Моделирование замедленного разрушения элементов конструкций под действием водорода на основе решения связной задачи тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Феноменология взаимодействия водорода с металлами.

1Л. Состояние водорода в металлах.

1.2. Влияние водорода на механические свойства металлов.

1.3. Замедленное разрушение металлов, обусловленное водородом.

1.4. Теоретические подходы к описанию водородного охрупчивания.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. Моделирование замедленного разрушения металлических материалов под действием водорода.

2.1 Оптико-телевизионные исследование поверхности деформирования образцов «in situ».

2.2. Экспериментальные исследования процесса замедленного разрушения металлов под действием водорода: роль дефектности в зоне предразрушения.

2.3. Построение физико-механической модели зарождения и развития трещины в условиях водородного охрупчивания на основе теории накопления повреждений.

Выводы к главе II.

ГЛАВА 3. Математическая модель зарождения и развития трещины при замедленном разрушении под действием водорода.

3.1 Основные положения феноменологической модели.

3.1.1 Упругопластическая задача.

3.1.2 Нестационарная диффузия водорода в поле механических напряжений с учетом дефектности.

3.1.3 Описание процесса накопления повреждений.

3.2 Постановка связной задачи нестационарной диффузии, упругопластичности и накопления повреждений.

3.3 Численное решение краевой задачи методом конечных элементов.

3.4 Алгоритм решения связной задачи зарождения и развития трещины под действием водорода в упруго-пластическом материале.

3.5 Примеры расчета зарождения трещины на образцах с концентратором напряжений при одноосном растяжении.

3.6 Задача о развитии поверхностной трещины в трубе под внутренним давлением в условиях водородного охрупчивания.

Выводы к главе III.

В большинстве случаев разрушение металлоконструкций связано с хрупким катастрофическим разрушением элементов машин и конструкций при их эксплуатации в условиях низких климатических температур под действием статических и усталостных нагрузок. Это происходит в результате образования холодных трещин (XT) в соответствии с закономерностями так называемого замедленного разрушения (ЗР). Одним из основных охрупчивающих факторов при ЗР металлоконструкций, в том числе сварных соединений, является воздействие растворенного водорода. Водород в объеме металла может оказаться в процессе различных металлургических и технологических операций (объемная закалка, сварка, токарная и фрезерная обработка и т. д.).

Анализ характера разрушения металлических материалов под воздействием водорода и неоднородных остаточных или рабочих напряжений показывает, что исследование этого процесса прямыми экспериментальными методами затруднено локальностью, сложностью и взаимосвязанностью протекающих физико-химических и механических процессов. Поэтому для разработки адекватной модели ЗР элементов металлоконструкций и оценки сопротивляемости и ресурса, в том числе индивидуального остаточного, более перспективными и целесообразными становятся теоретические подходы, основанные на физико-математическом моделировании.

Таким образом, в связи с необходимостью увеличения безопасности эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера машин и конструкций, в том числе сварных, а также потребностью в новых материалах с высокими хладостойкостью и трещиностойкостью, задача создания достоверной расчетной модели замедленного разрушения, образования и развития холодных трещин, развития расчетно-экспериментальных методов оценки поврежденности элементов конструкций с учетом реальных процессов, происходящих в области предразрушения, приобретает особую актуальность.

В данной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований обоснован алгоритм и осуществлена численная реализация модели развития локального разрушения элемента металлоконструкции, находящегося в условиях водородного охрупчивания (ВО). Процесс ВО считается одним из основных механизмов ЗР. Модель основана на соотношениях континуальной механики деформируемого твердого тела, теории накопления повреждений Качанова-Работнова, и учитывает влияние водорода на прочностные свойства материала.

Целью данной работы является разработка экспериментально обоснованной модели замедленного разрушения элемента конструкции при совместном действии водорода и статического нагружения на основе решения связной задачи диффузии, упругопластичности и накопления локальной поврежденности.

Задачи, сформулированные для достижения поставленной цели:

- Установление основных феноменологических закономерностей проявления и механизмов ЗР под действием водорода на основе анализа существующих подходов к описанию водородного охрупчивания;

- Исследование методами оптической, оптико-телевизионной, электронной растровой и зондовой (туннельной) сканирующей микроскопии поверхностей разрушения элементов конструкций и модельных образцов, подверженных воздействию водорода, и экспериментальное обоснование механизма замедленного разрушения под действием водорода;

- Разработка математической модели ЗР под действием водорода на основе выявленных закономерностей проявления данного процесса, численная реализация модели и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными. Проведение вычислительного эксперимента.

Научная новизна.

