Граничний стан конструкційних сплавів для надпровідних електромагнітних систем

Аналіз експериментальних даних показав, що в разі суттєвої анізотропії механічних характеристик граничне значення необхідно визначати в напрямку максимальної дії струму, який відповідає напрямку найбільшого значення електричного опору.

Для створення умов безпечної роботи надпровідних електромагнітних систем, граничний стан яких визначається появою залишкових деформацій від додатної дії всіх типів експлуатаційних навантажень значенням не більш 0,2 %, необхідно забезпечити певний запас щодо навантажень проти настання граничного стану. Тому значення розрахункових еквівалентних напружень , взяті з певним регламентованим нормативними документами коефіцієнтом запасу міцності (), не повинні перевищувати напружень, при яких починається залишкова деформація, а саме - граничних напружень. Тобто розрахунок конструктивних елементів електромагнітних систем можна проводити за допустимими напруженнями . При цьому доцільне, а в ряді випадків й необхідне, використання низькотемпературного зміцнення. Так, для надпровідних систем термоядерних реакторів критичні обмеження розмірів, обумовлені особливістю фізичного процесу керованого термоядерного синтезу, і недостатньо високий рівень міцністних характеристик сучасних сталей та сплавів кріогенної техніки вимагають максимального використання НТЗ для забезпечення цілісності конструкції й умов її безпечної експлуатації. Відомі підходи до використання НТЗ для підвищення рівня допустимих напружень можна розділити на дві групи. До першої з них слід віднести методи, за яких для пластичних при кріогенних температурах матеріалів значення приймають рівним або при розрахунковій температурі - тобто НТЗ використовується повністю. Такий підхід пропонується американськими і японськими вченими при конструюванні надпровідної електромагнітної системи реактора ITER, що дозволило б при використанні сучасних сталей забезпечити необхідний запас міцності при розрахункових рівнях . Відповідно методам другої групи, деякі з них вже практично реалізовані, враховують НТЗ у вигляді додатку на зміцнення. В цьому разі враховується лише частина НТЗ. ІЕС, стимулюючи розвиток пластичної деформації, спричиняють зниження рівня граничних напружень. За кріогенних температур весь позитивний ефект НТЗ може бути нейтралізовано дією ІЕС, наприклад, для титанового сплаву 3М за температури 4,2 К . Наведений в роботі розрахунок значень допустимих напружень проведено за допомогою відомих шести методів урахування НТЗ у випадку дії ІЕС базових параметрів при температурі 4,2 К для найбільш перспективної для використання в надпровідних електромагнітних системах сталі 03Х20Н16АГ6. Розрахунок допустимих напружень було виконано по значенню границі плинності, а при дії ІЕС - по значенню напруження початку пластичної течії . Встановлено, що навіть в разі повного використання НТЗ значення допустимих напружень при дії ІЕС менше, ніж величина , визначена при розрахунку напружено-деформованого стану надпровідних електромагнітних систем реактора ІТЕR, яка дорівнює 740 МПа. Тобто, не виконується умова міцності. При використанні методів другої групи значення і без врахування дії ІЕС менше . Оскільки значення і n знижувати не можна ( - внаслідок фізичних особливостей роботи ІТЕR, а n - без зниження рівня безпеки його експлуатації), то необхідно переглянути підхід до визначення . Якщо виконується умова, при якій сумарні напруження не перевищують при робочій температурі, то величину допустимих напружень при розрахунках на міцність сталевих елементів конструкцій ІТЕR, на які діють імпульси електричного струму, можна визначити як

де - значення граничних напружень при розрахунковій температурі 4,2 К і дії ІЕС.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

В дисертації наведено вирішення наукової проблеми оцінки граничного стану конструкційних сплавів при комплексній дії імпульсів електричного струму і кріогенних температур, яке полягає в розробці, на базі принципово нової експериментально обґрунтованої концепції, методології визначення за часткою енергії імпульсу електричного струму напруження, при якому дія імпульсу викликає за температури 4,2 К залишкову деформацію певного рівня, що і характеризує настання граничного стану металевих матеріалів за таких умов. Це дозволило створити методи визначення граничних і допустимих напружень, що забезпечують при розрахунках на міцність конструктивних елементів надпровідних електромагнітних систем обґрунтоване підвищення рівня допустимих напружень.

Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Науково обґрунтовано та експериментально підтверджено нову концепцію оцінки граничного стану конструкційних сплавів при дії імпульсів електричного струму за кріогенних температур, згідно з якою лише частина енергії імпульсу відповідальна за досягнення граничного стану матеріалів.

