Зародження та розповсюдження тріщин у концентраторі напружень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.02.09 - Динаміка та міцність машин

ЗАРОДЖЕННЯ ТА РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ТРІЩИН У КОНЦЕНТРАТОРІ НАПРУЖЕНЬ

Виконав Кондряков Євген Олександрович

КИЇВ 2009

АНОТАЦІЇ

Кондряков Є.О. Зародження та розповсюдження тріщин у концентраторі напружень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 - динаміка та міцність машин. - Інститут проблем міцності ім. Г. С. Писаренка НАН України, Київ, 2009.

Розроблено інструментований вертикальний копер та систему високошвидкісної реєстрації параметрів навантаження для проведення ударних випробувань зразків Шарпі.

Для вуглецевих та теплостійкої сталей на основі отриманих діаграм зусилля P - час t визначено залежності повної енергії деформування і руйнування та її складових від температури випробування за різних швидкостей навантаження. Визначено середні швидкості розповсюдження в'язкої та квазікрихкої тріщин у зразках Шарпі в діапазоні температур випробування -150 …+200°С.

Побудовано розрахункову схему та розроблено методику чисельного моделювання ударних випробувань зразків Шарпі з використанням моделі GTN. Визначено параметри моделі GTN зі спеціальних експериментів на розтяг та ударний згин.

Уточнено оцінки швидкості деформації та деформаційного розігріву матеріалу при ударних випробуваннях за рахунок урахування пошкоджуваності матеріалу в локальній області у концентратора напружень. Показано, що максимальна величина розігріву матеріалу суттєво знижується при урахуванні розповсюдження тепла та пошкоджуваності матеріалу. Визначено величину та характер швидкості розповсюдження тріщини в зразку Шарпі.

Розроблені методики розрахунку та моделі матеріалів із параметрами, визначеними на зразках Шарпі, було використано для розрахунку розповсюдження та зупинки тріщини у стінці КР при термошоці.

Ключові слова: зразок Шарпі, інструментований копер, температура в'язко-крихкого переходу, швидкість тріщини, модель пошкоджуваності Гарсона-Твергарда-Нідлмана, розповсюдження та зупинка тріщини, енергія руйнування.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

шарпі тріщина сталь деформативний

Актуальність теми. У ряді галузей сучасної техніки особливо відповідальні конструктивні елементи, наприклад корпуси реакторів (КР) АЕС, розраховують на міцність з урахуванням можливих тріщин. Традиційний підхід при розрахунках - це недопущення ініціювання тріщин. Врахування розповсюдження та зупинки тріщин може допомогти виявити додаткові резерви міцності, особливо при вирішенні питань продовження терміну експлуатації конструкцій. Але незважаючи на такий підхід, відзначений навіть у нормативних документах ряду країн, зокрема США, Франції, Чехії, методики розрахунку та критерії розповсюдження і зупинки тріщин залишаються дискусійними й актуальними питаннями до теперішнього часу.

Зазвичай при розрахунках як ініціювання тріщин, так і їх розповсюдження та зупинки використовують критерії з традиційними (класичними) для механіки руйнування параметрами - коефіцієнтом інтенсивності напружень, J-інтегралом, розкриттям тріщини та відповідними характеристиками тріщиностійкості матеріалу К_IС, J_IС, _IС.

Разом із тим розвиток обчислювальної техніки і чисельних методів розрахунку дозволяє проводити моделювання процесів деформування та руйнування матеріалів із достатньо високим просторовим розрізненням (1…100 мкм у вершини тріщини) з урахуванням складної історії (нестаціонарності, немонотонності) термомеханічного навантаження і розглядом локальних процесів у вершині тріщини, зокрема в області суттєвих пластичних деформацій. У зв'язку з цим виникли протиріччя між більш повним використанням можливостей сучасних чисельних методів розрахунку та застосуванням традиційних глобальних критеріїв руйнування. Одним із виходів із цього становища стало застосування локальних критеріїв руйнування, серед яких достатнє розповсюдження отримала модель Гарсона-Твергарда-Нідлмана (GTN).

Але поки що дискусійними залишаються питання коректного визначення параметрів таких критеріїв за результатами випробувань зразків та їх подальшого використання з точки зору адекватності опису процесів деформування і руйнування металу в локальних областях конструктивних елементів, що розраховуються. Методики визначення параметрів локальних критеріїв руйнування у даний час продовжують розвиватись та вдосконалюватись.

Одними з найбільш розповсюджених є випробування зразків Шарпі при ударному навантаженні. Інформативність таких випробувань можна підвищити шляхом застосування сучасних методик та високошвидкісних систем реєстрації і таким чином отримати додаткові можливості для дослідження процесів зародження та розповсюдження тріщин, визначення параметрів таких моделей, як GTN. Таким чином, вивчення зародження та розповсюдження тріщин при ударному навантаженні сталей є актуальною задачею.

