Длительная работоспособность металлических материалов и тонкостенных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

005006681

ДЕНИСОВА Анастасия Александровна

ДЛИТЕЛЬНАЯ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ТОНКОСТЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С АГРЕССИВНОЙ

СРЕДОЙ

Специальность 01.02.04 - Механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2011

8 ДЕК 2011

005006681

Работа выполнена на кафедре теории упругости математико-механического факультета Санкт-Петербургского Государственного Университета (г. Санкт-Петербург)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор АРУТЮНЯН Роберт Ашотович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор ЛОКОЩЕНКО Александр Михайлович (Московский государственный университет)

кандидат физико-математических наук, доцент ПАВИЛАЙНЕН Галина Вольдемаровна (Санкт-Петербургский государственный университет)

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «ПРОМЕТЕЙ»

Защита состоится в-/^часов на заседании совета

Д 212.232.49 по защите двйорсюки кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр., 28, математико-механический факультет, ауд. 405.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

Автореферат разослан "¿¿¡¡^

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.232.30 доктор физико-математических наук КУСТОВА Елена Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На практике наблюдаются многочисленные разрушения различных сооружений, в частности, газо-нефтепроводов, трубопроводов, сосудов давления, в условиях воздействия механических напряжений и агрессивных сред. В этих условиях в металлических материалах и тонкостенных конструкциях возникают характерные точечные дефекты (питтинги) и микротрещины. Рост этих дефектов до размеров магистральной трещины и их мгновенное распространение приводит к аварийному разрушению конструкций. В случае, когда при росте питгингов образуется сквозное отверстие, конструкция может не разрушаться, однако, теряет свою работоспособность и, практически, находится в аварийном состоянии.

Во многих случаях металлические конструкции эксплуатируются в активных средах, оказывающих существенное влияние на их длительную работоспособность. Типичным примером подобных сред являются так называемые коррозионные среды, в том числе морская и дистиллированная вода. Известно, что отрицательное воздействие коррозионных сред возрастает с увеличением длительности использования конструкций.

Важность построения эффективных и надежных методов расчета, позволяющих прогнозировать влияние агрессивных сред на длительную прочность конструкционных материалов, обуславливается необходимостью обеспечения длительной прочности конструкции в условиях недостаточных и дорогостоящих экспериментальных исследований.

Известно, что в условиях циклического нагружения существенно интенсифицируется анодное растворение, протекающее избирательно в пределах полос скольжения. В случае, когда эти полосы имеют устойчивый характер, избирательность растворения резко усиливается. При выяснении механизма ускоренного инициирования трещин коррозионной усталости следует принимать во внимание роль адсорбционного и водородного факторов. К настоящему времени электрохимические аспекты появления адсорбционного механизма как автономного фактора при инициировании трещин практически не изучены. Они нашли отражение только при исследовании распространения трещин.

Тем самым, наличие коррозионной среды или провоцирует развитие механизма растрескивания или является дополнительным усугубляющим фактором. Следовательно, влияние коррозионной среды на процессы инициирования и распространения трещин требует внимательного изучения.

Актуальность диссертационной работы связана с необходимостью учета этих факторов при формулировке критериев длительной прочности и

з

оценка работоспособности металлических материалов и тонкостенных конструкций в условиях длительной эксплуатации в коррозионно-активных средах.

Целью работы является формулировка критериев длительной прочности для оценки работоспособности металлических материалов и сложных технических конструкций в условиях длительной эксплуатации в коррозионно-активной среде, что потребовало разработки математической модели роста трещин коррозионной усталости. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Построить математическую модель, описывающую процесс разрушения материалов, работающих под воздействием агрессивных сред. Для этого необходимо сформулировать кинетическое уравнение роста коррозионных трещин;

2. Развить вероятностный подход в приложении коррозионного разрушения материалов и конструкций;

3. Построить критерий разрушения металлических материалов и элементов конструкций на основе развитого вероятностного подхода;

4. Провести сравнительный анализ теоретических результатов, согласно полученным моделям, с экспериментальными данными по длительному разрушению металлических материалов и конструкций под воздействием коррозионных сред.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Предложено уравнение роста питтингов с учетом процессов микропластической деформации. Показано, что это уравнение является уравнением Риккати первого порядка.

2. Сформулирована система взаимосвязанных кинетических уравнений, в которых коэффициент интенсивности напряжений считается ответственным за ускорение процессов как механического, так и коррозионного разрушения.

3. С учетом этих уравнений разработан вероятностный метод, основанный на гипотезе слабого звена, и сформулирован критерий разрушения металлических материалов и тонкостенных конструкций, работающих под воздействие коррозионного и циклического нагружения.