2. Встановлено, що граничний стан матеріалів в складі конструкції за температури рідкого гелію і дії імпульсів електричного струму наступає при , де - таке граничне напруження, при якому дія імпульсу електричного струму спричиняє появу залишкової деформації регламентованої величини( 0,2 %). Обґрунтовано концептуально новий метод визначення цих напружень за частиною енергії імпульсу електричного струму. Показано, що для матеріалів різних класів значення граничних напружень при дії імпульсів електричного струму на 10,0-40,0 % менше, ніж значення їх границь плинності при аналогічній температурі.

3. Розроблено розрахункову схему визначення допустимих напружень, яка дозволяє максимально використовувати низькотемпературне зміцнення матеріалів при температурі 4,2 К для підвищення рівня допустимих напружень, враховуючи при цьому альтернативний вплив на міцність дії імпульсів електричного струму. Розрахунок допустимих напружень за допомогою запропонованого методу дає можливість підвищувати їх рівень на 25 % порівняно з використанням відомих методів. При цьому зберігається нормований запас міцності щодо досягнення граничного стану й не виконуються умови руйнування.

4. Дослідження кінетики переривчастого пружнопластичного деформування конструкційних сплавів, яке спостерігається при їх охолодженні до температури 4,2 К або при дії

імпульсів електричного струму, при різних режимах навантажування дозволило встановити, що визначальним, як для розвитку переривчастої течії матеріалів, так і для значень їх механічних характеристик, є запас пружної енергії навантажувального пристрою, який може змінюватися при зміненні режиму навантажування. Розроблено метод, який дозволяє отримувати значення стрибка навантаження, спричиненого дією імпульсу електричного струму, інваріантним до режиму навантажування, що дорівнює за значенням стрибку при постійній досить сталій швидкості деформування.

5. Розглянуто вплив імпульсів електричного струму на опір деформуванню конструкційних сплавів в інтервалі температур від 293 К до 4,2 К і виявлено, що зниження температури викликає зміну механізму впливу імпульсів електричного струму від теплового при температурі 293 К до переважно електропластичного при температурі 4,2 К. Це підтверджено вперше отриманими експеримен-тальними результатами про вибірковість дії імпульсів електричного струму за кріогенної температури й оригінальною теоретичною інтерпретацією відомих даних.

6. Встановлено головні закономірності впливу імпульсів електричного струму на механічні характеристики конструкційних сплавів різних класів за умов однорідного й неоднорідного напружених станів, при різних режимах навантажування і попередньому деформуванні. Проведено порівняльний аналіз цих закономірностей при дії струму і без такого в інтервалі температур від 293 К до 4,2 К.

7. Вперше вивчено вплив охолодження до температури рідкого гелію на особливості розвитку руйнування і характеристики тріщиностійкості конструкційних сплавів при дії імпульсів електричного струму. Показано, що для сталей при температурі 4,2 К формування пластичної зони у вершині тріщини відбувається за механізмом переривчастої течії. Імпульси електричного струму стимулюють формування пластичної зони у вершині тріщини граничного розміру і спричиняють старт тріщини при менших рівнях навантажування, а значить і зниження тріщиностійкості.

8. Вперше досліджено вплив імпульсів електричного струму на анізотропію механічних характеристик сталей при кріогенних температурах. Дія імпульсів електричного струму суттєво зменшує анізотропію характеристик міцності та пластичності таких матеріалів, як при лінійному,

так і при плоскому напруженому станах, причому вплив імпульсів найсуттєвіший в напрямку найбільшого значення електричного опору.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ

Прочность материалов и конструкций при криогенных температурах/Стрижало В.А., Филин Н.В., Куранов Б.А., Войтенко А.Ф., Значковский О.Я., Кучер Н.К., Муратов В.М., Новогрудский Л.С., Самарин В.К., Скрипник Ю.Д., Турбаивский А.Т., Чечин Э.В. Киев: Наук. думка, 1988.- 240 с.

Стрижало В.А., Новогрудский Л.С., Воробьев Е.В. Прочность материалов криогенной техники при электромагнитных воздействиях.- Киев: Наук. думка, 1990.- 161 с.

Влияние глубокого охлаждения на трещиностойкость и низкотемпературное упрочнение алюминиевых сплавов/Писаренко Г.С., Стрижало В.А., Значковский О.Я., Новогрудский Л.С.// Проблемы прочности.- 1984.- № 11.- С.27-32.

