Ползучесть и разрушение теплоустойчивых сталей при сверхбольших длительностях нагружения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

1Л ----------------------

сп На ирурчх р-:котсп

сг> г

С? 13=

03

СО

с- 1 ПЕТРЕНЯ

Юрий Кириллович

ПОЛЗУЧЕСТЬ И РАЗРУШЕНИЕ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ ПРИ СВЕРХБОЛЬШИХ ДЛИТЕЛЬНОСТЯХ НАГРУЖЕНИЯ

Специальность: 01.04.07 — Физика твердого тела

01.02.04 — Механика деформируемого твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

САНкТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по исследованию и проектированию энергетического оборудования им. И. И. Ползунова (НПО ЦКТИ).

Научный консультант — доктор технических наук профессор Чижик Андрей Александрович. '

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических 'наук профессор Лихачёв Владимир Александрович;

доктор физико-математических наук профессор Партон Владимир Залма-новин;

заслуженный деятель науки п техники РФ доктор технических наук профессор Паршин Анатолий Максимович.

Ведущая организация — Институт машиноведения им. акад. А. А. Благонра-вова Российской Академии наук.

Защита состоится — -—-1995 года в-ч в ауд__

корп.

на заседании специализированного совета Д 063.38.21 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, С.-Петербург, ул. Политехническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПбГТУ. Автореферат разослан . "-г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.38.21

кандидат физико-математических наук доцент А. А. Васильев

J

Общая характеристика работы.

Актуальность. Проблем« развития научных основ теоретическою и экспфимспталыюго изучения повеления широкого класса мста.пн-ческих материалов, который представляют теплоустойчивые стали, в условиях ползучести для сверхбольших длительностей иагружсння (200 и более тысяч часом.), диктуется потребностями далык ииего рашишя исследований ползучести и разрушения теплоустойчивых стал«'! с учётом «ярцктерн ИТ *»И11М!|!И» TMifT^T'll 11 п »1 .................^Г'.-.

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 мехаиизгов мнкроразрушсния, изменениями в характере и кинетике накопления повреждаемости, изменениями реологических и прочностных характеристик материала в завмснмосш oi характера н условий нагружемнч конструктивного злемеша. Решенне проблемы описания ползучести и ра ¡рушения при сверхбольших длительностях требует комплексною использования мегодом фишки прочности, континуальной механики повреждаемости и материаловедения.

C'ouamie континуальной механики повреждаемоеш связано с работами J (,М. Качалова и Ю.Н.Работнова. в которых впервые было введено понятие параметра повреждаемости и дан скалярный вари.им теории повреждаемости. Впоследствии это направление развивалось н работах В. И. Астафьева. Л.А.Ильюшина, IO.fl. Самарина, О.В. Сосни-на, С. Л. Шестерикова, Lcckie. Havhurst. Chaboche, Murakami. Dyson RieJel. Hurst и др.. в которых рассматривались скалярные и icniop n.ie представления параметра повреждаемости и их ириложечшч к ря.г. и.ич Применительно к проблеме долговременной полтучесгн чеы.тш'кчпп материалов со сложными составом и crр\м\рой очевидна /и-оГопдн

мость дальнейшего развития методой 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.Бетехтина, 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 нагруженад является йеобходимой 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, А.М.Паршиным, А.В.Станюг ковичем, Г.А.Туляковым, АА.Чижиком, Auerkari, Bicego, Ceijak, Dyson, Foldyna, Neubauer, Viswanathan, Weber, Woodford и др. показали влияние 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, 1012% Cr 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 сталей (шкалы

Повреждаемости, структурный фактор и т.п.) носят качественный характер, Не ПозНоШот выполнить взаимное согласование различных криге-рИеВ оЦеккИ состояния с единых позиций. Практически огсугств\ю1 данные по экспериментальной оценке и теоретическому моделированию рассеШШЯ результатов эксперимента при сверхбольших длительностях нагружения, что Не позволяет последовательным образом применять показатели надёжности в статистической постановке.

