Введение к работе
Актуальность работы. Одной из важнейших научно-технических проблем физики твердого тела является развитие представлений о кинетике разрушения и прогнозирование на этой основе долговечности высокопрочных сталей, находящихся под воздействием растягивающих напряжений и агрессивной среды Одним из опаснейших видов повреждений оборудования в химической, газонефтедобывающей, металлургической, машиностроительной, судостроительной и других отраслях промышленности является водородное охрупчивание (ВО) деформированных сталей В частности, водородное растрескивание напряженной арматуры в железобетонных изделиях и элементах металлических конструкций промышленных и гражданских сооружений может привести к огромному материальному ущербу и многочисленным людским жертвам
Исследования, проведенные отечественными и зарубежными учеными, показали, что практически все применяемые высокопрочные стали в зависимости от условий эксплуатации (уровня растягивающих напряжений, характера агрессивной среды и температуры) проявляют в той или иной степени склонность к коррозионному растрескиванию (КР) или водородному охруп-чиванию При этом систематический анализ причин аварийною выхода из строя различных конструкций показал, что значительная часть разрушений обусловлена растворенным в металле водородом При этом следует учитывать, что разрушение в результате ВО является наиболее опасным, так как наступает через более короткий период времени по сравнению с КР В настоящее время в силу целого ряда причин технического, экономического и экологического характера намечается тенденция к значительному увеличению потребления водорода в мировой экономике для самых различных нужд По этим причинам и без того острая проблема деградации деформированных металлов под воздействием водорода выдвигается в число актуальнейших научно-технических проблем
Исследованию статической водородной хрупкости (замедленного разрушения) посвящено большое количество работ и монографий - Г В Карпенко, И И Василенко, Ф Ф Ажогина, Б А Колачева, С С Шуракова, М X Шоршорова, С М Белоглазова, А Ф Фишгойта, О Н Романива, В В Панасю-ка, А Е Андрейкива, В С Харина, М М Шведа, Я М Потака, В И Саррака, Г А Филиппова, Л И Грибановой, Н Н Сергеева, В М Мишина, Ван Леуве-на, Н Петча, А Трояно, П Бастьена и других авторов Однако до настоящего времени не удалось создать единую теорию водородного охрупчивания, что связано с отсутствием достаточно полной и непротиворечивой іеории взаимодействия водорода с атомами кристаллической решетки и дефектами
строения металлов и законченной физической модели разрушения Особую сложность представляет анализ мезоскопического уровня разрушения, связанного с процессом накопления поврежденное материала дефектами малых размеров, к которым не могут быть применены методы линейной механики разрушения Поэтому построение модели замедленного разрушения, учитывающей такие характерные черты процесса разрушения, как стадийность, многомасштабность, стохастичность и фрактальность, является актуальной научной проблемой, имеющей практическую ценность
Цель диссертационной работы состояла в разработке теоретических основ и построении модели процесса замедленного разрушения высокопрочных сталей и создании на этой основе методологии прогнозирования долговечности в условиях воздействия растягивающих напряжений и наводорожи-вающих сред
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Разработка реологических моделей процесса образования субмикрот-рещин при замедленном разрушении высокопрочных сталей для инактивной и водородсодержащей сред
Установление критических условий (пороговые и остаточные напряжения, содержание водорода в металле и др), инициирующих процесс замедленного разрушения высокопрочных сталей в инактивной и водородсодержащей средах
Установление закономерностей процесса накопления поврежденности и роста трещин на микро-, мезо- и макроуровнях при замедленном разрушении высокопрочных сталей в водородсодержащих средах
Разработка синергетической модели замедленного разрушения высокопрочных сталей при воздействии водорода, учитывающей стадийность, многомасштабность, стохастичность и фрактальность процесса разрушения, и определение ее параметров на основе опытных данных
Разработка аналитического метода определения предельного содержания водорода в сталях, превышение которого приводит к их замедленному разрушению, на основе установления критериев водородного охр/пчивания деформированных металлов на мезо- и макроуровнях