Зв'язок із науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відділі чисельних і експериментальних методів дослідження конструкційної міцності в рамках бюджетної теми 1.3.4.409 «Чисельне моделювання напружено-деформованого стану конструкційних елементів обладнання різних галузей техніки з урахуванням тріщин та розробка критеріїв граничного стану» за постановою Бюро ВМ НАН України від 17.02.04 р., протокол №1; бюджетної теми ЦП-9 (Державний Реєстраційний Номер 0107U000723) «Розрахунково-експериментальне визначення граничного стану конструкційних елементів з дефектами при термосиловому навантаженні» в рамках цільової програми наукових досліджень НАН України «Розробка фундаментальних проблем механіки суцільного середовища та механіки машин за пріоритетними напрямками національної економіки» за постановою Бюро ВМ НАН України від 14.12.2006 р., протокол №5; у рамках Державної програми фундаментальних і прикладних досліджень з проблем використання ядерних матеріалів та ядерних і радіаційних технологій у сфері розвитку галузей економіки на 2004-2010 роки відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 08.09.04 № 1165 - НДР К-124 «Розробка методик та засобів для систем моніторингу напруженості та визначення пошкодження металу корпусів реакторів та інших відповідальних конструкційних елементів I контуру АЕС в процесі експлуатації» (Державний Реєстраційний Номер 0104U009612), НДР К-3-332 «Експериментально-розрахункове визначення впливу розповсюдження тріщини під час термошоку на конструкційну цілісність корпусів реакторів АЕС з ВВЕР» (Державний Реєстраційний Номер 0107U005367), НДР К-3-334 «Визначення деградації теплостійких сталей I контуру АЕС з використанням інструментованих методів випробувань на твердість та ударну в'язкість» (Державний Реєстраційний Номер 0107U005368); НДР молодих вчених НАН України “Напружено-деформований стан та міцність товстостінних оболонок при динамічному навантаженні” (Постанова Президії НАН України від 06.04.2005р. №66 та розпорядження Президії НАН України №231 від 14.04.2005р.)

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є отримання нових даних та закономірностей поведінки вуглецевих та теплостійкої сталей при ініціюванні, розповсюдженні і зупинці тріщин під час ударного навантаження.

Для досягнення мети було поставлено і вирішено наступні задачі:

· розробити методики та обладнання для проведення ударних випробувань зразків Шарпі, реєстрації й обробки їх результатів, суттєво підвищити їх інформативність;

· побудувати розрахункові схеми чисельного моделювання розповсюдження тріщин у зразках Шарпі та корпусі реактору при термошоці з використанням локального критерію руйнування - моделі GTN;

· провести експериментально-розрахункове дослідження ініціювання, розповсюдження та зупинки тріщин у зразках Шарпі. Визначити енергетичні характеристики, швидкості розповсюдження тріщин та параметри моделі GTN для вуглецевих і теплостійкої сталей;

· провести аналіз розповсюдження та зупинки тріщин у відповідальному елементі АЕС - КР при термошоці з використанням моделі GTN.

Об'єкт дослідження - зразки Шарпі з V-подібним концентратором, зразки Шарпі з попередньо вирощеною тріщиною втоми, стінка КР АЕС із тріщиною.

Предмет дослідження - зародження та розповсюдження тріщин у вуглецевих та теплостійкої сталях, напружено-деформований стан у вершині концентратора (тріщини) в зразках Шарпі та стінці КР.

Методи дослідження - експериментальні та чисельні методи дослідження зародження і розповсюдження тріщин при ударному навантаженні.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

· отримано експериментальні температурні залежності складових енергії руйнування - енергії зародження тріщини, енергії крихкого та в'язкого руйнування вуглецевих та теплостійкої сталей в діапазоні температур Т = -150…+200 °С при швидкостях навантаження V = 1 … 5 м/с;

· вперше для сталей 45, Ст.3 та 15Х2НМФА експериментально визначено температурні залежності середньої швидкості розповсюдження тріщини в зразках Шарпі при ударних випробуваннях;

· за результатами ударних випробувань розраховано характеристики тріщиностійкості - J-R криві сталей 45 та 15Х2НМФА;

· отримано оцінки швидкості деформації і зміни температури металу у вершині надрізу та при розповсюдженні тріщини з урахуванням пошкоджуваності. Показано суттєвий вплив врахування розповсюдження тепла та пошкоджуваності матеріалу на розрахункове значення максимального розігріву металу у вершині концентратора в зразку Шарпі;

· запропоновано експериментально-розрахункову процедуру визначення параметрів моделі GTN, які відповідальні за кінцеву стадію руйнування матеріалу, що дозволило більш коректно розраховувати процеси розповсюдження та зупинки тріщин;

· визначено загальні закономірності розповсюдження тріщини в зразках Шарпі при ударному навантаженні та в стінці корпусу реактора при термошоці при чисельному моделюванні з використанням моделі GTN;

· установлено додаткову умову зупинки тріщини в області контакту ударника зі зразком, яка пов'язана зі значним розігрівом металу під час деформування.

