Вплив попереднього термомеханічного навантаження на опір крихкому руйнуванню теплостійких сталей - Автореферат

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 вязкого (в умовах, коли матеріал елементу конструкції знаходиться пластичному стані) призводить до значного підвищення опору цього матеріалу 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.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. 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. 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.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. 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. 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.

Основний зміст роботи

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 вязке 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 обємі 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.

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.

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

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.

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.

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.