4. Теоретически доказан эффект пересечения кривых усталости, экспериментально установленный Миллером. Этот факт был получен при моделировании процессов циклического и коррозионного разрушения в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений с учетом воздействия коррозионной среды.

Практическая и теоретическая ценность. Практическая ценность результатов работы состоит в том, что данные исследования дают возможность реальной оценки работоспособности материалов и тонкостенных конструкций в условиях длительной эксплуатации при

взаимодействии с коррозионной средой. Диссертационная работа представляет интерес для научных работников, занимающихся вопросами коррозионной прочности и надежности различных металлических материалов и конструкций, а также для инженерно-технических работников, занятых проектированием, строительством и эксплуатацией в различных областях современной техники и машиностроения.

Теоретическая ценность результатов работы состоит в том, что она вносит существенный вклад в теорию кинетических процессов роста коррозионных питтингов и трещин с учетом микропластической деформации и взаимосвязанных механических и химических факторов, их использование для формулировки критериев длительной коррозионной прочности.

Достоверность основных научных положений. Коррозионные процессы, способствующие разрушению металлических материалов и сложных конструкций, хорошо изучены в науке и технике. Результаты, полученные в диссертационной работе, базируются на достижениях в этой области науки и являются их продолжением. Теоретическое описание взаимосвязанных механических, физических и химических процессов, вызывающих рост коррозионных дефектов, осуществляется методами механики деформируемого твердого тела. При формулировке критериев длительной прочности используются вероятностные модели, которые успешно применяются в различных областях науки, а также при оценке надежности технических систем. На защиту выносятся следующие положения:

1. Определение кинетического уравнения роста питтинга с учетом процессов неупругой деформации. Формулировка критерия длительной коррозионной прочности в соответствии с предложенным кинетическим уравнением.

2. Разработка системы взаимосвязанных кинетических уравнений роста коррозионной трещины и формулировка критериев усталостной прочности, учитывающих влияние коэффициента интенсивности напряжений на механические и химические процессы в кончике трещины.

3. Развитие вероятностных моделей в приложении к коррозионному разрушению. Формулировка критериев усталостной прочности, согласно кинетическим уравнениям роста коррозионных микротрещин.

4. Проведение сравнительного анализа теоретических результатов с опытными данными по длительной прочности металлических материалов и тонкостенных конструкций под воздействием агрессивных сред.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на секции «Строительной механики и надежности сооружений им. проф. Н. К. Снитко» Санкт - Петербургского Дома ученых РАН (Санкт -

Петербург, 2001), на XXIX Летней школе «Актуальные проблемы механики» института Проблем машиноведения РАН (Санкт - Петербург (Репино), июнь 2001), на Международном симпозиуме «Современные проблемы прочности» (Старая Русса, октябрь 2003), на XIV Петербургских чтениях по проблемам прочности Санкт - Петербургского Дома ученых РАН (Санкт - Петербург, март 2003), а также на семинарах кафедры теории упругости Санкт - Петербургского Государственного университета под руководством академика Н. Ф. Морозова (июнь 1999, май 2005). Публикации. Основные результаты изложены в работах [1]-[5]. Работы [13] опубликованы в издании, входящем в список рекомендованных высшей аттестационной комиссией на момент публикации. В работе [1] диссертанту, принадлежит вывод кинетического уравнения роста трещины (стр. 60-62, 63-64). Соавтор предложил ввести вероятностный подход при построении модели накопления повреждений (стр. 63). В работе [2] Арутюняну Р. А. принадлежит постановка задачи (стр. 42,44), Денисова А. А. реализовала постановку задачи, получила критерий усталостного разрушения и выполнила численное исследование роста трещин при коррозионном воздействии (стр. 43-46).Основные результаты работы [3] получены соискателем самостоятельно. Арутюнян Р. А. предложил ввести функцию повреждаемости в качестве второго слагаемого в уравнение роста трещины (стр. 60).В работе [5] Арутюняну Р. А. принадлежит идея формы кинетического уравнения повреждаемости в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений (стр. 112). Денисова А. А.представила решение системы дифференциальных уравнений повреждаемости (стр. Ill, 113).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, разбитых на разделы, заключения и списка литературы, содержащего 68 наименований. Работа изложена на 118 страницах, в том числе 88 страниц текста, 22 рисунка, 6 приложений, содержащих 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы научного исследования, определяются цели и задачи работы, формулируются основные результаты, выносимые на защиту, отражается их научная новизна.

В первой главе приводится краткий обзор современных достижений по проблеме механики коррозионного разрушения.

