпусах цих реакторів ще на стадії виготовлення з’являються дефекти типу тріщин, що можуть стати причиною крихкого руйнування цих конструкцій. Небезпека крихкого руйнування підвищується у зв’язку з інтенсивним зкрихченням матеріалу корпусів атомних реакторів в процесі їх експлуатації під впливом нейтронного опромінювання. Чисельні дослідження цієї проблеми показали, що під впливом опромінювання температура зміни механізму руйнування від крихкого до в’язкого для матеріалів корпусів атомних реакторів зміщується в область високих температур. Це підвищує вірогідність крихкого руйнування корпусу реактора під час термошоку в момент заливки в нього холодної води.
Попереднє термомеханічне навантаження (ПТН) елементів конструкцій з тріщинами, що полягає в навантаженні елементу конструкції при температурі, що перевищує температуру зміни механізму руйнування від крихкого до в’язкого (в умовах, коли матеріал елементу конструкції знаходиться пластичному стані) призводить до значного підвищення опору цього матеріалу крихкому руйнуванню. Цей, так званий, “ефект ПТН” є одним із способів підвищення крихкої міцності та підвищення строку безпечної експлуатації корпусів атомних енергетичних реакторів, що працюють під високим тиском. Отже, існує гостра необхідність у здійсненні експериментально обгрунтованого прогнозування впливу ПТН на опір теплостійких реакторних сталей крихкому руйнуванню.
Оскільки, як вже було сказано, крихке руйнування теплостійких сталей зазвичай відбувається внаслідок наявності в них тріщин, прогнозування впливу ПТН на опір цих сталей крихкому руйнуванню має грунтуватися на механіці руйнування з використанням параметрів тріщинотривкості, а саме коефіцієнту інтенсивності напружень (КІН), зміщення берегів тріщини, тощо.
Деякі експериментальні результати досліджень впливу ПТН на опір теплостійких сталей крихкому руйнуванню, а також теоретичне підгрунтя пояснення цього впливу було викладено в роботах таких визначних вчених, як Ф.М.Беремін, Ф.Мудри, Дж.Ф.Нотт, В.В.Покровський, Б.Т.Тимофеєв, В.Т.Трощенко, Дж.Дж.Челл , та таких відомих дослідників, як Р.Біркет, А.Буссіба, В.Вітек, Р.А.Грей, Ю.Г.Драгунов, В.Г.Каплуненко, Д.А.Каррі, У.Кац, Дж.А.Кларк, В.А.Киселев, Х.Кобаяши, Х.Кодайра, Х.Котілайнен, Д.Лідбарі, Ф.І.Лосс, Дж.Дж.Макговен, Х.Матіас, У.Мішима, В.Ю.Подкользін, П.А.С.Рід, Е.К.Ривкин, В.І.Смірнов, Федоров В.Г., Л.П.Харроп, І.Р.Хауторн, Дж.Хеднер, Дж.Р.Хей, Д.К.М.Шам та інши.
Було встановлено, що підвищення опору матеріалів крихкому руйнуванню після ПТН обумовлено зміною напружено-деформівного стану біля вершини тріщини, а саме: наведенням системи залишкових здавлюючих напружень, затупленням вершини тріщини та деформаційним зміцненням матеріалу перед вершиною тріщини.
Не дивлячись на великий обсяг проведених досліджень, досі немає чіткої відповіді на питання, який саме внесок кожного з вказаних механізмів у підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після різних режимів ПТН, отже, немає чіткого підгрунтя для коректного прогнозування впливу усього спектру режимів ПТН на опір теплостійких сталей крихкому руйнуванню. Майже не досліджено питання ефективності ПТН у разі докритичного підростання тріщини під час ПТН, а також питання стійкості ефекту ПТН під впливом різних факторів, що мають місце під час експлуатації атомних енергетичних реакторів, а саме довготривалого статичного та циклічного навантаження за високої температури. Все це зтримує впровадження технології ПТН для підвищення ресурсу безпечної експлуатації атомних енергетичних реакторів типу ВВЕР.