Достовірність отриманих результатів забезпечується використанням сучасного експериментального обладнання, проведеними оцінками точності методів та схем розрахунків процесів деформування та руйнування сталей при ударному навантаженні, порівнянням і задовільною відповідністю між результатами чисельного моделювання й отриманими експериментальними даними та даними інших досліджень.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що розроблені методики випробувань та обладнання можуть бути використані для отримання нових даних щодо поведінки матеріалів, методики та розрахункові моделі - для чисельного моделювання процесів розповсюдження тріщин у відповідальних конструктивних елементах.

Розроблені методики та отримані результати щодо розповсюдження тріщин можуть бути використані для вдосконалення нормативних документів, а також для виявлення додаткових резервів міцності відповідального обладнання.

Результати роботи були використані в ВП «Науково-технічний центр» ДП НАЕК «Енергоатом» при розробці пропозицій, технічних умов для удосконалення розрахункової та експериментальної бази з метою забезпечення подальших робіт з обґрунтування цілісності і безпечної експлуатації обладнання АЕС.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно. Вибір теми та формулювання завдань дослідження виконано спільно з науковим керівником. У друкованих працях, написаних у співавторстві, автору належить:

- проектування та введення в експлуатацію інструментованого вертикального копра, проведення експериментальної апробації системи високошвидкісної реєстрації параметрів навантаження при ударних випробуваннях зразків Шарпі [1,2,4, 9, 10, 11, 12];

- проведення розрахунків повної енергії деформування та руйнування, а також її складових для вуглецевих сталей за результатами ударних випробувань зразків Шарпі; аналіз впливу швидкості навантаження на залежності енергій від температури [5];

- розрахунок енергій деформування і руйнування матеріалів, а також її складових для вуглецевих сталей та теплостійкої сталі 15Х2НМФА за результатами ударних випробувань; розрахунок швидкості розповсюдження тріщини в зразках Шарпі [8, 13];

- проведення чисельного моделювання ударних випробувань зразків Шарпі, аналіз впливу розповсюдження тепла і пошкоджуваності матеріалу на величину максимальної температури в вершині концентратора зразка Шарпі та в області контакту ударника зі зразком [3, 11, 12];

- чисельне моделювання розповсюдження та зупинки тріщини в корпусі реактора при термошоці за допомогою моделі GTN, визначення характеру зміни швидкості росту тріщини [7].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародній конференції «Конструкційна міцність матеріалів і ресурс устаткування АЕС» (РЕСУРС-2003) (Київ, 2003); Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми динаміки та міцності в газотурбобудуванні» (Київ, 2004); Міжнародній науково-технічній конференції «Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій» (Київ, 2005); Першій Україно-Угорській конференції «Safety-Reliability and Risk of Engineering Plants and Components» (Мішкольц, Угорщина, 2006); Другій Угорсько-Українській конференції «Безпека, міцність і ризик промислових підприємств та обладнання» (Київ, Україна, 2007); Міжнародній конференції молодих вчених та спеціалістів (С.-Петербург, Росія, 2006); спільній Угорсько-Україно-Болгарській конференції «Safety-Reliability and Risk of Engineering Plants and Components» (Варна, Болгарія, 2008); на наукових семінарах Інституту проблем міцності ім. Г.С. Писаренка НАН України.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено наукову новизну та практичну значимість отриманих результатів, визначено мету роботи та основні напрямки її досягнення.

У першому розділі представлено огляд літературних джерел по темі дисертації. Значний вклад у вивчення поведінки матеріалів при динамічному навантаженні, дослідження розповсюдження тріщини внесли вітчизняні та зарубіжні вчені: К. Валлин, Е. Ван Валле, С. Воденічаров, Т. Кобаяши, А.Я. Красовський, А.Л. Майстренко, Н. М. Махутов, А. Піно, С. Седмак, В. Сервер, Г.В. Степанов, Ф. Тіппінг, Х. Шиндлер. Показано, що для експериментальних досліджень процесів деформування та руйнування сталей при ударному навантаженні широко використовуються копри, в тому числі інструментовані копри з можливістю реєстрації змін у часі деформацій та зусиль. Для отримання більшої кількості інформації з експерименту потрібні сучасні високошвидкісні цифрові системи реєстрації, які дозволяють побудувати повну діаграму руйнування з великим розрізненням.