Для анализа явления замедленного разрушения металлов под действием водорода впервые применен комбинированный иерархический подход, позволивший на основе теоретического анализа, экспериментальных исследований на различных структурных уровнях и численного моделирования решить связную диффузионно-упругопластическую задачу замедленного разрушения под действием водорода, учитывающую накопление материалом поврежденности и влияние водорода на его механические свойства.

На основе проведенных экспериментальных исследований показано, что при замедленном разрушении под действием водорода происходит формирование специфической структуры деформации, которое проявляется на субмикроуровне в виде интенсификации зарождения и транспорта микродефектов в места сегрегации водорода.

Разработана математическая модель замедленного разрушения металлических материалов под действием водорода, основанная на связном решении задач упругопластичности, диффузии водорода в поле механических напряжений с учетом изменяющейся дефектности среды, и накопления материалом повреждаемости под действием внешней нагрузки и водорода.

Научная и практическая ценность работы состоит в разработке экспериментально обоснованной теоретической модели ЗР металлов под действием водорода, корректно описывающей все этапы возникновения и развития трещины. Модель основана на решении связной задачи, сформулорованной в рамках континуальной механики деформируемого твердого тела.

Большую ценность представляет применение разработанной модели в качестве средства уточнения состояния элементов конструкций для оценки ресурса, в том числе остаточного, потенциально опасных объектов, работающих в условиях водородного охрупчивания. Дан анализ влияния водорода на характер разрушения материала. Решение поставленных задач вносит существенный вклад в понимание процессов, происходящих при ЗР.

Исследования, представленные в работе, выполнены в соответствии с планами научно-исследовательских работ - по программе "Механика, научные основы машиностроения" СО РАН (тема 1.11.1.10 /рег. 01 960 000 989/ «Разработка методов моделирования неравновесных процессов в гетерогенных материалах и создание новых материалов, технологий и основ оптимального проектирования для повышения надежности и работоспособности конструкций и машин, работающих под действием статических и динамических нагрузок в условиях Севера» на период 1996-2000 гг., и тема /Индекс 2.3.3., 2.3.6, per. ГР 01.2.00.107181/ «Разработка и усовершенствование методов расчета прочности, надежности и оценки ресурса элементов машин и конструкций, работающих в условиях Севера» на период 2001-2005 гг.) и республиканской целевой НИР «Разработка новых сварочных технологий и критериев оценки прочности и ресурса для техники Крайнего Севера», выполняемой по заказу Министерства промышленности PC (Я). Теоретические и модельные исследования выполнялись в рамках программы комплексных интеграционных проектов СО РАН (проект №2), Федеральной программы по поддержке ведущих научных школ (00-15-99061), инициативных проектов РФФИ (98-0101370, 98-02-03714, 00-01-96210, 01-01-00161), программы «Интеграция» Минобразования и Минатома РФ (проект 1.53 «Атом»).

Достоверность полученных результатов обеспечивается

По постановке задачи и методам решения - математической корректностью поставленных в рамках механики деформируемого твердого тела задач; применением теоретически обоснованных и апробированных численных методов; проверкой работоспособности разработанных алгоритмов и оценкой точности счета на тестовых примерах; сравнением результатов численного расчета с опубликованными данными других авторов, а также сопоставлением расчетных данных с экспериментальными данными;

По использованию апробированных методик эксперимента - широким применением на практике методов фрактографического анализа изломов, туннельной сканирующей микроскопии (ИФТПС СО РАН, г.Якутск), технологией распознавания образов оптического увеличения в на базе стандартного видеосигнала (ИФПМ СО РАН, г.Томск).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Сварка и сварочные материалы" (г. Санкт-Петербург, 1998), Международной конференции "Прочность сварных соединений" (г. Киев, 1998), Республиканской научно-практической конференция молодых ученых и студентов "Шаг в будущее" (г. Якутск, 1998), Международной конференции "Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций" (г. Киев,2000), Международной конференции "Физико-технические проблемы Севера" (г. Якутск, 2000), 1-ом Международном Симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин в условиях холодного климата (г. Якутск, 2000), II и III "Лаврентьевских чтениях" (г. Якутск, 2000, 2001 - серебряная медаль), VI Международной конференции по компьютерному конструированию материалов (г. Томск, 2001), III Международной конференции по математическому моделированию (г. Якутск, 2001), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Пермь, 2001); Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (г. Черноголовка,2002); на семинарах лаборатории физической мезомеханики ИФПМ СО РАН (г. Томск, 2001), и лаборатории микро и макро механики разрушения ИМАШ РАН (г. Москва, 002), отдела хладостойкости материалов и конструкций ИФТПС СО РАН (г. Якутск, 19992002).

