Введение к работе
Актуальность. Проблеми развития научных основ теоретическою и зксперпмснтялыюго изучения повеления широкого класса металлических материалов, который представляют теплоустойчивые стали, в условиях ползучести для сверхбольших длительностей иагруження (200 и более тысяч часом.), диктуется потребностями далык иного раївишя исследований ползучести и разрушения теплоустойчивых сталей с учё-
tOM «ярцктеРН ^іииімгші t^UTT^^TV^ И Н'^Г^УЗЛУ, ЇЇ!ІЛ;» *!?.Г!рТ^еН!тлГГ1
состояния, структурного состояния материала, рассеяния характеристик и других параметров, моделирующих сложные условия нагружения при длительностях, превышающих сотни тысяч часов.
Состояние вопроса. Увеличение длительности нагружения сопровождается различными типами механизгов мнкроразрушснпя, изменениями в характере и кинетике накопления повреждаемости, изменениями реологически?; и прочностных характеристик материала в зависимое і и оі характера н условии нагружения конструктивного >лемеша. Решенне проблемы описания ползучести и рафушення при сверхбольших длительностях требует комплексною использования методом фишки прочности, континуальной механики повреждаемости и материаловедения.
Со начне континуальной механики повреждаемое і и связано с работами Л.М.Качанова и Ю.Н.Работіюва, в которых впервые было введено понятие параметра повреждаемое їй и дан скалярный париані теории повреждаемости. Впоследствии это направление развивалось и работах В. И. Астафьева. Л.А.Ильюшина, ІО.П. Самарина. О.В. Соснина, С. Л. Шестерикова. Lcckic. Hayhurst. Chaboche, Murakami. Dyson RieJel. durst и др.. в которых рассматривались скалярные и іенюр тые представления параметра повреждаемости и их приложения к ря.г. ы.ыч Применительно к проблеме долговременной поліучесгн чеіа.тшче<.пі\ материалов со сложными составом и Сф>КІ>Р<>Н ОЧСІНІ.Ша /ІСОҐОіі.ІН
мость дальнеіішего развития методов континуальной механики повреждаемости с учётом физических и ыатериаловедческих аспектов поведения этих материалов в условиях высоких температур при длительном действии нагрузки.
Физическая природа поведения металлических материалов при высоких температурах под действием нагрузки была исследована в работах В.И.Бетехтнна, В.А. Лихачёва, И.М. Лифшица, А.Н, Орлова, В.Р. Регеля, В.М. Розенберга, В.В.Слезова, А.И.Слуцкера , Ashby, Cocks, Coble, Dom, Herring, Hutchinson, McLean, Nabarro, Nix, Rice и др. Имеется большой экспериментальный материал и разработаны достаточно строгие физические теории ползучести преимущественно для одно, двух-компонентных систем и стационарных условий нагружения. Представляется, что разработка физических моделей эволюции повреждаемости при нестационарных темлературно-силовых условиях нагружения является необходимой при физическом моделировании долговременного разрушения, теплоустойчивых сталей установок большого ресурса.
Исследования ползучести и разрушения теплоустойчивых сталей, выполненные П.А.Антикайном, Т.Г.Березиной. В.Н.Геминовым, Е.Р.Го-лубовским, В.И.Куманиным, К.АЛанской, A.M.Паршиным, А.В.Станюг ковичем, Г.А.Туляковым, АА.Чижиком, Auerkari, Bicego, Cerjak, Dyson, Foldyna, Neubauer, Viswanathan, Weber, Woodford и др. показали влия-. ниє повреждаемости на реологические характеристики и исчерпание долговечности. Основной объём испытаний на ползучесть и длительную прочность получен при длительностях, составляющих от единиц до 10-30 тысяч часов. Уникальный банк данных испытаний (ICr-IMo-0.25V роторная сталь - длительность испытаний превысила 200 тыс.часов, 10-12% Сг стали - длительность испытаний достигает 200-300 тыс.часов), имеющий исключительно важное значение при развитии методов описания ползучести и разрушения для сверхбольших длительностей нагружения, получен под руководством А.А.Чижика в НПО ЦКТИ. Большинство методов оценки состояния теплоустойчивых <уалеи (шкалы
Повреждаемости, структурный фактор л т.п.) носят качественный характер, Не Позволяют выполнить взаимное согласование различных криге-риеВоЦейкй состояния с единых позиций. Практически огсугстп\юі данные по экспериментальной оценке и теоретическому моделированию рассеяния результатов эксперимента при сверхбольших длительностях НагружеНИя, что Не позволяет последовательным образом применять показатели надёжности в статистической постановке.
Цель работы. Основной целью данной работы явилась раїработка Методов описания сопротивляемости деформированию и разрушению на б;оетеоргті№о--)Кспернмс!італьпого исследования механизмов мнкрораз-рушеїшя и повреждаемости, с развитием физических моделей, моделей континуальной механики и материаловедческого анализа теплоустойчивых стилей при сверхбольших длительностях напруження. 8 настоящем комплексе исследов ний были рассмотрены следующие проблемы:
- описание ползучести, длительной прочности и повреждаемости с еди
ных позиций с учётом механизмов микроразрушения и влияния ориен
тации напряжений на накопление повреждаемости на баїе модслеіі кон
тинуальной механики повреждаемое і и:
построение пространств механизмов микроразрушения в условиях иолзучесп! и описание накопления повреждаемости п шинельной прочности при сложном напряжённом состоянии в условиях меж крепкою разрушения;
физическое моделирование накопления повреждаемости при нестационарных темперагурно-силовых условиях напруження и ею annuo-шение с фені ліенологическими моделями, критериями суммировании повреждаемостей и описанием влияния условии нагружения на изменение длительной прочности:
-описание ползучесіи при нестационарных іемпераіуріїо-си миі.іх \і с>-Виях наїружения на ба іе моделей коніиіпальной механики попре*.і.іе мое ги:
- моделирование длительной прочносги материалов с гетерогенной
структурой (расчётная оценка влияния структурного фактора);
- моделирование рассеяния характеристик ползучести и длительной
прочности;
- описание показателей надёжности в детерминированной и статис
тической постановке и установление их связи с характеристиками ползу
чести, длительной прочности и повреждаемости.