В настоящее время существует несколько теорий коррозионного разрушения, однако общие принципы содержатся в двух основных -электрохимической и адсорбционной, анализ которых выявил ряд нерешенных проблем. В частности, реальная корродирующая модель (анод - катод - электролит) не является линейной и при ее описании

б

линейными дифференциальными уравнениями вводится следующий ряд допущений: не учитываются некоторые «разрывные» явления, такие, как изменение начальной активности электролита во времени или колебаний блуждающего тока. Электрохимическое растворение металла осуществляется без каких-либо «запаздываний» в случае мгновенного изменения состава (концентрации) электролита. Не учитываются температурные влияния на протекание процесса коррозии, предполагается, что внутренняя энергия металла косвенно характеризуется его собственным потенциалом, а глубина коррозионной трещины пропорциональна анодному току. Кроме того, пренебрегают ускорением коррозионного процесса. Имеет место также недостаточное описание геометрии коррозионной трещины (кроме проникновения вглубь, коррозионная трещина может развиваться в длину). Возникает погрешность в определении неизвестных параметров для долгосрочного прогнозирования и ряд других проблем.

Наиболее подробно электрохимическая коррозия отражена в трудах В. В. Болотина, Г. Кеше, Я. М. Колотыркина, Р. М. Лазоренко - Маневича, П. А. Ребиндера, Г. М. Флориановича, Л. Я. Цикермана, Е. Д. Щукина. Адсорбционная коррозия представлена в работах Austen J. М., Musuva J. К., Radon J. С., Rhodes D., Walker E. F.

Развитие теория коррозионной прочности получила в работах Ю. М. Даля, А. М. Локощенко, Г. Н. Никифорчина, И. Г. Овчинникова, О. Н. Романив и других.

В подавляющем большинстве работ процессы разрушения под воздействием коррозионных сред описываются классическими методами механики материалов, которые сводятся к совместному рассмотрению механических процессов и коррозионных повреждений. При таком подходе не представляется возможным описание многочисленных и важных практических случаев коррозионного разрушения по причине образования и распространения питтингов и микротрещин.

Приведенный выше краткий анализ основных теорий, описывающих процессы, протекающих при коррозии, говорит о том, что классические, детерминированные методы не полностью описывают процесс коррозии.

Вторая глава диссертационной работы посвящена разработке кинетического уравнения роста коррозионно-усталостной трещины, учитывающего взаимосвязанные механические и химические процессы.

В случае неупругой деформации для описания всех этапов роста трещины, включая инкубационный, и учета влияния самой деформации в вершине трещины предлагается использовать следующее нелинейное дифференциальное уравнение

^=к1(и-1)+к1енг (1)

где / - текущая, А - предельная длина трещины, к - константа, зависящая от напряжения и температуры, где к{ - постоянная величина, а

Ен - скорость неупругой деформации.

В случае установившейся ползучести, когда В = /(о*) уравнение

(1) переходит в частное уравнение Риккати.

Решение исходного уравнения имеет вид:

Л + ЯехрМ (2)

1 + Сехр(к-*) '

где С - произвольная постоянная, определяемая из начальных

условий: ,=о= 'о и и (=о~ 'о ~~ .

Постоянные величины, входящие в решение (2) определяются следующими соотношениями:

1__а_ _ _

2 4к' ^ 4к

Выбор кинетического уравнения роста трещины в виде (1) основывается на следующих соображениях. На практике для данной величины неупругой деформации реализуются три этапа роста трещины: инкубационный, период интенсивного роста и замедление роста трещины из-за ее блокировки продуктами коррозионного разрушения. С переходом на другой уровень неупругой деформации наблюдается повторение этих этапов вплоть до образования магистральной трещины.

В диссертационной работе рассматривается также другие подходы к моделированию кинетического уравнения роста коррозионной трещины. В качестве основного параметра, характеризующего влияние коррозионной среды на разрушение металлов, принимается зависящая от напряжения о и количества циклов N длина коррозионной трещины /(сг, Л0.

Исследование коррозионно-циклической трещиностойкости материалов сопряжено с двумя главными отличительными особенностями. Первая особенность состоит в изменении напряженно-деформированного состояния в вершине коррозионной трещины в связи с ее ветвлением и затуплением (коррозионным разъеданием), а также с влиянием продуктов распада на процессы закрытия трещины. Вторая особенность определения коррозионно-циклической трещиностойкости обусловлена вероятной спецификой электрохимических условий в вершине трещины, которые могут существенно отличаться от условий на поверхности испытываемого образца. Таким образом, кинетика коррозионно-усталостной трещины определяется зависимостью от коэффициентов уравнения Paris - Erdogan, коэффициента интенсивности напряжений и факторов среды:

В основу разрабатываемой модели положен следующий принцип: рост коррозионной усталостной трещины описывается с помощью системы кинетических уравнений, учитывающих взаимосвязанные механические и химические эффекты. В соответствии с этим вводится следующее уравнение:

где си - параметр, описывающий коррозионное разрушение, к-эмпирический коэффициент. С, и т, - константы материала, используемые в уравнении Paris - Erdogan:

При соответствующем выборе кинетического уравнения для параметра 0), можно описать процессы химических реакций, зависящих от коэффициента интенсивности напряжений. Считаем, что коэффициент интенсивности напряжений, АК, изменение которого происходит по закону АК = Дол/тГ/, определяет ускорение химических реакций и процессов разрушения. В этом случае, как показано в работе, имеется возможность описания основных экспериментальных данных роста коррозионных трещин.