Экспериментальная проверка результатов теоретического анализа и численного моделирования стадийности процесса водородного охрупчивания и длительной прочности высокопрочных сталей по результатам ускоренных и натурных испытаний
Разработка методологии прогнозирования долговечности высокопрочных сталей в условиях воздействия растягивающих напряжений и наво-
дороживающих сред на основе синергетической модели замедленного разрушения и результатов ускоренных лабораторных и натурных испы ганий Основные результаты работы, представляющие научную новизну:
Разработаны реологические модели процесса образования субмикрот-рещин при замедленном разрушении высокопрочных сталей для инактивной и водородсодержащей сред, основанные на кинетическом и синергетическом подходах к разрушению материалов и позволяющие определить длительность процесса образования дефектов
Установлены аналитические зависимости для пороговых напряжений, превышение которых инициирует процесс замедленного разрушения высокопрочных сталей в инактивной и водородсодержащей средах, от характеристик напряженного состояния материала, его упругих свойств и содержания водорода
Установлены реологические зависимости для плотности субмикро- и микротрещин, образующихся в процессе замедленного разрушения, на основе использования кривых релаксации напряжений Выявлены криіические значения плотности дефектов в моменты смены механизма разрушения на основе равенства в точках бифуркаций удельной работы пластической деформации изменению плотности свободной энергии образца
Впервые разработана синергетическая модель замедленного разрушения высокопрочных сталей под воздействием водорода, которая позволила связать физико-механические свойства сталей и кинетику поврежденности при стадийном и многомасштабном разрушении с параметрами порядка в точках, соответствующих изменению механизма разрушения Предложено представление инкубационного периода (времени до зарождения макротрещины) в виде двух последовательных стадий, отличающихся ведущим механизмом разрушения, - стадии зарождения и слияния субмикротрещин на микроуровне и стадии роста и слияния микротрещин на мезоуровне
Установлены в качестве критических значений парамегров порядка три инвариантных показателя, первый из которых характеризует переход процесса разрушения с микро- на мезоуровень, второй - с мезо- на макроуровень, третий - глобальную нестабильность, приводящую к разрушению
Разработана методика аналитического определения содержания водорода на поверхности образца в зависимости от плотности тоьа катодной поляризации при электролитическом наводороживании
Практическая значимость работы заключается в том, чго представленные в ней результаты составляют теоретическую основу для прогнозирования долговечности работы деталей и конструкций из высокопрочных сталей в условиях водородного охрупчивания Разработанная синергетическая модель расширяет представление о механизме замедленного разрушения, что
позволяет учесть влияние различных факторов на физико-механические и эксплуатационные характеристики сталей при их разработке и оптимизации технологических режимов производства
Установленные уровни пороговых растягивающих напряжений, инициирующих процесс замедленного разрушения, и предельного содержания водорода в сталях, превышение которого приводит к разрушению, могут быть использованы конструкторами при выборе необходимых прочностных и эксплуатационных характеристик высокопрочных материалов, работающих в условиях растягивающих напряжений и наводороживания
Результаты исследования внедрены в практику подготовки студентов Тульского государственного педагогического университета им Л Н Толстого по специальностям «Технологическое образование» и «Механизация сельского хозяйства» ,. Основные научные положения, выносимые на защиту
1, Результаты моделирования процесса образования субмикротрещин при замедленном разрушении высокопрочных сталей для инактивной и водо-родсодержащей сред, основанные на структурно-кинетической теории, дискретно-континуальной модели образования зародышей разрушения, порождаемых- заблокированными скоплениями дислокаций, и дислокационно-декогезионной концепции влияния водорода на разрушение деформированных металлов
2 Аналитические зависимости для пороговых значений эффективного
напряжения сдвига и растягивающего напряжения, инициирующих процесс
замедленного разрушения на микроуровне в инактивной и водородсодержа-