Як випливає із загальної характеристики наукової проблеми, цілий ряд питань вимагає більш детального експериментального дослідження та теоретичного аналізу. У рамках запропонованої роботи деякі питання з цієї проблеми отримали своє вирішення.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу було виконано у рамках програми досліджень, що виповнювалися за дорученням Кабінету Міністрів України від 09.11.1994р. №18970/87 “Технологія теплової опресовки корпусів атомних реакторів типу ВВЕР”, та Державної Програми економічного та соціального розвитку України, введеної в дію Постановою Кабінету Міністрів України від 13.05.1996р. №517, а також в рамках бюджетної теми 1.3.4.10. НАН України “Дослідження механізмів та сталості зміцнювання сталей з тріщинами після різних режимів термомеханічного навантаження”.
Мета і задачі досліджень. Метою роботи є встановлення характеру впливу експлуатаційних та технологічних факторів на ефективність та стійкість підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після різних режимів ПТН, а також розробка на основі результатів експериментальних досліджень методик прогнозування в’язкості руйнування теплостійких сталей після ПТН та прогнозування залишкової довговічності елементів контрукцій з тріщиноподібними дефектами після ПТН. Ці методики мають враховувати різні фактори, що мають місце в процесі експлуатації корпусів атомних енергетичних реакторів, та характеристики механічних властивостей теплостійких сталей.
Поставлена мета досягається шляхом розв’язання таких завдань:
Дослідження впливу різних режимів ПТН на підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню.
Дослідження впливу докрітичного підростання тріщини під час ПТН на підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню.
Встановлення ролі затуплення вершини тріщини під час ПТН у підвищенні опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню.
Дослідження стійкості ефекту підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню після різних режимів ПТН під впливом таких експлуатаційних факторів, як довготривале статичне та циклічне навантаження за високої температури.
Розробка фізико-механічної моделі, що дозволяє прогнозувати підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню після різних режимів ПТН, прогнозувати стійкість ефекту ПТН під впливом будь-яких експлуатаційних факторів, а також прогнозувати розвиток тріщин в елементах конструкцій після ПТН.
Наукова новизна одержаних результатів полягає у :
– отриманні великого обсягу експериментальних даних про вплив різних режимів ПТН на підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню, отриманих на зразках різної товщини (25..150 мм), у тому числі унікальних експериментальних даних, що не мають аналогів у світовій науково-технічній літературі, про вплив розвантаження під час ПТН на підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню, отриманих на великогабаритних зразках товщиною до 150 мм;
– одержанні експериментальних даних про вплив ПТН на підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню у разі докритичного підростання тріщини під час ПТН;
– одержанні експериментальних даних про форму та закономірності закриття затупленої вершини тріщини після ПТН;
– одержанні експериментальних даних про стійкість ефекту підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню після різних режимів ПТН під впливом довготривалого (до 24000 годин) статичного та циклічного (200 циклів) навантаження за високої температури;
– розробленні фізико-механічної моделі процесів деформування матеріалу біля вершини тріщини під час ПТН;
– розробленні методики прогнозування впливу експлуатаційних і технологічних факторів на ефективність та стійкість підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після різних режимів ПТН;
– розробленні методики прогнозування розвитку тріщини втоми після ПТН.
Практичне значення одержаних результатів полягає в експериментальному обгрунтуванні підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після різних режимів ПТН, в тому числі у разі докритичного підростання тріщини під час ПТН, а також під впливом різних експлуатаційних факторів, в розробці моделі та методики прогнозування підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після різних режимів ПТН та методики прогнозування розвитку тріщини втоми після ПТН.
Отримані у роботі експериментальні результати та розроблені в ній методики можуть бути використані для обгрунтування практичного застосування ПТН для підвищення запасів міцності та ресурсу безпечної експлуатації корпусів атомних енергетичних реакторів типу ВВЕР, що експлуатуються на території України, а також для виявлення найбільш ефективних та безпечних режимів ПТН.
Особистий внесок здобувача полягає у тому, що в роботах [1,4,5] автор отримав та проаналізував експериментальні дані про вплив різних режимів ПТН на підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей, а також про стійкість ефекту ПТН під впливом різних експлуатаційних факторів. У працях [2,3] розроблено методику оцінки розвитку поверхневої тріщини після одноразового перенавантаження.
Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідалися на “П’ятій Міжнародній Конференції з Конструювання, Виробництва та Експлуатації Обладнання Атомних Енергетичних Станцій”, що проводилася в Санкт-Петербурзі (Росія) 7-14 червня 1998р.; на міжнародній науковій конференції “Contribution of materials Investigation to the Resolution of Problems Encountered in Pressurized Water Reactors” Fontevraud IV, що проводилася 14-18 вересня 1998р. в Ліоні (Франция).
Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 5 наукових працях.
Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, бібліографії з 243 найменувань і викладена на 233 сторінках машинописного тексту, містить 72 малюнки, 3 таблиці.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність проблеми, наведено важливі положення із праць інших дослідників, дано їх оцінку та коротку характеристику роботи, сформульовано основні результати, що виносяться на захист.
У першому розділі подано літературний огляд досліджень ефекту підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після ПТН, а також короткий опис інтегральних та локальних параметрів тріщинотривкості, за допомогою яких оцінюється ефективність ПТН і на яких грунтуються найбільш відомі методики прогнозування ефекту ПТН.
З аналізу літературних даних можна побачити, що опір теплостійких сталей крихкому руйнуванню після ПТН залежить від значної кількості чинників, а саме: від режимів ПТН, геометрії досліджуємих зразків, підростання тріщини, тощо. В той же час залишаються мало вивченими питання впливу режимів ПТН, особливо значення розвантаження під час ПТН, на опір крихкому руйнуванню великогабаритних зразків з теплостійких сталей. Дослідження, проведені різними вченими, не дають також відповіді на питання про вплив докритичного підростання тріщини під час ПТН на ефект підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей.
Різними дослідниками було встановлено, що ефект зростання опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після ПТН обумовлено трьома основними чинниками: затупленням вершини тріщини під час ПТН, наведенням системи залишкових здавлюючих напружень під час розвантаження та деформаційним зміцненням матеріалу перед вершиною тріщини. В той же час лишається невиясненим кількісний внесок кожного з наведених чинників у підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після різних режимів ПТН. Особливо це стосується внеску затуплення вершини тріщини під час ПТН, що ігнорується цілим рядом дослідників.
Також на сьогоднішній день лишається маловивченим питання стійкості ефекту підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після ПТН під впливом різних факторів, що мають місце при експлуатації корпусів атомних енергетичних реакторів типу ВВЕР. До таких факторів належать експлуатація при високій температурі під статичним навантаженням протягом довгого строку, циклічне навантаження при високій температурі, тощо.
Деякими вченими розроблено моделі ПТН, основані на інтегральних характеристиках в’язкості руйнування, а саме, J-інтеграл, критичне розкриття вершини тріщини, коефіцієнт інтенсивності напружень (КІН), та на локальних підходах в’язкості руйнування. На основі цих моделей побудовано методики розрахунку ефекту ПТН. Існуючі моделі дозволяють достатньо точно прогнозувати підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після деяких режимів ПТН, однак жодна з цих моделей не дозволяє прогнозувати ефект ПТН та його стійкість з урахуванням усього комплексу факторів, що мають місце під час експлуатації корпусів атомних енергетичних реакторів.
Таким чином, з аналізу літературних даних зроблено висновок, що ефект підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після деяких режимів ПТН – складне явище, що потребує більш глибоких експериментальних досліджень. Коректне прогнозування цього складного явища можливе тільки за умови урахування усіх чинників, що обумовлюють цей ефект, що є можливим тільки після детального вивчення кількісних вкладів цих чинників.
Виходячи з аналізу літературних даних була сформульована мета роботи та завдання для її реалізації.
У другому розділі викладено методики експериментальних досліджень, необхідні для досягнення мети роботи, а саме:
– методики експериментальних досліджень статичної та циклічної тріщинотривкости теплостійких сталей;
– методики дослідження впливу різних режимів ПТН на підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей, у тому числі за умови докритичного підростання тріщини під час ПТН;
– методики дослідження стійкості додатного ефекту ПТН під впливом довготривалого статичного та циклічного навантаження за високої температури;
– методика дослідження форми та закономірностей закриття затупленої вершини тріщини після ПТН.
Наведено рисунки та розміри зразків, на яких проводилися дослідження. Тріщинотривкість теплостійких сталей досліджувалася на зразках на позацентрове розтягнення товщиною 25 мм та на зразках на трьохточковий згин товщиною 150 мм із довгою наскрізною тріщиною та короткою поверхневою тріщиною [1].