с/т

Рассматриваются два варианта соотношений для функции ——:

(3)

— = С,( ДАО clN 1V

(4)

где kt,k2,n,a- константы материала, и

^{k2+kl{AKy)N\

(5)

где к1г k2, n, a., P- константы материала.

дополненные начальными значениями l(N = 0) = /„ и = 0) = 0. В выражении (5) к, - функция температуры, определяемая по законам химической кинетики, /? и я - постоянные.

Решение системы уравнений (3) - (4) и (3) - (5) при условии Дет = const записывается, соответственно, в следующем виде:

/(сг,А') = /0-ехр

«Лг • (С+ £2)Л' +—(ехр(-аЛ')~ l)

(6)

у- - (До-)4 п2 j CN

N2

(7)

Рост коррозионно-усталостной трещины описывается также следующей системой уравнений:

сш К ' аы

Решение этой системы при условии Ac - о ^ = const имеет вид

/ = /0 • ехр

(9)

(10)

В третьей главе разрабатывается вероятностный метод описания феноменологических процессов накопления повреждений. Вероятностный подход к построению моделей накопления повреждений рассмотрен также в работах Р. А. Арупоняна, В. В. Болотина, }. Ь. Во£ёапоЯ', Р. Кхшп. Указанные работы посвящены изучению кумулятивного повреждения твердых тел на основе феноменологической вероятностной модели в виде вложенной цепи Маркова и пуассоновских процессов.

В представленной диссертационной работе используется вероятностная модель, реализованная на основе гипотезы слабого звена, основанная на вероятностном подходе к распределению трещин по размерам и их развитию. Эта модель позволяет вычислить функцию

надежности и сформулировать критерий усталостаого разрушения. В частности, для формулировки критерия усталостного разрушения принимается принцип масштабной инвариантности, состоящий в следующем: независимо от числа трещин, кривые их распределения будут инвариантны. Считается, что распределение размеров трещин является случайным, и подчиняется следующему закону Пуассона:

е'^-е'"

(11)

0(1) =

е'*" - е-А

Случайным является также распределение числа циклов разрушения (образование первого коррозионного отверстия):

<М=

(12)

Соотношение для надежности запишем в виде:

Я(АГ) = 1 -Н{Ы), (13)

где является интегральной функцией распределения времени

появления первого события, совпадающей с двухпараметрическим распределением Вейбулла, которое носит нестационарный характер:

Я(Лг)«1-ехр[-/я-С(Л0] (И)

На базе модели, построенной в третьей главе, формулируется вероятностный критерий разрушения конструкции под воздействие коррозионного и циклического нагружения:

= ехр

-т--тл-^—

е-м0, _е и.

(15)

Задавая уровень надежности Я = из формулы (15) следует критерий усталостной прочности, выражающий величину напряжения сг^ в зависимости от числа циклов нагружения, статистических параметров распределения микротрещин, механических и химических постоянных. Четвертая глава посвящена результатам численного исследования задач коррозионно-усталостного разрушения, полученных во второй главе, и сравнению полученных теоретических результатов с экспериментальными данными, представленными в литературных источниках. Сформулируем критерий длительного коррозионного разрушения для тонкостенного цилиндрического сосуда с днищем, находящегося под воздействием внутреннего давления агрессивной среды Р. В

и

цилиндрической системе координат (г,<р,г) напряжения в стенке сосуда приближенно равны

РЯ РЯ

(.6)

где К - диаметр, - толщина стенки.

Принимая в качестве эффективного напряжения, к примеру, интенсивность а. = -с,)' + (<г, - <т:)2 + {а. - <т,)2 (17)

будем иметь

=

РВ.

2 и

(18)

Внося соотношение (18) в решение (6), используя выражение (15), получим критерий длительного коррозионного разрушения для цилиндрического сосуда с днищем

Р =

А, = —1п Я

ги я

VI

1

1п

А,

(19)

+

На рис. 1 представлены теоретические кривые роста коррозионной

Время до разрушения, 1 Рис. 1

трещины согласно формуле (19) для двух уровней эффективного напряжения 12МПа и 16МПа. При расчетах по этой формуле были

использованы следующие величины коэффициентов 1о=\0~6м,

/. = 3-1(Г3м, Л = 04, С = 9,32 -10"17, кг =7,86 Ю-16.