Цель работы. Основной целью данной работы явилась рафаботка Методов описания сопротивляемости деформированию и разрушению на б'.оетеоргтико-экспернмснталыюго исследования механизмов мнкрораз-рушення Н повреждаемости, с развитием физических моделей, моделей континуальной механики и материаловедческого анализа теплоустойчивых сталей при сверхбольших длительностях нагружения. 8 Нйстояшем Комплексе исследов ний были рассмотрены следующие проблемы:

- описание ползучести, длительной прочности и повреждаемости с единых позиций с учётом механизмов микроразрушения и влияния ориентации напряжений на накопление повреждаемости на oaie моделей континуальной механики повреждаемоеi и:

- построение пространств механизмов микроразрушения и условиях иолзучесщ и описание накопления повреждаемости п шинельной прочности при сложном напряжённом состоянии в условиях меж!ереино1о разрушения;

- физическое моделирование накопления повреждаемости при нес га-нионарнмх темпера гурно-силовых условиях нагружения и ею (отношение с феж л1споло|ическими моделями, критериями суммирования повреждаемостей и описанием влияния условии нагружения на изменение длительной прочности:

-описание ползучее!!! при нестационарных (емпераiурно-си юных w и-Виях ншруженпя на on ie моделей конншхалмюй механики ичвреж.ие х«осги;

- моделирование длительной прочности материалов с гетерогенной структурой (расчётная оценка влияния структурного фактора);

- моделирование рассеяния характеристик ползучести и длительной прочности;

- описание показателей надёжности в детерминированной и статистической постановке и установление их связи с характеристиками ползучести, 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-ашовых условиях нагружения;

- модель континуальной механики повреждаемости в векторной форме для межзёренного разрушения в условиях ползучести;

г,

- 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-силовых 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 условий

нагружения;----------------------------------- ------------------------------

- описание показателей надёжности в условиях ползучести (коэффн-циентов запаса прочности по напряжениям и по долговечности) в статистической постановке и установление их связи с параметром повреждаемости, деформацией и скоростью ползучести.

Практическая ценность и реапичапия результатов.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что расчег-!Ю - экспериментальные исследования поведения 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 реализованы

- при оценке фактического состояния и разработке рекомендаций по контролю состояния и остаточному ресурсу ответственных элементов энергооборудования электростанций ряда энергосистем;

- при разработке методических рекомендаций Госстандарта МР60-82 "Расчёт и испытания на прочность. Расчётные методы определения не суше» способности и долговечности элементов машин и конс!р>кчши. Метод определения параметров кривых ползучести и накопления повреждаемости при одноосном нагруженни";

при разработке технических требований к металлу поковок и труб, в том числе и установок получения ПВД.;

- при разработке положения о системе технического диагностирования паровых и водогрейных котлов промышленной энергетики. ¿ЦШвМШда&Ш» Основные иаунше положения и результаты рабо-ш

.юк.тадыпались и оба ждались на 3-й Меаи> народной комф^сииин и-.

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 н разрушению материалов к 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 (Киев, 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), У1-м Всесоюном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986), семинаре-совещании 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 иаучно-методнческой 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-

У

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 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы её основные положения, даны полученные в ней новые результаты, прицелено кр.и кос изложение всех глав.

В первой главе дан анализ моделей континуальной мехаикп повреждаемости, применяемых для описания накопления повреждаемости, ползучести и длительно!! прочности, а также представлена модель континуальной механики повреждаемости со структурными параметрами состояния, введёнными с учётом действующих механизмов микрораз-рушення (вязкого, межзёреиного по механизмам клиновидных трешин и пер).

В данном разделе работы приводятся и критерии корректного применения континуальной механики повреждаемости со структурными параметрами состояния, учитывающими механизм микроратрушения. рассмотрен методический подход к установлению соотношений между экспериментальными методами определения состояния металла и теоретическим описанием накопления повреждаемости на базе конт-нуальной механики повреждаемости. В модели континуальной механики погрккдяемостн число параметров повреждаемости, яроянчмт в рассмотрение, совпадает с числом действующих механизмов микроразрушения. Для области вязких разрушений при ползучести структурный параметр состояния зависит от сдвиговых напряжений и может быть представлен как параметр повреждаемости С"^. Система огтргдел~пп;и-:

уравнений к об'ЧСЧ €дуч;*г гч'ЛН.'ыял.чтя следующим образом'

с/ со

сг

£ } V 1 - СО

с1 Г

СО = СО , + СО 2

* ® л ~ в ( а '

(/ г

с/ со ,

а /

с] со

2 _

/

1 - <а • л: = 0 , а , 2 О

= С

сг

е , , а , £ О

1 - со • К

N ,

где ¿о,], 0) - параметры повреждаемости для областей вязкого и хрупкого о

разрушений при ползучести соответственно, ег - деформация ползучести при разрушении, 01, ел - максимальное нормальное напряжение и интенсивность касательных напряжений соответственно, е| - единичный вектор направления а|,- N - нормаль к октаэдрической площадке, К -нормаль к поверхности разрушения.