Також наведено опис матеріалів, що були об’єктом досліджень у роботі, а саме теплостійких сталей 15Х2МФА(II), 15Х2МФА(III) і матеріалу зварювального шву 10ХМФТ(II), що застосовуються в конструкції корпусів атомних енергетичних реакторів типу ВВЕР-440, а також сталей 15Х2НМФА(I), 15Х2НМФА(II) і матеріалу зварювального шву 08ХГНМТ(II), що застосовуються в конструкції корпусів атомних енергетичних реакторів типу ВВЕР-1000.
У третьому розділі наведено результати та аналіз отриманих в роботі результатів експериментальних досліджень [1,4,5].
Під час експериментальних досліджень було встановлено, що попереднє термомеханічне навантаження призводить до підвищення опору крихкому руйнуванню зразків усіх розмірів з усіх досліджуваних матеріалів (Рис.1). Відсутність розвантаження під час ПТН не завжди призводять до підвищення опору руйнуванню порівняно з ПТН із повним розвантаженням (Рис.1). Для деяких матеріалів відсутність розвантаження обумовлює менше зростання опору руйнуванню, аніж після ПТН з повним розвантаженням, а для деяких – навпаки.
Порівняння результатів розрахунків ефективності ПТН за допомогою моделі Челла з даними експериментальних досліджень показало обмежені можливості її використання. Ряд принципових не-доліків моделі Челла не дає можливості в деяких випадках провести адекватну оцінку ефекту ПТН, як, наприклад, при ПТН за схемою з повним розвантаженням для крупногабаритних зразків (Рис.1).
Було встановлено, що докритичне підростання тріщини під час ПТН не призводить до зменшення ефективності ПТН (Рис.2).
Під час стереофрактографічних досліджень форми вершини тріщини після ПТН було встановлено, що вершина тріщины значно затупляється під час ПТН і після зняття
навантаження тріщина закривається не в самій вершині, а позаду неї (Рис.3). При цьому вершина тріщини лишається не гострою, а затупленою. Внаслідок цього концентрація напружень перед вершиною затупленої тріщини буде значно нижче, ніж перед вершиною гострої втомної тріщини. Це призводить до того, що рівень напружень, необхідний для початку нестабільного розвитку тріщини, буде досягнуто за значно більш високих величин зовнішнього навантаження, тобто за значно більш високого рівня КІН, аніж у випадку гострої тріщини. Тому при прогнозуванні ефекту ПТН неможливо ігнорувати затуплення вершини тріщини.
Виявлено, що величина залишкового розкриття вершини тріщини залежить від рівня попереднього термомеханічного навантаження (Рис.4). Величина розкриття вершини тріщини досить точно визначається за формулою:
(1)
де К – поточний КІН; E – модуль Юнга; – ефективна границя плинності матеріалу; – коефіцієнт, що обчислюється за формулою:
(2)
де – коефіцієнт Пуассона, n – показник деформаційного зміцнення матеріалу.
Важливим результатом є оцінка точності різних методик визначення величини розкриття вершини тріщини. Так, застосування методики, що основана на вимірі розкриття вершини тріщини за допомогою тензодатчиків, за великих рівнів навантаження потребує урахування місця розташування датчика та стану берегів тріщини під час навантаження-розвантаження.
Крім того дані стереофрактографічних досліджень підтвердили залежність величини розкриття вершини тріщини від жорсткості напруженого стану біля вершини тріщини (Рис.3).
Було встановлено, що довготривале статичне (до 24000 годин) та циклічне (200 циклів) навантаження за високої температури не призводить до значного зниження ефективності ПТН (Рис.5), а для матеріалів зварювального шву такі впли ви навіть підвищують ефективність ПТН. Ці експериментальні дані свідчать про те, що ефект підвищення опору крихкому руйнуванню після ПТН корпусних теплостійких сталей є стійким до різних впливів, що мають місце при експлуатації корпусів атомних енергетичних установок, а саме довготривале статичне та циклічне навантаження за високої температури.
Отримані експериментальні результати стали підгрунтям для сформульованої в наступному розділі фізико-механічної моделі процесів біля вершини тріщини під час ПТН.
Четвертий розділ присвячено методикам прогнозування ефективності ПТН з урахуванням експлуатаційних факторів, а також прогнозування розвитку поверхневої втомної тріщини після ПТН.