На рис. 2 в координатах )- ЫО показаны кривые длительной

прочности, для начального числа трещин т = 1 и 100, соответственно. При вычислении величины А. в выражении (19) принимались следующие значения параметров Я = 0,05 , Я. = 0,5.

г э 4 а « '

190) Рис.2

Как видно из рис. 2, долговечность цилиндрического сосуда понижается более чем на порядок с увеличением начального дефектного состояния.

Публикации автора по теме диссертации.

Статьи в рецензируемых журналах и изданиях:

1. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. Учет неупругой деформации в модели длительного коррозионного разрушения. // Вестник СПбГУ. Сер. I. Вып. 3. 2001. (№ 17). С. 60-64.

2. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. Кинетика роста коррозионных трещин и критерий усталостного разрушения. // Вестник СПбГУ. Сер. 1. Вып. 3. 2002. (№ 17). С. 42-46.

3. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. О роли коэффициента интенсивности напряжений в процессах роста коррозионных трещин и усталостного разрушения. // Вестник СПбГУ. Сер. 1. Вып. 2.2002. (№ 17). С. 59 - 64.

Другие публикации:

4. Денисова А. А. Оценка циклической прочности тонкостенных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой. // Научные труды VI Международного симпозиума «Современные проблемы прочности» им. В. А. Лихачева. Т. 2. Великий Новгород. 2003. С. 56 -61.

5. Arutyunyan R. A., Denisova A. A. A failure criterion of metallic materials and structures due to attack of corrosive media. // Advanced Problems in Mechanics' 2001 Saint-Petersburg (Repino), June 21-30,2001. P. 111 - 113.

Глава 1.

Глава 2.

Глава 3.

Глава 4. длительного коррозионного разрушения

Оценка длительной работоспособности конструкций, подвергающихся коррозионному воздействию. Вероятностный подход. Результаты численного исследования задач коррозионно-усталостного разрушения.

Сравнительный анализ.

Современные достижения по проблеме коррозионного усталостного разрушения

Коррозионное усталостное разрушение

2. 1. Моделирование уравнения коррозионноусталостного разрушения

2.2. Критерий коррозионно-усталостного разрушения

2.2.1. Роль коэффициента интенсивности напряжении в процессах роста коррозионных трещин

2.2.2. Учет неупругой деформации в модели 42

35

35

47

56

4.1. Построение теоретической модели расчета 58 напряжений, в результате роста коррозионных трещин

4.2. О роли коэффициента интенсивности 64 напряжений в процессах роста коррозионных трещин и усталостного разрушения

4.3. Оценка циклической прочности тонкостенных 71 конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой

4.4. Учет неупругой деформации в модели 77 длительного коррозионного разрушения

4.5. Качественное сравнение полученных 83 результатов с известными экспериментальными данными

Заключение 92

Список использованных источников 94

Приложения 103

ВВЕДЕНИЕ

В инженерной практике наблюдаются многочисленные разрушения различных объектов, в частности газо-нефтепроводов, трубопроводов, сосудов давления и других, работающих в условиях воздействия механических напряжений и агрессивных сред.

В этих условиях в металлических материалах и тонкостенных конструкциях возникают характерные точечные дефекты: язвы, полости в металле, начинающиеся с его поверхности, называемые питтингом, и микротрещины. Внешне питтинг проявляется в виде появления углублений на поверхности металла. Питтинги возникают главным образом в защитном слое (нанесенном или образовавшемся естественным образом) по местам различных дефектов (трещин от внутренних напряжений, пор, микровключений, выхода на поверхность границ зёрен, дислокаций и т. п.)

При росте питтингов образуется сквозное отверстие. В этом случае конструкция может не разрушиться, однако теряет свою работоспособность и, практически, находится в аварийном состоянии. Распространение микротрещин до размеров магистральной трещины и их мгновенное развитие приводит к аварийному разрушению конструкции.

В механике разрушения был введен параметр повреждаемости, характеризующий рост и развитие микротрещины. Идея использования такого параметра (О применялась Работновым в теории разрушения, а также была использована в ряде других работ по исследованию разрушения. При моделировании процессов коррозионного разрушения, по аналогии с концепцией Работнова, в работе вводится физико-химический параметр поврежденное™, зависящий от коэффициента интенсивности напряжений. В этом случае, естественно предположить, что коэффициент интенсивности напряжений влияет на скорость химических реакций и процессы разрушения.