Проаналізовано літературні дані щодо різних способів визначення енергії деформування і руйнування та розділення її на складові частини, швидкості розповсюдження тріщин у сталях, розрахунку тріщиностійкості за результатами ударних випробувань, оцінки швидкості деформування та зміни температури в матеріалі з урахуванням пошкоджуваності і розподілу тепла. Розглянуто закономірності ініціювання, розповсюдження та зупинки тріщини в сталях.

При чисельному моделюванні процесів деформування та руйнування матеріалів і конструктивних елементів останнім часом все більше використовуються локальні критерії руйнування. Одним із найбільш уживаних серед них є модель пошкоджуваності матеріалу GTN. Ця модель матеріалу використовувалась у роботах Г. Бернауера, Н. Бонори, А. Еберле, А. Нідлмана, С. Седмака, В. Твергарда та ін. Багато уваги приділяється методам визначення параметрів таких моделей та аналізу адекватності отриманих з їх використанням результатів розрахунків конструктивних елементів, але питання коректного вибору параметрів, особливо тих, які визначають процес заключної стадії руйнування, потребує додаткових досліджень.

На основі аналізу літературних даних і було сформульовано мету роботи та задачі, що потребують роз'вязання для її досягнення.

У другому розділі описано експериментальну методику та випробувальну установку, які були розроблені для дослідження деформування і руйнування сталей, зародження та розповсюдження тріщини під час ударного навантаження зразків Шарпі.

При створенні інструментованого вертикального копра було розроблено конструкції ударника, опор і амортизаторів для поглинання енергії, яка залишається в системі після руйнування зразка; багатоканальна система високошвидкісної реєстрації деформації і зусиль системи ударник - зразок - опори.

На приведено схему реєстрації даних при випробуваннях із використанням такої системи. Інформація про зусилля на ножі та деформації у вершині надрізу зразка Шарпі через блок підсилення, плату аналого-цифрового перетворювача (АЦП) подається в персональний комп'ютер для подальшого зберігання, обробки й аналізу. Для підсилення сигналів тензорезисторів було розроблено швидкодіючий підсилювач. Описано методики статичного та динамічного тарування тензодатчиків при ударних випробуваннях. Проведено зіставлення коефіцієнтів статичного та динамічного тарування і отримано добру відповідність.

Розроблено ефективні системи нагріву та охолодження зразка Шарпі безпосередньо на опорах вертикального копра, що дозволяє проводити випробування в діапазоні температур Т = -150…350 °С.

Для випробувань використовувались стандартні зразки Шарпі (10х10х55) та зразки Шарпі з вирощеною тріщиною втоми (PCCV). Випробування проводились при швидкостях навантаження від 1 до 5 м/с і температурах від -150 до 200°С. Досліджувались вуглецеві сталі (Ст.3 та 45) і теплостійка сталь 15Х2НМФА, яка використовується в атомній енергетиці.

Описано методику попереднього вирощення тріщин втоми в зразках Шарпі з V-подібним надрізом. Вирощення тріщини втоми проводили на електродинамічному стенді ВЕДС-400А.

Описано методику проведення випробувань на інструментованому вертикальному копрі з реєстрацією зміни в часі зусиль та визначенням характерних значень зусиль та енергій.

У третьому розділі представлено результати експериментальних досліджень.

У результаті серії ударних випробувань зразків Шарпі зі сталей Ст.3, 45 та 15Х2НМФА зі швидкостями навантаження V = 1…5 м/с в діапазоні температур Т = -150…+200°С було отримано діаграми зусиллячас. Ці діаграми було використано для визначення енергії, яка витрачається на деформування та руйнування зразка. Окрім повної енергії визначались її складові: енергія зародження тріщини Е_і, енергія в'язкого руйнування Е_d, яка складається з енергії підростання тріщини і енергії долому, та енергії крихкого руйнування E_b ().

Розглядались два способи визначення енергії деформування і руйнування та її складових. Перший спосіб запропоновано в стандарті ISO 14556. Але даний спосіб достатньо трудомісткий. Тому обчислення значень енергій проводилось іншим способом, який був запропонований Бакши.

Для обчислення роботи на відрізку часу від t₁ до t₂ необхідно визначити запас кількості руху до початку інтервалу часу t₁ та змінення Дq на цьому інтервалі.

Висока чутливість системи реєстрації дозволяє розтягнути масштаб сигналу за часом в областях різких змін зусилля, зокрема в області розповсюдження тріщини з високою швидкістю при крихкому руйнуванні (). Це дає можливість із достатньою точністю оцінити енергію E_b та середню швидкість розповсюдження тріщини V_b при крихкому руйнуванні.