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 14-ти публикациях, а также в итоговом отчете по Программе "Механика, научные основы машиностроения" СО РАН за отчетный период 1996-2000 гг.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (162 наименования) и приложения. Работа изложена на 146 -ти страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 2 таблицы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ:

1. Построена математическая модель, основанная на связном решении задач диффузии, уиругоиластичности, и накопления поврежденности, которая позволяет описать все стадии замедленного разрушения материала под действием водорода при статическом или квазистатическом нагружении, включая инкубационный период накопления водорода в зоне предразрушения с критическим уровнем повреждений, образование и скачкообразный рост трещины, и достижение ею критической длины, контролируемой критериями механики разрушения. Область применения модели ограничена задачей образования и роста трещины в элементе конструкции из упругопластического повреждающегося материала при наличии неоднородных напряжений и водорода;

2. Методами оптической, зондовой и растровой микроскопии выявлено многоуровневое влияние водорода на процесс деформации и разрушения материала, проявляющееся в ускорении процессов образования и накопления дефектов на субмикро- и микроуровне, локализации деформаций на мезоуровне, и потере прочности на макроскопическом уровне.

3. Для анализа явления замедленного разрушения металлов под действием водорода впервые применен комбинированный иерархический подход, позволяющий на основе теоретического анализа, экспериментальных исследований и численного моделирования решить связную диффузионно-упругопластическую задачу замедленного разрушения под действием водорода с учетом повреждаемости материала.

4. Анализ состояния водорода в металлах показал, что на процесс замедленного разрушения наиболее существенное влияние оказывает водород, находящийся в обратимых и необратимых ловушках, количество которых связано с дефектностью материала, сильно зависящей от уровня деформации. Включения и примеси в материале сильно увеличивают количество ловушек водорода. Выявлена зона локального накопления водорода, находящегося в

123 ловушках; выяснено, что решеточный водород в процессе охрупчивания играет второстепенную роль.

5. Введение параметра поврежденности у/ позволяет оценить не только критический уровень локальной концентрации водорода, но и определить время элементарного акта разрушения.

6. Разработанная модель применена для оценки трещиностойкости элемента конструкции, и может быть использована при расчете ресурса, в том числе остаточного, потенциально опасных объектов, работающих в условиях водородного охрупчивания.

1. Андрейкив А.Е., Панасюк В.В., Харин B.C. Теоретические аспекты кинетики водородного охрупчивания металлов//ФХММ. 1978.—№3. -С.3-23.

2. Арчаков Ю.И. Современные проблемы защиты металлов от водородной коррозии//ФХММ. 1986. - Том 22, - № 3, - С. 15-20.

3. Астафьев В.И., Ширяева Л.К. Накопление поврежденности и коррозионное растрескивание металлов под напряжением. Самарский университет, 1998.-123 с.

4. Бениева Т.Я., Полоцкий И.Г., Скопин B.C. В кн.:«Металлофизика». К:Наукова Думка, 1971,- т.36,- С.86-90 с табл.

5. Бойл Дж., Спенс Дж. Анализ напряжений в конструкциях при ползучести. -М.: Мир, 1986.-360 с.

6. Болотин В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций.- М: Машиностроение,- 1984.- 312 с.

7. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций М: Машиностроение, 1990. -448 с.

8. Бреббия К., Теллес Ж. Вроубел Л. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987.-524 с.

9. Броек Д.В., Игнатов В.А. Модель поглощения водорода металлами с учетом десорбции с поверхности //ФХОМ, 1994, №1, - С.64-69.

10. Взаимодействие водорода с металлами/ Агеев В.Н., Бекман И.Н. и др. М.: Наука, 1987.-296 с.

11. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984. - 280 с.

12. Водород в металлах/ Под. ред. Г. Алефельд, И. Фелькель В 2 т. М.: Мир, 1981. -т. 1-2.

13. Галлагер Р. Метод конечных элементов.Основы. ~ М.: Мир, 1984 428 с

14. Гельд П.В., Рябов Р.А. Водород в металлах и сплавах.-М.: Металлургия, 1974. 272 с.

15. Гельд П.В., Рябов Р.А., Кодес Е.С. Водород и несовершенства структуры металла. М.: Металлургия, 1979. - 220с

16. Глазкова С.М., Пастоев А.В., Саррак В.И., Филиппов Г.А., Шляфирнер

17. A.M. Исследования влияния водорода на пластичность и характер разрушения конструкционной стали 38 ХС//ФХММ.-1976 №5.-С.21-26.