Такой подход дает наилучшее приближение к эксперименту, если совместно решать систему дифференциальных уравнений, первое из которых описывает скорость распространения трещины (уравнение Пэриса - Эдрогана), а второе задает рост функции поврежденности. Под поврежденностью, в данном случае, понимаются процессы коррозионной деградации и разрушения слоя материала в вершине трещины.

Поскольку развитие трещины представляет собой не детерминированный, а вероятностный процесс, то важным моментом является разработка вероятностных методов разрушения. Идея такого метода была представлена в работах [6], [23]. Но предложенные модели пока не получили достоверного экспериментального подтверждения. Тем самым возникает задача вероятностного описания реальных процессов, протекающих при коррозионном развитии трещины. Основой развитого в работе вероятностного подхода является гипотеза слабого звена и функция надежности безотказной работы конструкции.

На основании описанных процессов коррозии строятся критерии разрушения для металлических материалов и тонкостенных конструкций.

Применение вероятностного подхода позволяет построение аналитических кривых длительной прочности металлических материалов и конструкций и прогнозирование их длительной работоспособности.

Результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

1. Построение квиетического уравнения роста питтинга с учетом процессов неупругой деформации. Формулировка критерия длительной коррозионной прочности в соответствии с предложенным кинетическим уравнением.

2. Разработка системы взаимосвязанных кинетических уравнений роста коррозионной трещины и формулировка критериев усталостной прочности, учитывающих влияние коэффициента интенсивности напряжений на механические и химические процессы в кончике трещины.

3. Развитие вероятностных моделей в приложении к коррозионному разрушению. Формулировка критериев усталостной прочности, согласно кинетическим уравнениям роста коррозионных микротрещин.

4. Проведение сравнительного анализа теоретических результатов с опытными данными по длительной прочности металлических материалов и тонкостенных конструкций под воздействием агрессивных сред.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследования, проведенные в данной диссертационной работе, дают возможность реальной оценки работоспособности материалов и тонкостенных конструкций в условиях длительной эксплуатации при взаимодействии с коррозионной средой. Диссертационная работа представляет интерес для научных работников, занимающихся вопросами коррозионной прочности и надежности различных металлических материалов и конструкций, а также для инженерно-технических работников, занятых проектированием, строительством и эксплуатацией в различных областях современной техники и машиностроения. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:

1. Предложено уравнение роста питтингов с учетом процессов микропластической деформации. Показано, что это уравнение является уравнением Риккати первого порядка.

2. Сформулирована система взаимосвязанных кинетических уравнений, в которых коэффициент интенсивности напряжений считается ответственным за ускорение процессов как механического, так и коррозионного разрушения.

3. С учетом этих уравнений разработан вероятностный метод, основанный на гипотезе слабого звена, и сформулирован критерий разрушения металлических материалов и тонкостенных конструкций, работающих под воздействие коррозионного и циклического нагружения.

4. Теоретически описан эффект пересечения кривых усталости, экспериментально установленный Миллером. Этот факт был получен при моделировании процессов циклического и коррозионного разрушения в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений с учетом воздействия коррозионной среды.

1. Arutyunyan R. A., Denisova A. A. A failure criterion of metallic materials and structures due to attack of corrosive media. // Advanced Problems in Mechanics' 2001 Saint-Petersburg (Repino), June 21-30, 2001. P. Ill -113.

2. Austen J. M., Walker E. F. //Proc. Conf. The Influence of Environment on Fatigue. London, 1977. - P. 1-10

3. Bathias C., Baudry G. Application de la résistance a la fatigue gigacyclique au calcul de structure // Bulletin S.F.M. Revue Française de Mécanique. 2000. N l.P. 13-18.

4. Coffin L.F. The effect of frequency on the cyclic strain and fatigue behavior of Cast Rene at 1600° F //Met. Trans. 1974. vol. 5. № 5. P. 1053-1060.

5. Gumbel E.J. Statistics of extremes. Columbia University Press. New York. 1958

6. Hoff N.J. The necking and rupture of rods subjected to constante tensile loads // Jour. appl. mech. 1953. vol.20. №1. P. 105-108.