На основані експериментальних даних про вплив різних режимів ПТН на підвищення опору теплостійких сталей крихкому руйнуванню, а також стійкості ефекту ПТН під впливом різних експлуатаційних факторів, які наведено в попередньому розділі, було запропоновано фізико-механічну модель процесів деформування матеріалу, що мають місце перед вершиною тріщини під час ПТН та під час навантаження після ПТН.
Модель грунтується на обчисленні зміни напружено-деформівного стану невеликого елементарного об’єму матеріалу перед вершиною тріщини (Рис.6а) під час ПТН та після нього і враховує усі основні чинники, що спричиняють підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після ПТН, а саме: залишкових напруження, затуплення вершини тріщини та деформаційне зміцнення матеріалу перед вершиною тріщини. Оцінка НДС у елементарному об’ємі проводиться будь-яким чисельним або аналітичним методом, що дозволяє врахувати зміну сингулярності напружень та деформацій внаслідок затуплення вершини тріщини. Загалом розглядається чотири основні випадки (Рис.7):
а) ПТН без розвантаження;
б) ПТН з повним розвантаженням;
в) ПТН з частковим розвантаженням, яке призводить до наявності в елементарному об’ємі розтягуючих залишкових напружень;
г) ПТН з частковим розвантаженням, яке призводить до наявності в елементарному об’ємі стискуючих залишкових напружень.
Напружено-деформівний стан в елементарному об’ємі обчислюється з урахуванням зменшення концентрації напружень перед вершиною тріщини внаслідок її затуплення під час ПТН. Стиснення матеріалу в елементарному об’ємі під час розвантаження продовжується до вичерпання запасу пружньої енергії, накопиченої під час ПТН, тобто до тих пір, доки не буде виповнюватися умова:
(3)
де Ueg і Ugg – робота пружніх та пружньопластичних деформацій в усьому тілі, а Uel і Ugl – робота пружніх та пружньопластичних деформацій в елементарному об’ємі. Відношення робот для тіла знаходиться з відношення площ під діаграмою Р- (Нагрузка – розкриття вершини тріщини), записаної по лінії дії сили (Рис.6б), де робота пружніх деформацій обчислюється як площа трикутника ABC, а робота пружньопластичних деформацій обчислюється як площа криволінійного трикутника OAB. Відношення робот для елементарного об’єму знаходиться з відношення площ під діаграмою
– (напруження – деформації), отриманої з аналізу НДС для елементарного об’єму (Рис.7), де робота пружніх деформацій обчислюється як площа криволінійного трикутника ABC, а робота пружньопластичних деформацій обчислюється як площа криволінійної трапеції OABC.
Стиснення матеріалу в елементарному об’ємі припиниться також у разі досягнення деформаціями нульового рівня, тобто має виконуватися умова:
0 0 (4)
де 0 – деформація після розвантаження (Рис.7).
Залишкові напруження дорівнюють напруженням в елементарному об’ємі на момент закінчення його стискання. Залишкове розкриття вершини тріщини після ПТН res обчислюється як різниця між максимальним розкриттям під час ПТН ПТН та обратним розкриттям під час розвантаження 2:
res = |ПТН| – |2| (5)
res , ПТН, 2 обчислюються за формулою (1) з урахуванням зростання після навантаження за рахунок зміцнення матеріалу.
Взагалі КІН, при якому відбудеться руйнування матеріалу після ПТН обчислюється таким чином:
(6)
де – КІН розвантаження; – КІН, при якому напруження в елементарному об’ємі досягають величини напруження мікросколу с при простому навантаженні при температурі руйнування (Рис.7); – КІН, при якому напруження в елементарному об’ємі досягають величини границі плину матеріалу (Рис. 7 а,б) при простому навантаженні при температурі руйнування; – КІН, при якому напруження в елементарному об’ємі досягають абсолютної величини залишкових напружень при простому навантаженні при температурі руйнування (Рис.7в,г). Мається на увазі, що просте навантаження – це навантаження без розвантаження.