18. Гольдштейн Р.В., Ентов В.М., Павловский Б.Р. Модель развития водородных трещин в металле.-ДАН СССР, 1977 т.237.-№4-С.828-831.

19. Гольдштейн Р.В., Каплан А.Г., Куксин С.Б. Исследование процесса диффузии в областях с малыми дефектами.-М:Институт проблем механики АН СССР, 1985. препринт №264. - 90 с.

20. Горбачев К.П. Метод конечных элементов в расчетах прочности и пластичности конструкционных материалов. Л.: Судостроение, 1985. -154 с.

21. Грибанова Л.И., Саррак В.И., Филиппов Г.А. Процесс зарождения трещины при замедленном разрушении стали в условиях насыщения водородом//Физика мет. и металловед-1985 -Т.59 №5.-С.996-1004.

22. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М. Мир, 1975. - 541 с.

23. Кадырбеков Б.А., Колесников В.А., Печерский В.Н. Оценка стойкости сталей к коррозионному растрескиванию при испытаниях с постоянной скоростью деформации//ФХММ. 1989. - №1. - С. 39-43.

24. Карзов Г.П., Марголин Б.З., Швецова В.А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. СПб.: Политехника, 1993. - 391с.

25. Карпенко Г.В. Влияние среды на прочность и долговечность металлов. -Киев:Наукова Думка, 1976. 127 с.

26. Карпенко Г.В. Прочность стали в коррозионной среде. М.: Машгиз, 1963. -187 с.

27. Карпенко Г.В., Крипякович Р.И. Влияние водорода на свойства стали. М.: Металлургиздат, 1962. - 197с.

28. Карпенко Г.В., Литвин А.К., Ткачев В.И., Сошко А.И.//ФХММ -1973, т.9-№3- С.6-12.

29. Кархин В.А. Математическое моделирование диффузии водорода в сварных соединениях. /Межд. конф. по свар, материалам и свар, технологиям.- С.-Петербург, 1-2 июня 1993.- С.50-62.

30. Кархин В.А. Моделирование диффузии водорода при сварке водорода.// Сборник научных трудов« Автоматизация технологической подготовки технологии сварочного производства». Тула:ТПИ, 1986. - С.43-50.

31. Кархин В.А., Михайлов В.Г. Распределение водорода при однопроходной сварке стали. //Авт.сварка. 1985. -№.6. - С.39-42.

32. Качанов Л.М. О времени разрушения в условиях ползучести/Изв. АН СССР, ОТН.- 1958.- №8.

33. Качанов Л.М. Основы механики разрушения. М: Наука, 1974. - 312 с.

34. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969 - 420с.

35. Колачев Б.А. Водородная хрупкость металлов. М.: Металлургия, 1985. -216 с.

36. Колачев Б.А., Заика В.И., Фишгойт А.В. Влияние водорода на предел текучести стального проката в период проведения сдаточных испытаний//ФХММ. 1984. - №2 - С.96-99

37. Корчагин А.П. О влиянии водорода на предел текучести стали//Изв. АН СССР. Металлы. 1973. - №5. - С.202-203.

38. Коттерил П. Водородная хрупкость металлов. Пер. с англ. М.: Металлургиздат, 1963.-169 с.

39. Коттрелл А.Х. Дислокации и пластическое течение в кристаллах. -М.Металлургиздат, 1958. 268 с.

40. Красовский А.Я. Хрупкость металлов при низких температурах. Киев: Наукова Думка, 1980. 340 с.

41. Кроншталь О.В., Харин B.C. Влияние неоднородности материалов и теплосмен на диффузию водорода как фактор риска развития водородной деградации металлов//ФХММ. 1992. - т.28, №6- С.7-20.

42. Кутепов С.М., Юрайдо Б.Ф. Об изменении свойств сплава АТЗ в процессе эксплуатации под действием коррозионной среды.// Механика конструкций, работающих при воздействии агрессивных сред. Саратов, СПИ, 1987 - С.46-47

43. Лацош К. Вариационные принципы механики.М.:Мир,1965.- 210с.

44. Лепов В.В. Синергетический подход к оценке сопротивляемости замедленному разрушению элементов сварных конструкций: Дис. .канд. техн. наук. Якутск, 1995. -224 с.

45. Лурье А.И. Теория упругости. М.: Наука, 1970. 940 с.

46. Лю.Х.В. Коррозионное растрескивание и взаимодействие между полем напряжения у кончика трещины и растворенными атомами. //Теор.основы инж.расчетов.- сер.Д.- 1972.- т.92.- №2.- С.767-772.46