7. J. C. Scully. The fundamental of corrosion. Pergamon Press. Oxford. New York et al. 1975.

8. J. L. Bogdanoff, F. Kozin Probabilistic Models of Cumulative Damage. M: «Мир», 1989.

9. К. J. Miller. Materials science perspective of metal fatigue resistance/ Materials science and technology. June 1993. Vol.9 p. 453 462

10. Kaelbly D. N. A relationship between the fracture mechanics and surface energetic failure criteria // Journal of Applied polymer Science. 1974. V. I 8. №6. P. 1869-1880

11. Lloyd D., Lipov M. Reliability: management, methods and mathematics. Prince Hall. Inc. Englewood Cliffs. New Jersey. 1962

12. Parkins R. N, Greenwall B. S. //Metal Sci. -1977. 11, №8-9. - P. 405-413

13. Refat EL-Sheikhy, Nobuo Nishimura. Comparisons of cracking processes among directional fracture theories. (New Treatment. Technology report of the Osaka University / Vol. 49. 15 April, 1999. (Faculty of engineering Osaka University, Japan) p. 72 77

14. Rhodes D., Musuva J. K., Radon J. C. //Eng. Fract. Mech. 1981.-15, №3-4.-P. 407-419

15. Wei R. P., Landes J. D. //Moter. Res. and Stand. 1969-9, №7. - P. 25-46

16. Акимов Г. В. Теория и методы исследования коррозии металлов. М. -Л.: АН СССР. 1945. 415 с.

17. Арутюнян Р. А. Вероятностная модель разрушения вследствие питтинговой коррозии//Проблемы прочности. 1989. №12. С. 106-108.

18. Арутюнян Р. А. Проблема деформационного старения и длительного разрушения в механике материалов. Изд-во СПбГУ, 2004. 252 стр.

19. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. Учет неупругой деформации в модели длительного коррозионного разрушения. // Вестник СПбГУ. Сер. 1. Вып. 3. 2001. (№ 17). С. 60-64.

20. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. Кинетика роста коррозионных трещин и критерий усталостного разрушения. // Вестник СПбГУ. Сер. 1. Вып. 3. 2002. (№ 17). С. 42-46.

21. Арутюнян Р. А., Денисова А. А. О роли коэффициента интенсивности напряжений в процессах роста коррозионных трещин и усталостного разрушения. //Вестник СПбГУ. Сер. 1. Вып. 2. 2002. (№ 17). С. 59-64.

22. Арчаков Ю. И. Водородная коррозия стали. М.: Металлургия. 1985. 192 с.

23. Арчаков Ю. И. Исследование скорости водородной коррозии труб из углеродистой стали // АН СССР, Журнал прикладной химии. М. Л.: 1960. Т. 33. Вып. 11. С. 2547-2552.

24. Астафьев В. И., Рагузин Д. Ю., Тетюева Т. В., Шмелев П. С. Оценка склонности стали к сульфидному коррозионному растрескиванию под напряжением // Заводская лаборатория. 1994. Т. 60. №1. С. 37-40.

25. Астафьев В. И., Ширяева JI. К. Накопление поврежденности в металлах и коррозионное растрескивание металлов под напряжением. Самара. Изд-во «Самарский университет». 1998. 123 с.

26. Боли Б. А., Уэйнер Дж. X. Теория температурных напряжений. М.: Мир. 1964. 517 с.

27. Болотин В. В. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение. 1990. 448 с.

28. Болотина В. В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат. 1965. 280с.

29. Гольдштейн Р. В., Осипенко Н. М. Модель разрушения трубопроводной стали при наводороживании // Физико-химическая механика материалов. 1996. Т. 32. №53. С. 25-33.

30. Гутман Э. М. Механохимия металлов и защита от коррозии. М.: Металлургия. 1981. 271 с.

31. Денисова А. А. Оценка циклической прочности тонкостенных конструкций, взаимодействующих с агрессивной средой. // Научные труды VI Международного симпозиума «Современные проблемыпрочности» им. В. А. Лихачева. Т. 2. Великий Новгород. 2003. С. 56 -61.

32. Деформирование материалов и элементов конструкций в агрессивных средах//Сарат. политех, ин-т. Саратов. 1983. 100 с.

33. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. ML: «Наука», 1971. 576 стр.

34. Карпунин В. Г., Клещев С. И., Корнишин М. С. К расчету пластин и оболочек с учетом общей коррозии // Тр. X Всес. конф. по теории пластин и оболочек. Т. 1, Тбилиси: Мецниереба. 1975. С. 166-174.

35. Качанов Л. М. О времени разрушения в условиях ползучести // Изв. АН СССР. ОТН. 1958. №8. С. 26-31.

36. Качанов Л. М. Основы механики разрушения. М.: Наука. 1974. 312 с.

37. Кинделл В. В. Испытания на долговечность трубопроводов горячего водоснабжения.// Труды американского общества по испытанию металлов, т.11. 1952 г.

38. Колгатин Н. Н., Гликман Л. А., Теодорович В. П. Методика длительных испытаний на разрыв трубчатых образцов под внутренним давлением водорода при высоких температурах // Заводская лаборатория. 1957. Т. 23. № 9. С. 1098-1101.

39. Колотыркин Я. М., Лазоренко-Маневич Р. М. // Journal Electroanalitic chemistry.-1987-228, № 1-2,- Р/ 301-328.