На основі цієї моделі можна пояснити поведінку матеріалів, що піддавалися ПТН, під впливом довготривалого статичного та циклічного навантаження (без проростання вторинної втомної тріщини) за високої температури. При цьому в елементарному об’ємі матеріалу мають місце два основні процеси: релаксація залишкових напружень під дією високої температури та зпричинена навантаженням за високої температури повзучість матеріалу, що призводить до ще більшого затуплення вершини тріщини. Якщо домінуючим є перший процес, ефективність ПТН має дещо знизитися, а якщо домінує другий процес, ефективність ПТН має зрости.
Проведений порівняльний аналіз розрахунків, отриманих за допомогою запропонованої методики, та експериментальних даних (Рис.1,3), показав, що з допомогою запропонованої методики розрахунку ефективності ПТН є можливою достатньо точна оцінка цього складного явища. Особливо слід підкреслити, що розрахунок ефективності ПТН за допомогою запропонованої методики дає задовільну відповідність до експериментальних даних за найрізноманітніших схем та режимів ПТН для теплостійких сталей з різними механічними властивостями. З Рис.3 також видно, що запропонована методика оцінки ефективності ПТН дозволяє прогнозувати стійкість явища підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після ПТН під впливом різних експлуатаційних факторів, таких, як довготривале статичне та циклічне навантаження за високої температури.
Другу частину четвертого розділу присвячено методиці прогнозування розвитку поверхневої втомної тріщини після ПТН.
Методика грунтується на застосуванні принципів моделювання розвитку втомних тріщин при нерегулярному навантаженні з застосуванням концепції ефективного КІН, змінного по фронту тріщини [2,3].
Після ПТН розвиток втомної тріщини уповільнюється порівняно з її ростом перед ПТН, або може на деякий час зупинитися при умові прикладання такого ж самого циклічного навантаження, що і перед ПТН. Затримку розвитку тріщини спричинено тими ж самими факторами, що й ефект підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після ПТН, тобто залишковими напруженнями, затупленням вершини тріщини та деформаційним зміцненням матеріалу перед вершиною тріщини. Для того, щоб розвиватися з тою самою швидкістю, що була до ПТН, треба щоб, по-перше, із затупленої під час ПТН вершини тріщини проросла вторинна гостра тріщина, і, по-друге, щоб розмах ефективного КІН зрівнявся з тим, що був до ПТН. Тому кількість циклів затримки росту тріщини Nd обчислюється як сума кількості циклів навантаження, необхідних для проростання вторинної тріщини , та кількості циклів навантаження до відновлення величини розмаху ефективного КІН :
(7)
Значення знаходиться з рівняння Коффіна-Менсона:
(8)
де – величина пластичної деформації у елементарному об’ємі матеріалу перед вершиною тріщини; і – константи, що визначаються експериментально.
Значення можна отримати з рівняння, що описує швидкість росту вторинної тріщини:
(9)
де – максимальний КІН при ПТН; – максимальний КІН базового циклічного навантаження; – довжина втомної тріщини в момент ПТН; – поточна довжина втомної тріщини; – КІН відкриття тріщини в разі циклічного навантаження з максимальним
КІН циклу Kol; – КІН відкриття тріщини при циклічному навантаженні з максимальним КІН циклу Kb; ; – коефіцієнт жорсткості НДС (=1..3).
Оскільки розмах ефективного КІН в різних точках фронту поверхневої тріщини суттєво відрізняється, значення обчислюється за допомогою формул (7)-(9) окремо в точках А і С (Рис.8).
Висновки
1. Отримано унікальний комплекс експериментальних даних, що не мають аналогів у світовій науково-технічній літературі, про вплив термомеханічного навантаження на опір крихкому руйнуванню теплостійких сталей, а також про стійкість додатнього ефекту ПТН під впливом довготривалого статичного та циклічного навантаження за високої температури.
2. Встановлено, що отримані на зразках великої товщини (до 150 мм) експериментальні дані про вплив різних режимів ПТН на його ефективність не завжди можливо коректно описати з допомогою відомих підходів до оцінки ефективності різних режимів ПТН, наприклад, за допомогою моделі Челла.
3. Встановлено, що в’язке докритичне підростання тріщини під час ПТН не призводить до зниження додатного ефекту ПТН.
4. Встановлено, що під час розвантаження закриття затупленоі тріщини відбувається позаду її вершини, внаслідок чого тріщина лишається затупленою. З цього випливає, що неврахування впливу затуплення вершини тріщини при прогнозуванні “ефекту ПТН” може призвести до значних похибок.