Новогрудский Л.С., Значковский О.Я., Степаненко В.А. Особенности деформирования и разрушения сталей 12Х18Н10Т и 03Х13АГ19 при воздействии импульсов электрического тока и охлаждении до 4,2 К// Проблемы прочности.- 1985.- № 4.- С. 60-63.

Деформация и разрушение титана в интервале температур 293...4,2 К при наложении сильных магнитных полей/ Воробьев Е.В., Надеждин Г.Н., Новогрудский Л.С., Петров Ю.Н., Свечников В.Л.//Физико-химическая механика материалов.- 1986.- № 2.- С.80-87.

Стрижало В.А., Новогрудский Л.С., Воробьев Е.В. Сопротивление деформированию и разрушению сплавов криогенной техники при мощных электромагнитных воздействиях//Прочность металлов, работающих в условиях низких температур.- М.: Металлургия.- 1987.- С. 139-144.

Писаренко Г.С., Стрижало В.А., Новогрудский Л.С. О сопротивлении металлических материалов пластифицирующему действию импульсов электрического тока// Проблемы прочности.- 1989.- № 7.- С.21-24.

Новогрудский Л.С. Прочность предварительно деформированных сталей при воздействии импульсов электрического тока в условиях криогенных температур//Прочность материалов и конструкций при низких температурах.- Киев: Наук. думка.- 1990.- С.167-172.

Новогрудский Л.С. Прочность сталей при воздействии электрического тока и криогенных температур//Прочность и разрушение сталей при низких температурах.- М.: Металлургия.- 1990.- С. 203-208.

Значковский О.Я., Новогрудский Л.С. Влияние охлаждения до 4,2 К на прочность и трещиностойкость основного металла и сварного шва стали 07Х13Н4АГ20//Проблемы прочности.- 1990.- №9.- С. 45-48.

Значковский О.Я., Новогрудский Л.С. Сопротивление разрушению экономнолегированной стали ОН9 при охлаждении до 4,2 К//Проблемы прочности.- 1990.- № 9.- С.72-75.

Копанев А.А., Воробьев Е.В., Новогрудский Л.С. Универсальная установка для нанесения усталостных трещин//Проблемы прочности.- 1990.- № 9.- С.110-112.

Новогрудский Л.С., Лиманский И.В., Копанев А.А. К методике вычисления работы деформирования при определении характеристик трещиностойкости// Проблемы прочности.- 1990.- № 10.- С.29-32.

Новогрудский Л.С., Копанев А.А. Влияние импульсов электрического тока на особенности развития разрушения стали 03Х20Н16АГ6 при температуре 4,2 К// Проблемы прочности.- 1991.- № 1.- С.45-47.

Конструкционная прочность сталей аустенитного и переходного классов при низких температурах/Войтенко А.Ф., Значковский О.Я., Новогрудский Л.С., Маковецкая И.А., Калашник М.В., Рукавец В.А., Кунаков Я.Н.//Проблемы прочности.- 1993.- № 5.- С.43-50.

Стрижало В.А., Новогрудский Л.С., Копанев А.А. Влияние электрического тока на процесс деформирования в зоне концентратора напряжений// Известия ВУЗов. Черная металлургия.- 1993.- № 8.- С. 44-46.

Стрижало В.А., Воробьев Е.В., Новогрудский Л.С. Влияние предварительного деформирования на прерывистую текучесть материалов при температуре 4,2 К// Проблемы прочности.- 1995.- № 8.- С.12-20.

Стрижало В.А., Новогрудский Л.С. Анизотропия механических характеристик стали при воздействии импульсов электрического тока и криогенных температур//Проблемы прочности.- 1995.- № 10.- С.42-48.

Значковский О.Я., Новогрудский Л.С. Прочность и трещиностойкость хромоникельмарганцевой стали 03Х19АГ3Н10 в интервале температур 293...4,2К // Проблемы прочности.- 1997.- № 3.- С.90-95.

Стрижало В.А., Новогрудский Л.С. Определение энергии электропластической деформации //Проблемы прочности.- 1997.- № 4.- С.38-43.

АНОТАЦІЇ

Новогрудський Л.С. Граничний стан конструкційних сплавів для надпровідних електромагнітних систем. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.02.09 - динаміка та міцність машин (технічні науки).- Інститут проблем міцності НАН України, Київ, 2001.