Научная повита. Новыми научными результатами, которые выносятся на защиту, являются
результаты физического моделирования диффузионного роста поры неравновесной формы при нестационарных температурно-снловых условиях нагружения;
модель континуальной механики повреждаемости в векторной форме длямежзёренного разрушения в условиях ползучести;
- обобщение карт механизмов микроразрушения для многомерного
случая и результаты экспериментальных исследований длительного
разрушения теплоустойчивых сталей при построении карт механизмов
микроразрушения;
критерий длительной прочности для межзёренного разрушения в условиях ползучести;
модель континуальной механики повреждаемости для среды с гетерогенной структурой и расчётный метод учёта влияния структурного фактора и свойств при оценке длительной прочности;
правило суммирования повреждаемостей при ступенчатом нагружении и расчетно-экспериментальное исследование влияния условий нагружения на изменение длительной прочности теплоустойчивых сталей;
модель континуальной механики повреждаемости для нестационарных температурно-снловых условий нагружения н результаты моделирования для сложных режимов изменения температуры и напряжении;
процедура моделирования рассеяния характеристик ползучести и дли-
тельной прочности с учётом влияния характеристик материала и ус.юнии
нагружения;
- описание показателей надёжности в условиях ползучести (коэффи
циентов запаса прочности по напряжениям и по долговечности) в ста
тистической постановке и установление их связи с параметром повреж
даемости, деформацией и скоростью ползучести.
Практическая ценность и реализация результатов.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что расчсг-но - экспериментальные исследования повеления теплоустойчивых сталей в интервале температур ползучести позволили расчётым способом оценить воздействие различных внутренних (структурное состояние, характеристики и т.п.) и внешних (характер и условия нагружения) факторов на ресурс ответственных элементов энергооборудовання. Разработанные методы были использованы в алгоритмах экспертных систем оценки фактического состояния металла, сроков и объемов контроля, сроков и объемов замен и алгоритмах систем мониторинга ресурса.
Положения, выводы и рекомендации работы реалиюваны
при оценке фактического состояния и разработке рекомендаций по контролю состояния и остаточному ресурсу ответственных элементов энергооборудования электростанций ряда энергосистем;
при разработке методических рекомендации Госстандарта МР60-82 "Расчёт и испытания на прочность. Расчётные методы определения не сушей способности и долговечности элементов машин и конструкции. Метод определения параметров кривых ползучести и накопления повреждаемости при одноосном нагружении";
при разработке технических требования к металлу поковок а труб, в том числе н установок получения ПВД.;
- при разработке положения о системе технического диагностирования паровых и водогрейных коглов промышленной энергетики. Аіірлютщя.г);шоііі Основные научные положении и р«ул.,Шы рабо-ш .нжладывались и оба ждались на 3-й Международной конференции „.,
радиационному воздействию на материалы термоядерных реакторов (Санкт-Петербург, 1994), 5-й Международной конференции по материалам для современной энергетики (Льеж, Бельгия, 1994), российско-американском семинаре по материалам и ресурсу элементов энергооборудования (Москва, 1994), 5-й Международной конференции по ползучести и разрушению материалов и конструкций (Суонси, Англия ,1993), 4-й Европейской конференции по материалам и технологиям (Санкт-Петербург, 1993), Международной конференции по материалам к технологии (Варна, Болгария, 1990), симпозиуме по новым жаропрочным материалам (Москва, 1989), конференции по ползучести материалов и конструкций оборудования ТЭС (Юнев, 1989), совещаниях по оценке предельного состояния металла теплоэнергетического оборудования (Владивосток 1987; Ворошиловград, 1988; Минск, 1989; Санкт-Петербург, 1993, 1994), ХП-й конференции по структуре и прочности материалов при высоких температурах (Москва, 1987), симпозиуме по малоцикловой усталости (Волгоград, 1987), VI-м Всесоюном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986), семцнаре-совешаиии по долговременной прочности (Санкт-Петербург, 1985), конференции по ползучести материалов и конструкций (Новосибирск, 1984), XI - м совещании по тепловой микроскопии (Москва, 1984), семинаре по радиационной повреждаемости 'и работоспособности конструкционных материалов (Псков, 1984), Н-й Всесоюзной конференции по деформации и разрушению теплоустойчивых сталей (Москва, 1981), семинаре по актуальным проблемам прочности (Ижевск, 1983), семинарах в ЛДУ и ЛДНТП (разных лет), заседаниях научно-методической комиссии по жаропрочности при Госстандарте (ВНИИМАШ, разных лет).
Публикации, По теме диссертации опубликовано 37 статей в научно-технических журналах и сборниках. Частично результаты работы были представлены в методических документах Госстандарта (МР60-82 "Расчёты и испытания на прочность"), ГГТН (Положение о порядке диаг-
ностирования котлов промэнергетнки), в ТУ на материалы ВТЗ, ОЭМК, ИЗ, ГОЗ и др., в 6 авторских свидетельствах и патентах.
Объём работы—Диссертация состоит из введения, шести глав и списка
литературы. Работа содержит рисунков, /^ таблиц. Общий
объём диссертации 4Гстр.