5. Встановлено, що додатній ефект ПТН теплостійких сталей є стійким під впливом експлуатаційних факторів, а саме довготривалого статичного та циклічного навантаження за високої температури.
6. З аналізу проведених експериментальних досліджень було зроблено висновок, що внесок кожного з факторів, що спричиняють додатній ефект ПТН, залежить від конкретного режиму ПТН, властивостей матеріалу та геометрії зразка.
7. Запропоновано фізико-механічну модель, яка пояснює процеси деформування матеріалу, що відбуваються в досліджуваних сталях перед вершиною тріщини під час ПТН і при послідуючому навантаженні. Модель грунтується на оцінці зміни НДС в елементарному об’ємі матеріалу перед вершиною тріщини при температурі ПТН та при температурі руйнування, з урахуванням затуплення вершини тріщини, деформаційного зміцнення матеріалу та кінетики залишкових напружень біля вершини тріщини під час послідуючих після ПТН умовах навантаження.
9. На грунті запропонованої фізико-механічної моделі розроблено методику прогнозування підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після різних режимів ПТН, що базується на комплексній оцінці внеску в “ефект ПТН” таких факторів, як затуплення вершини тріщини, деформаційне зміцнення матеріалу та залишкові напруження біля вершини тріщини після ПТН. Проведене порівняння зроблених згідно розробленої методики розрахунків з отриманими експериментальними даними показало їх задовільний збіг. Це свідчить про те, що методика є придатною як для оцінки додатного ефекту ПТН, так і для оцінки стійкості додатного ефекту ПТН під впливом різних експлуатаційних факторів.
10. Запропоновано методику для розрахунку залишкової довготривкості елементів конструкцій з поверхневими тріщинами після ПТН, що грунтується на концепції ефективного КІН, змінного по фронту тріщини.
Список опублікованих праць за темою дисертації
1. Покровский В.В., Иванченко А.Г. Влияние режимов предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению теплоустойчивых сталей // Пробл. прочности, 1999г., – №2 – с.126-138.
2. Покровский В.В., Ткач Ю.В., Иванченко А.Г. Методика оценки остаточной долговечности элементов конструкций с поверхностными трещиноподобными дефектами. Сообщение 1. Моделирование развития поверхностной усталостной трещины// Пробл. прочности, 1996г. – №1. – С.36-47
3. Pokrovsky V.V., Tkach Yu.V., Ivanchenko A.I. Prediction of fatigue crack propagation under irregular loading//Fatigue Fract. Engng. Mater. 1996. – vol.19, N2-3 P.309-321.
4. Оценка сопротивления реакторных сталей хрупкому разрушению после различных режимов предварительного термомеханического нагружения и устойчивость положительного эффекта тепловой опрессовки/ В.В. Покровский, А.Г.Иванченко, В.Г.Федоров, Ю.Г.Драгунов, М.Ф.Рогов, Г.П.Карзов, Е.Ю.Ривкин, Ю.Л.Коврижкин, В.А.Седнев // Сборник трудов “Пятой Международной Конференции по Конструированию, Производству и Эксплуатации Оборудования Атомных Энергетических Станций”, Санкт-Петербург (Россия), 7-14 июня 1998, – том 2. – С.304-316.
5. Pokrovsky V.V., Ivanchenko A.G., Kovrizhkin Yu.L., Sednev V.A. Methods for estimation and enhancing of resistance of pressure vessel materials to fracture at different stages of service taking into account actual dimensions of the construction // International Symposium “Contribution of materials Investigation to the Resolution of Problems Encountered in Pressurized Water Reactors” Fontevraud IV, Lion, 14-18 September 1998, Proceedings of Symposium, vol.1 – P.61-73.
Іванченко О.Г. “Вплив попереднього термомеханічного навантаження на опір крихкому руйнуванню теплостійких сталей”. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04. – механіка деформівного твердого тіла. Інститут проблем міцності, Київ, 1999.
Проведено експериментальні дослідження впливу експлуатаційних та технологічних факторів на ефективність та стійкість підвищення опору крихкому руйнуванню теплостійких сталей після різних режимів попереднього термо-механічного навантаження (ПТН), а також факторів, що спричиняють цей ефект.