щей средах,,от характеристик напряженного состояния материала, его упру-
, гих. свойств и содержания водорода
3 Закономерности процесса накопления поврежденности и роста тре-
щиц на микро-, мезо- и макроуровнях при замедленном разрушении высоко-
t пробных, сталей в водородсодержащих средах
_ , .,, /к.Синергетическая модель замедленного разрушения высокопрочных сталей под. воздействием водорода, учитывающая стадийность, многомас-
„.щтабность, стохастичность и фрактальность процесса разрушения ., s 5, Установление инвариантных показателей процесса замедленного разрушения в критических точках, соответствующих изменению механизма разрушения Эти показатели являются критическими значениями параметров порядка синергетической модели и характеризуют переход процесса разрушения с микро- на мезоуровень , с мезо- на макроуровень и к глобальной не-
. стабильности, приводящей к разрушению
г, , ,,6.-Методы аналитического определения содержания водорода на поверхности образца в зависимости от плотности тока катодной поляризации
при электролитическом наводороживании и предельного содержания водорода в сталях, превышение которого приводит к их замедленному разрушению
7 Теоретическое обоснование возможности прогнозирования долговечности высокопрочных сталей в эксплуатируемых средах, вызывающих наво-дороживание, на основе синергетической модели замедленного разрушения и результатов ускоренных лабораторных и натурных испытаний
Достоверность полученных результатов и выводов диссертационной работы подтверждается согласованностью результатов комплексного использования теоретических и экспериментальных исследований, экспериментальной проверкой модельных представлений, сопоставлением с результатами исследований других авторов, признанием полученных результатов на различных международных и отечественных конференциях
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на IV Международной научно-практической конференции «Инновационные процессы в подготовке учителя технологии, предпринимательства, экономики» (Тула, 1998), Юбилейной научно-практической конференции «Прикладная математика - 99» (Тула, 1999), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула, 2001), Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2004), III Международной научно-практической конференции «Материалы и технологии XXI века» (МК-24-95) (Пенза, 2005), Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2005), II Международной научно-технической конференции «Научный потенциал мира - 2005» (Днепропетровск, 2005), Международной научно-практической конференции «Проблемы оптимального проектирования элементов конструкций и использования защитных покрытий» (Краков, 2005), II Международной научно-практической конференции «Образование и наука без границ - 2005» (Прага, 2005), IV Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (МК-50-96) (Пенза, 2006), III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы технических наук теория и практика - 2006» (Днепропетровск, 2006), Международной научной конференции «Современные проблемы математики, механики, информатики» (Тула, 2006), V Международной научно-практической конференции «Наука и образование - 2007» (Днепропетровск, 2007), VHI Международной научно-практической конференции «Технолого-экономическое образование проблемы, инновации, перспективы» (Тула, 2007), XI Международной конференции «Взаимодействие дефектов и неупругие явления в твердых телах» (Тула, 2007)
Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в 39 научных работах, включая 2 монографии, 19 статей в рецензируемых научных журналах, 2 статьи в международных научных журналах, 8 статей в сборниках трудов и материалах международных конференций Список основных публикаций приведен в конце автореферата
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и выводов к ним, заключения и общих выводов, списка литературы из 362 наименований и приложения Работа изложена на 298 страницах машинописного текста и содержит 31 рисунок и 16 таблиц
Работа выполнена в Тульском государственном педагогическом университете им Л Н Толстого при поддержке грантов губернатора Тульской области в сфере науки и техники за 2004 (договор № 65-К-9/209 от 09 02 2004, тема «Разработка методики прогнозирования долговечности железобетонных строительных конструкций») и 2005 гг (договор № 65-12-1/1888 от 03 11 2006, тема «Прогнозирование долговечности деформированных высокопрочных сталей в водородсодержащих средах»)