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення на основі енергетичного підходу наукової проблеми визначення граничного стану конструкційних сплавів при дії імпульсів електричного струму і криогенних температур. Обґрунтовано і експериментально підтверджено концепцію, згідно якої частина енергії імпульсу електричного струму, що стимулює досягнення граничного стану металу в таких умовах, визначається за його здатністю опиратися дії імпульсу електричного струму. Аналіз умов експлуатації конструктивних елементів надпровідних електромагнітних систем і виявлених особливостей деформування і руйнування сплавів при дії імпульсів струму дозволив встановити критерії оцінки їх граничного стану та сформулювати головні положення методології визначення таких критеріїв. Отримано розрахункові співвідношення, за допомогою яких по частці енергії імпульсу електричного струму визначаються значення характеристик граничного стану металевих матеріалів. Запропоновано й обґрунтовано параметр, що характеризує здатність матеріалу опиратися дії імпульсу електричного струму за кріогенних температур. Розроблено розрахункову схему визначення допустимих напружень, що дозволяє в найбільшій мірі використовувати низькотемпературне зміцнення металів і забезпечити при цьому необхідний запас міцності проти настання граничного стану при дії імпульсів електричного струму. Встановлено головні закономірності зміни опору деформуванню і руйнуванню, характеристик міцності, пластичності і тріщиностійкості конструкційних сплавів різних класів за дії імпульсів електричного струму при криогенних температурах.

Граничний стан, імпульс електричного струму, кріогенні температури, допустимі напруження.

Новогрудский Л.С. Предельное состояние конструкционных сплавов для сверхпроводящих электромагнитных систем. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.02.09 - динамика и прочность машин (технические науки).- Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, 2001.

В диссертации представлено теоретическое обобщение и основанное на энергетическом подходе новое решение научной проблемы определения предельного состояния конструкционных сплавов при действии импульсов электрического тока и криогенных температур. Обоснована и экспериментально подтверждена концепция, согласно которой часть энергии импульса, стимулирующая достижение предельного состояния металла в таких условиях, определяется его способностью сопротивляться действию электрического тока. На основании анализа условий эксплуатации конструктивных элементов сверхпроводящих электромагнитных систем и выявленных особенностей деформирования и разрушения сплавов в таких условиях установлены критерии оценки предельного состояния и сформулированы основные положения методологии их определения. Получены расчетные соотношения, с помощью которых по части энергии импульса электрического тока определяются значения характеристик предельного состояния металлических материалов в указанных условиях. Предложены и обоснованы параметр, характеризующий способность материала сопротивляться действию импульса электрического тока при криогенных температурах, и методика определения его значения при различных режимах нагружения. Разработана расчетная схема определения допускаемых напряжений, позволяющая в максимальной мере использовать низкотемпературное упрочнение металлов, обеспечивая при этом необходимый запас прочности против наступления предельного состояния при действии импульсов электрического тока. Установлены основные закономерности изменения сопротивления деформированию и разрушению, характеристик прочности, пластичности и трещиностойкости конструкционных сплавов различных классов при действии импульсов электрического тока и криогенных температурах.

Предельное состояние, импульс электрического тока, криогенные температуры, допускаемые напряжения.

Novogrudskii L.S. Ultimate State of Engineering Alloys for Super-Conducting Electromagnetic Systems. - Manuscript.

Dissertation for the doctor degree in the speciality 05.02.09 - dynamics and strength of machines (technical sciences).-Institute for Problems of Strength of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2001.

The thesis presents a theoretical generalization and a new energy-approach-based solution of the scientific problem of the determination of the ultimate state of engineering alloys exposed to the action of electric current pulses and cryogenic temperatures. The author has substantiated and confirmed experimentally a concept according to which a part of the pulse energy, which stimulates attaining the ultimate state in a metal under the above conditions, is defined by the ability of the metal to resist the action of the electric current. On the basis of analysis of the service conditions of structural elements of super-conducting electromagnetic systems and established peculiarities of deformation and fracture of the alloys under such conditions, the criteria of the evaluation of the ultimate state have been determined and the main postulates of the methodology of their determination have been formulated. Calculation relationships have been obtained whereby it is possible to determine the values of the ultimate state characteristics for metallic materials under the aforementioned conditions. A parameter that characterizes

the ability of the material to resist the action of an electric current pulse at cryogenic temperatures and a method to determine its value under various loading conditions have been proposed and justified. A computational scheme of determining allowable stresses has been devised that allows one to make the most use of the low-temperature hardening of metals and, at the same time, to provide the required safety margin against the occurrence of the ultimate state under the action of electric current pulses. The main regularities in the variation of the resistance to deformation and fracture and characteristics of strength, plasticity, and fracture toughness have been established for engineering alloys of various classes under the action of electric current pulses and cryogenic temperatures.

Ultimate state, electric current pulse, cryogenic temperatures, allowable stresses.

Размещено на Allbest.ru