Розроблено методику оцінки ефективності різних режимів ПТН та стійкості ефекту ПТН під впливом різних експлуатаційних факторів, яка грунтується на урахуванні зміни напружено-деформівного стану під час ПТН за рахунок затуплення вершини тріщини, деформаційного зміцнення матеріалу та залишкових напружень біля вершини тріщини.
Розроблено методику розрахунку залишкової довготривкості елементів конструкцій з поверхневими тріщинами після ПТН.
Ключові слова: тріщина, опір крихкому руйнуванню, попереднє термомеханічне навантаження, напружено-деформівний стан, затуплення вершини тріщини, деформаційне зміцнення, залишкові напруження.
Иванченко А.Г. “Влияние предварительного термомеханического нагружения на сопротивление хрупкому разрушению теплоустойчивых сталей”. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04. – механика деформируемого твердого тела. Институт проблем прочности, Киев, 1999.
Проведены эксперименталь бъекта исследования были выбраны теплоустойчивые стали 15Х2МФА и 15Х2НМФА, а также материалы сварных швов 10ХМФТ и 08ХГНМТ после различных режимов термообработки. Данные стали применяются в конструкции корпусов атомных энергетических реакторов типа ВВЭР-440 и ВВЭР-1000. Использовались образцы различных разметов (толщиной 25..150 мм).
Результаты экспериментальных исследований показали, что для образцов всех размеров у всех исследованных сталей после ПТН значительно повысилось сопротивление хрупкому разрушению, однако для описания экспериментальных данных не всегда можно использовать существующие подходы к объяснению ПТН. Данный эффект сохранялся при докритическом подрастании трещины при ПТН.
Исследования формы вершины трещины после ПТН показали, что трещина после ПТН закрывается позади свей вершины, которая при этом остается затупленной.
Было установлено, что положительный эффект ПТН сохраняется под воздействием перечисленных выше эксплуатационных факторов, причем для материалов сварных швов эти воздействия приводят к еще большему повышению сопротивления хрупкому разрушению.
На основании полученных экспериментальных результатов была предложена физико-механическая модель, описывающая процессы у вершины трещины при ПТН, а также при последующем после ПТН нагружении, учитывающая все факторы, определяющие эффективность ПТН, а именно: затупление вершины трещины при ПТН; остаточных напряжения, возникающих при разгрузке; деформационное упрочнение материала перед вершиной трещины.
На основе предложенной физико-механической модели разработана методика прогнозирования повышения сопротивления хрупкому разрушению теплоустойчивых сталей после различных режимов ПТН, позволяющая прогнозировать устойчивость эффекта ПТН под воздействием высокой температуры. Произведенные с помощью разработанной методики расчеты эффекта ПТН и его устойчивости показали удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных.
Помимо этого разработанные физико-механическая модель и методика прогнозирования эффективности ПТН были использованы при разработке методики прогнозирования роста поверхностной усталостной трещины после ПТН, которая позволяет оценивать остаточную долговечность элементов конструкций с поверхностными трещиноподобными дефектами при циклическом нагружении после ПТН.
Ключевые слова: трещина, сопротивление хрупкому разрушению, предварительное термомеханическое нагружение, напряженно-деформированное состояние, затупление вершины трещины, деформационное упрочнение, остаточные напряжения.
Ivanchenko A.G. “Influence of warm prestressing on the resistance to brittle fracture of reactor steels”, – Manuskript.
The thesis presented for a Candidate’s of Sciences Degree in engineering; speciality 01.02.04. – mechanics of deformable bodies. Institute for problems of strength, Kyiv, 1999.
The experimental investigations were conducted to determine the impact operational and technological factors on the effectiveness and durability of increase resistance to brittle fracture of reactor steels after different regimes of warm prestressing (WPS).This impact was investigated as well as factors causing WPS effect.
The evaluation methodology of effectiveness different regimes of WPS and durability of WPS effect under the impact of different factors was developed. To evaluate the WPS different regimes effectiveness and durability of WPS positive effect under the impact of different operational factors the methodology was developed. It is based on changes in stress strain state during WPS including crack tip blunting, strain agening and residual stresses near crack tip.
The methodology was developed to calculate service life of engineering construction with surface cracks after WPS.
Key words: crack, resistance to brittle fracture, warm prestressing, stress strain state, crack tip blunting, strain agening, residual stresses.
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