40. Корнишин М. С., Карпунин В. Г. К устойчивости пластин и оболочек с учетом общей коррозии // Тр. семин. по теор. оболочек. Каз. физ. тех. ин-т. АН СССР. Вып. 6. 1975. С. 58-66.

41. Коррозионная стойкость оборудования химических производств. Нефтеперерабатывающая промышленность. Справочное руководство. Под ред. Сухотина А. М. И Арчакова Ю. И. JL: «Химия». 1990.400 с.

42. Кулагин Д. А., Локощенко А. М. Анализ влияния окружающей среды на длительную прочность с помощью вероятностного подхода // Известия РАН. Механика твердого тела. 2001. № 1.

43. Локощенко А. М. Ползучесть и длительная прочность металлов в агрессивных средах. М.: Изд-во Моск. ун-та. 2000. 178 с.

44. Максимович Г. Г., Павлина В. С., Скицкий Р. Ю. Длительная прочность деформированных материалов в условиях физико-химических воздействий // Физико-химическая механика материалов. 1976. Т. 12. №5. С. 85-87.

45. Макуха Н. В. Вероятностный подход к расчету и оптимальному проектированию элементов конструкций, взаимодействующих сагрессивной средой // Мат. и электрон, моделир. в машиностр. Киев. 1989. С. 84-89.

46. Нельсон Г.Г. Водородное охрупчивание. Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов. М.: Металлургия, 1988, с. 256-333.

47. Овчинников И. Г. Об одной схеме учета воздействия коррозионной среды при расчете элементов конструкций // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1984. №1. С. 34-38.

48. Овчинников И. Г., Елисеев Л. Л. Применение логистического уравнения для описания процесса коррозионного разрушения // Физ. -хим. механика материалов. 1981. №6. С. 30-35.

49. Павлов П. А., Кадыбеков Б. А., Колесников В. А. Прочность сталей в коррозионных средах. Алма-Ата: Наука. 1987. 272 с.

50. Павловский Б. Р., Гольдштейн Р. В., Саакиян Л. С. К оценке эффективности металлопокрытий в условиях наводороживания // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. 1981. Вып. 1. С. 14-15

51. Работнов Ю. Н. О возможном механизме разрушения металла в коррозионной среде // Известия АН СССР. ОТН. 1954. №6. С. 53-56.

52. Работнов Ю. Н. О механизме длительного разрушения // Вопросы прочности материалов и конструкций. М.: Изд-во АН СССР. 1959. С. 5-7.

53. Работнов Ю. Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука. 1966. 752 с.

54. Ребиндер П. А., Щукин Е. Д. Поверхностные явления в твердых телах в процессе их деформации и разрушения // Успехи физических наук. 1972. Т. 108, Вып. 1.С. 3-42.

55. Романив О. Н. Новые подходы к оценке коррозионной усталости металлов // Итоги науки и техники. Серия «Коррозия и защита от коррозии». 1990. Т. 16. С. 55-88.

56. Романив О. Н., Никифорчин Г. Н. Механика коррозионного разрушения конструкционных материалов. М.: Металлургия . 1986. 294 с.

57. Серенсена С. В., Когаева В. П. Стохастические теории накопления усталостных повреждений. Машиноведение, 1966, №3, с. 62-68

58. Стеклов О. И. Прочность сварных конструкций в агрессивных средах. М.: Машиностроение. 1976. 200 с.

59. Тымьяк Н. И., Андрейкив А. Е. Определение скорости роста трещины в условиях совместного действия статических нагрузок и коррозионно-активной среды // Физико-химическая механика материалов. 1995. №2. С. 68-74 (укр.).

60. Фархадов А. А. Изучение условий изменения коррозии образцов из стали марки Ст. 3 в Каспийском море.// Коррозия металлоконструкции в море. Вып. 1. Азнефтеиздат, Баку. 1954.

61. Цикерман JI. Я. Диагностика коррозии трубопроводов с применением ЭВМ. М.: Недра. 1977.

62. Цикерман Л. Я. Долгосрочный прогноз опасности грунтовой коррозии металлов. М: «Недра». 1966. 175 стр.

63. Явойский В. И., Хаазе Р., Лузгин В. П. Химическое взаимодействие неметаллических включений со сталью в твердом состоянии // Известия АН СССР. Металлы. 1974. №3. С. 39-54.

64. Долгий А. А., Красовский А. Я., Маковецкая И. А., Тороп В. М. Опыт оценки ресурса магистральных трубопроводов, претерпевших длительные эксплуатационные воздействия.

65. Партон В. 3., Морозов Е. М. Механика упругопластического разрушения. М.: «Наука». 1985. 505 с.