Було проведено оцінку впливу інерційних зусиль, що виникли внаслідок контакту ударника зі зразком. Дослідження показали, що інерційні зусилля діють на початковому етапі навантаження і на основну частину діаграми, в тому числі на максимальне зусилля, не впливають.

Побудовано залежності повної енергії деформування і руйнування та її складових від температури випробування для вуглецевих та теплостійкої сталей при швидкостях навантаження V = 1 … 5 м/с ( и 4). Показано, що на нижньому шельфі такої залежності визначальний вклад у загальну енергію вносить енергія зародження тріщини, а на верхньому шельфі - енергія в'язкого руйнування при розповсюдженні тріщини, яка складає 60…70% загальної енергії руйнування. Енергія, яка витрачається на крихке руйнування E_b, не перевищує 2 Дж і практично не залежить від температури випробування.

Отримані результати зіставлялися з результатами іспанських авторів (С. Галло та ін.), які були отримані для корабельної сталі. Характер розподілення енергій та співвідношення складових повної енергії подібні.

Аналіз впливу швидкості навантаження на залежності повної енергії деформування і руйнування та її складових від температури показав, що, наприклад, для сталі 45 не спостерігається чутливості енергії до зміни швидкості навантаження в області в'язкокрихкого переходу (ВКП). В області верхнього шельфу енергія зародження тріщини також залишається практично незмінною з ростом швидкості удару, тоді як енергія в'язкого руйнування суттєво зростає (до 50%).

Для розрахунку питомої енергії деформування та руйнування стандартних зразків Шарпі та зразків PCCV за результатами металографічних досліджень визначались площі поверхонь зломів. На верхньому шельфі для стандартних зразків Шарпі енергія має більш високі значення. Це пов'язано з великими енергетичними затратами на зародження тріщини. А значення питомої енергії в'язкого руйнування при розповсюдженні тріщини для стандартних зразків та зразків PCCV лежать приблизно на одному рівні.

При цьому за результатами фрактографічних досліджень поверхонь зломів зразків Шарпі визначались характерні зони в'язкого та крихкого руйнування та оцінювалось змінення довжини в'язкої або крихкої тріщини ДL. Для визначення часу розповсюдження тріщини Дt використовувались характерні ділянки діаграми зусилля P від часу t. Таким чином за експериментальними даними було оцінено середні швидкості розповсюдження в'язкої та крихкої тріщин у зразках Шарпі для усіх досліджуваних сталей при різних швидкостях навантаження і температурах.

Встановлено, що на нижньому шельфі швидкість крихкої тріщини складає V_b = 300 … 600 м/с, а в області ВКП швидкість квазікрихкої тріщини знижується з підвищенням температури випробування від 300 до 50 м/с (). Швидкість розповсюдження в'язкої тріщини V_d змінюється в діапазоні від 1 до 10 м/с для усіх досліджуваних сталей.

Для визначення параметрів тріщиностійкості, в тому числі побудови J-R кривих, було проведено аналіз різних методик. По виду діаграми зусилля-час визначався тип руйнування (I-IV), для кожного з яких використовувалась особлива методика обчислення параметрів тріщиностійкості. Обробка експериментальних даних показала, що J-R криві, які було отримано за допомогою різних методик, добре збігаються, але найбільш простим та зручним є трипараметричний аналітичний підхід, запропонований Х. Шиндлером.

У четвертому розділі представлено методику та результати чисельного моделювання розповсюдження та зупинки тріщини при ударних випробуваннях зразків Шарпі, а також у стінці КР при термошоці.

Розрахунки проводились із використанням програмних комплексів, які основані на методі скінченних елементів. Для оцінки точності результатів чисельного моделювання ударних випробувань було розглянуто два варіанти скінченноелементного розбиття з розмірами елементів вздовж фронту розповсюдження тріщини: 20 і 50 мкм. Відмінність отриманих результатів склала менш ніж 2 %. Тому для подальших розрахунків було обрано розрахункову схему з розміром скінченних елементів 50 мкм, що дозволило скоротити час розрахунків.

У розрахунках використовувалась модель пошкоджуваності матеріалу GTN, яка описує поведінку пористого матеріалу та враховує як утворення і ріст пор, так і механізм в'язкого руйнування, викликаний злиттям пор. Модель включає в себе дев'ять параметрів. За початок руйнування та втрату несучої здатності конструкції відповідають параметри f_c і f_F, де f_c - критичне значення об'єму пор, за якого в даному елементарному об'ємі матеріалу починається злиття пор; f_F - критичне значення об'єму пор, за якого даний елементарний об'єм матеріалу повністю втрачає несучу здатність.

Параметри моделі GTN визначались за діаграмами деформування, отриманими при випробуваннях гладких зразків та зразків з концентраторами на одновісний розтяг. Окрім того, було проведено аналіз впливу параметрів моделі на вид розрахункової кривої деформування. Отримані результати показали, що параметри f_c и f_F, які відповідають за процес зародження та розповсюдження тріщини, можуть бути коректно визначені тільки за результатами чисельного моделювання ударних випробувань зразків Шарпі шляхом зіставлення ділянок розрахункових діаграм зусилля P - час t, які відповідають розповсюдженню тріщини, з експериментальними діаграмами. Вибираючи різні значення параметрів f_c и f_F, було показано можливість моделювання процесів як в'язкого, так і квазікрихкого руйнування матеріалу.

За результатами чисельного моделювання ударних випробувань було вибрано три варіанти значень параметрів f_c и f_F, за яких розрахункові діаграми P(t) відповідають експериментальним діаграмам, що відносяться до областей нижнього шельфу, ВКП та верхнього шельфу.

Було проведено аналіз впливу пошкоджуваності на напружено деформований стан у вершині надрізу на прикладі сталі 45. Результати показали, що врахування пошкоджуваності призводить до зниження напружень на 300…400 МПа у вершині надрізу та підвищенню деформацій (до 150 %). При цьому, за виключенням локальної області у надрізу, характер розподілення напружень та деформацій у центральному перерізі практично не змінюється.

Описано методику чисельного моделювання ударних випробувань з урахуванням розігріву матеріалу. Підвищення температури визначалось в адіабатичному наближенні та з урахуванням розповсюдження тепла.

Результати розрахунків показали, що суттєвий розігрів металу (до кількох сотень градусів) спостерігається в областях інтенсивного пластичного деформування - у надрізу та в зоні контакту ножа зі зразком.

При розрахунках зі швидкістю навантаження зразка V=5м/с у випадку припущення відносно адіабатичного характеру процесу деформування та без врахування пошкоджуваності матеріалу максимальна температура у вершині надрізу досягає T = 240С при t = 0,5мс та T = 480°С при t = 1мс. Врахування розповсюдження тепла суттєво (до 30%) знижує максимальну температуру розігріву, але такий вплив виявляється у невеликий області приблизно 0,07 мм (). Зі зниженням швидкості навантаження ця область розширюється - до 0,125 мм при V=1м/с, а зниження максимальної температури сягає 50%.

Врахування пошкоджуваності матеріалу та розвиток тріщини також призводять до суттєвого зменшення (до рівня 40…60С) максимальної величини розігріву у вершині концентратора. Наприклад, у момент часу t=0.5мс температура у вершині тріщини складає T = 60C, а без урахування пошкоджуваності - T = 160C у вершині надрізу для випадку деформування зразка зі сталі 45 при швидкості навантаження 5 м/с. При цьому розмір області відчутного розігріву попереду тріщини складає приблизно 0,1 мм.

Для перевірки припущення, що підвищення температури в зоні контакту ножа зі зразком, поряд зі зміною жорсткості напруженого стану, може слугувати причиною зміни характеру руйнування матеріалу, що спостерігається при випробуваннях - від крихкого руйнування до уповільнення розповсюдження або зупинки тріщини та в'язкого долому зразка, було проведено додаткові розрахунки. У зразку в зоні контакту з ударником було задано область із властивостями матеріалу, які відповідають більш високій температурі (внаслідок деформаційного розігріву), ніж температура випробувань, шляхом зміни параметрів f_c и f_F моделі пошкоджуваності GTN. Розрахунки показали, що за таких умов відбувається уповільнення та зупинка тріщини при досягненні області в'язкого матеріалу.

Проведено аналіз кінетики НДС при розповсюдженні тріщини у зразку Шарпі на прикладі сталі 15Х2НМФА. Результати розрахунків показали, що на момент початку росту тріщини максимальне значення розтягуючих напружень збільшується несуттєво - приблизно на 200 МПа. Після росту тріщини величина та характер розподілу напружень у центральному перерізі практично не змінюються. Відбувається тільки невелике зміщення (на 0.15 мм) максимального значення напруження. Деформації у вершині надрізу (тріщини) зменшуються з ростом тріщини, швидкості деформацій також зменшуються з 1700 до 200 с^-1.

Описано методику визначення швидкості розповсюдження тріщини при чисельному моделюванні ударних випробувань зразків Шарпі. Розрахунки проводились для трьох варіантів параметрів f_c и f_F, які були отримані раніше. Встановлено характерні особливості (стадії) процесу розповсюдження тріщини. Отримані значення середніх швидкостей збігаються з експериментальними результатами для трьох характерних випадків - на нижньому та верхньому шельфі температурної залежності тріщиностійкості, а також в зоні ВКП.

На основі отриманих результатів при дослідженні розповсюдження тріщин в зразках Шарпі було розроблено методику чисельного моделювання ініціювання, розповсюдження і зупинки тріщин у відповідальному конструктивному елементі обладнання АЕС - стінці КР при термошоці з використанням моделі пошкоджуваності GTN. Чисельне моделювання проводилось у зв'язаній термомеханічній постановці для вісесиметричної розрахункової схеми. У розрахунку використовувались ті ж значення параметрів моделі GTN, що і при аналізі руйнування зразків Шарпі. На внутрішній стінці КР товщиною 200 мм було задано кільцеву тріщину довжиною L_тр = 25мм у вигляді математичного розрізу. Для оцінки точності результатів чисельного моделювання було проведено розрахунки з мінімальними розмірами елементів 400 і 200 мкм у вершині тріщини та вздовж лінії її розповсюдження. Зіставлення результатів розрахунків показало добру відповідність, тому для скорочення часу розрахунків було обрано розрахункову схему з мінімальним розміром елементів 400 мкм.

У випадку f_с=0.00205 відбувається ініціювання тріщини та її розповсюдження по всій товщині стінки. При цьому спочатку відбувається повільний підріст тріщини (на не приведено), а потім її швидкість різко зростає, досягаючи значення V_тр = 1200 м/с, після цього знижується та установлюється на рівні V_тр = 100…300 м/с (). Характер зміни швидкості подібний до того, який спостерігається при моделюванні ударних випробувань зразків Шарпі. Встановлено, що при максимальній швидкості розповсюдження тріщини швидкість деформацій сягає значення = 10⁵ с^-1, а потім встановлюється на рівні = 1000…2000 с^-1.

Для оцінки можливості зупинки тріщини при зміні в'язкості руйнування матеріалу по товщині стінки значення f_с було прийнято рівним 0.06 (на основі результатів випробувань зразків Шарпі) в області, розташованій у зовнішній поверхні стінки КР розміром 50 і 125 мм. Зупинка тріщини відбувається при досягненні області більш в'язкого матеріалу, навіть у випадку її високої швидкості розповсюдження.

Отриманий розподіл швидкостей тріщин було зіставлено з експериментальними результатами французьких вчених (S. Marie, B. Prabel - Eng. Fract. Mech. - 2008. - Vol. 75, №10. - P. 2984-3009), які при випробуваннях дисків із тріщиною в умовах термошоку також отримали ділянки різкого зростання швидкості тріщини (до V_тр = 800 м/с) з її наступним падінням до V_тр = 200…300 м/с, подальшим розподілом із приблизно постійною швидкістю та зупинкою при досягненні області більш в'язкого матеріалу.

Таким чином, показано, що розроблену методику чисельного моделювання можна використати для розрахунків елементів конструкцій.

ВИСНОВКИ

За допомогою розроблених експериментальних та чисельних методик досліджень отримано нові дані і закономірності поведінки вуглецевих та теплостійкої сталей при зародженні, розповсюдженні і зупинці тріщин при ударному навантаженні.

1. Розроблено інструментований вертикальний копер із системою високошвидкісної реєстрації інформації та методики проведення і обробки результатів експериментів на зразках з V-подібним надрізом (Шарпі) і тріщиною (PCCV) у широкому діапазоні температур при різних швидкостях ударного навантаження.

2. Побудовано розрахункові моделі деформування та руйнування зразків Шарпі при ударних випробуваннях з урахуванням локальної пошкоджуваності матеріалу, визначено параметри моделей досліджуваних матеріалів зі спеціальних експериментів. Показано суттєвий вплив параметрів моделі GTN на характер та швидкість розповсюдження тріщини в зразках Шарпі.

3. Отримано температурні залежності складових енергії руйнування вуглецевих та теплостійкої сталей у діапазоні температур -150…+200 °С при швидкостях навантаження 1 … 5 м/с. Для сталі 45 не спостерігається чутливості енергії до зміни швидкості навантаження в області ВКП, в області верхнього шельфу енергія зародження тріщини також залишається практично незмінною з ростом швидкості удару, а енергія розповсюдження в'язкої тріщини суттєво (до 50%) зростає зі збільшенням швидкості навантаження.

4. Установлено, що енергія крихкого руйнування досліджуваних сталей практично не залежить від температури випробування і не перевищує 2Дж, що значно менше енергії зародження тріщини в зразках Шарпі не тільки в області ВКП, але й в області більш низьких температур. На нижньому шельфі визначальний вклад у загальну енергію вносить енергія зародження тріщини, на верхньому - енергія в'язкого руйнування, яка складає 60…70% загальної енергії руйнування.

5. Вперше для сталей 45, Ст.3 та теплостійкої сталі 15Х2НМФА експериментально визначено температурні залежності середньої швидкості розповсюдження тріщин у зразках Шарпі при ударних випробуваннях. При низьких температурах випробування швидкість крихкої тріщини складає 300…600 м/с, в області ВКП із ростом температури випробування швидкість квазікрихкої тріщини знижується від 300 до 50 м/с, а при в'язкому руйнуванні вона дорівнює 1…10 м/с.

6. Отримано оцінки швидкості деформації і зміни температури металу у вершині надрізу та при розповсюдженні тріщини з урахуванням пошкоджуваності. Показано суттєвий вплив урахування розповсюдження тепла на розрахункову величину максимального розігріву металу у вершині концентратора.

7. Установлено додаткову причину зупинки квазікрихкої тріщини в області контакту зразка з ударником, що пов'язано зі значним розігрівом металу.

8. Розроблено методику чисельного моделювання ініціювання, розповсюдження та зупинки тріщини в КР із використанням моделі пошкоджуваності GTN. Установлено закономірності розповсюдження тріщини в КР при термошоці та умови її зупинки.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА МАТЕРІАЛАМИ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Многоканальная система измерения деформаций и температуры при испытаниях материалов на ударную вязкость / Кондряков Е.А., Жмака В.Н., Харченко В.В. [и др.] // Надёжность и долговечность машин и сооружений. - 2004. - №23. - С.56-61.

Система измерения деформаций и усилий при динамических испытаниях материалов / Кондряков Е.А., Жмака В.Н., Харченко В.В. [и др.] // Проблемы прочности. - 2005. - №3. - С.140-145.

Харченко В.В. Температурно-скоростные условия деформирования материала при ударных испытаниях образцов Шарпи / Харченко В.В., Кондряков Е.А., Лензион С.В. // Надёжность и долговечность машин и сооружений. - 2005. - №24. - С.91-95.

Инструментированный копер для ударных испытаний: основные элементы, анализ работоспособности / Харченко В.В., Кондряков Е.А., Жмака В.Н., Бабуцкий А.А. // Надёжность и долговечность машин и сооружений. - 2006. - №27. - С.121-130.

Влияние температуры и скорости нагружения на энергию зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из углеродистых сталей / Харченко В.В., Кондряков Е.А., Бабуцкий А.А., Бабуцкий А.И. // Проблемы прочности. - 2006. - №5. - С.120-127.

Кондряков Е.А. Изменение энергии зарождения и распространения трещин в образцах Шарпи из теплостойкой стали 15Х2НМФА в зависимости от температуры испытаний и скорости нагружения / Кондряков Е.А. // Надёжность и долговечность машин и сооружений. - 2007. - №28. - С.93-99.

Харченко В.В. Численное моделирование распространения и остановки трещины в корпусе реактора / Харченко В.В., Кондряков Е.А. // Надёжность и долговечность машин и сооружений. - 2007. - №29. - С.163-168.

Кондряков Е.А. Деформирование и разрушение высокотемпературных сталей при различных температурах и скоростях нагружения (на англ. языке) / Кондряков Е.А., Лензион С.В., Харченко В.В. // Проблемы прочности. - 2009. - №1. - С.29-34.

Кондряков Е.А. Кинетика НДС малоразмерных образцов при испытаниях на ударную вязкость / Кондряков Е.А., Жмака В.Н. // Конструкционная прочность материалов и ресурс оборудования АЭС: міжн. наук.-техн. конф., 20-23 травня 2003 р. - Київ, 2003. - С. 59.

Измерение нагрузки и температуры при ударных испытаниях образцов Шарпи / Кондряков Е.А., Жмака В.Н., Харченко В.В. [и др.] // Проблеми динаміки і міцності в газотурбобудуванні: міжн. наук.-техн. конф., 25-27 травня 2004 р. - Київ, 2004. - С. 89-90.

Харченко В.В. Моделирование деформирования и разрушения образцов с концентраторами различной формы при статическом и динамическом нагружении / Харченко В.В., Кондряков Е.А., Лензион С.В. // Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій: міжн. наук.-техн. конф., 1-4 листопада 2005 р. - Київ, 2005. - С. 158-160.

Кондряков Е.А. Экспериментальное и численное моделирование деформирования и разрушения образцов при статическом и динамическом нагружении / Кондряков Е.А., Лензион С.В. // V конференция молодых ученых и специалистов, 29-30 червня 2006 р. - С.-Петербург, 2006. - С. 36.

Kondriakov I.O. Energy of crack nucleation and propagation in Charpy specimens depending on the test temperature and loading rate / Kondriakov I.O., Kharchenko V.V. // Безпека, міцність і ризик промислових підприємств та обладнання: II Угорсько-Українська конференція, 19-21 вересня 2007р. - Київ, 2007. - С. 17-18.

Размещено на Allbest.ru