Решение системы кинетических уравнений совместно с уравнением ползучести позволило получить описание кривых длительной прочности, ползучести, накопления повреждаемости в том числе в условиях сжатия, последовательным образом обосновать нарушение подобия кривых ползучести в области хрупких разрушений при смене механизма микроразрушения.

При установлении соотношения между расчетным способом и экспериментальным методом определения повреждаемости по изменению измеряемого параметра р указывается на необходимость применения определенного методического подхода, в рамках которого должно совместно реш^ься уравнение повреждаемости и второе-уравнение для

л

изменения измеряемого параметра от времени с учётом величин лене г-

вуюшнх напряжений и температуры. ____________________________________*

На примере установления соотношений между парамефом повреждаемости и величинами доли площади повреждённых границ зёрен 81! и относительного числа границ зёрен с повреждениями А была показана линейная зависимость между А -параметром, 8,1 параметром и со. На рис. I показа!«,I расчётные зависимое!н между S,t -параметром и параметром повреждаемости со для величин" по^ячятетт ддит^лькей прочими и ш = о, готермг псклзыьакн хорошее сошвегстпне с экспериментальными результатами для сталей 13 СгМо 44, 14 МоУ 63.

ол

*

7 0.4 тз

I/]

О J

0.0

0Л0 0.G5 0.10 0.16 О.?0 0.Í5 (ЗЛО

nnjtfiMeTp пок^хеддгмоет

Рис. I. Соотксикешге между S4- параметром и параметром позреаиаемости яда 1.1

СгМо U. 14 MoV 63 eta.-.«:"!. Выло пок.нано, но с jчётом разброса экспериментальных данных можно записать следующие соотношения:

w = 1.6I А для 13 СгМо 44; ш = 0.95 А для 14 MoV 63; ы = I.I I А

;щя lCr-lMo-0.2SV роторной стали; о> = 0.71 S<! для П СгМо 44. м -0.32 Sd ЯЛ я 14 MoV 63.

14 MoV S3 ° ,•'' m - 0

13 a-láa 44 ¡

I

* ,¿ .......^

Для отечественных теплоустойчивых сталей соответствующие соотношения для (О , показывающие хорошее совпадение с экспериментальными результатами для практически важного интервала значений ю < 0.3 -0.4, записаны следующим образом::

(0.06 ш + 0.08)' А, (0.15 т + 0.05)'1 Ба для сталей 12МХ и 15ХМ;

(0.0925 ш + 0.22)"' А, (0.25 ш + 0.9)"' Б* для сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф;

(0.085 т + 0.135)"' А для стали 25Х1М1ФА, где ш • показатель длительной прочности.

Было исследовано соотношение между изменением твёрдости л параметром повреждаемости для сталей 12Х1МФ и 25Х1М1ФА. Похазаио соотношение с параметром повреждаемости размерных характеристик карбидной фазы на примере стали 20Х12ВНИФ, частотная 1фИ-вая которых имеет два максимума как в исходном состоянии, так и после испытаний на ползучесть. Результаты экспериментального исследования характера повреждаемости с применением методов оптической к скицирующей электронной микроскопии были получены при исследовании как металла образцов после испытаний на длительную прочность и ползучесть, так и металла деталей после длительного нагружения (стали 12Х1МФ, 15Х1М1Ф, 25Х1М1Ф, 20Х12ВНМФ, 12Х18Н10Т,ХН35ВТ).

Анализ изменения реологических характеристик и характеристик длительной прочности при изменении механизма микроразрушения показал, что в моделях континуальной механики повреждаемости темпе-ратуроно-силовые (или температурио-вреыеиные) условия применения различных параметров повреждаемости определяются областями действия соответствующих механизмов микроразрушення. Во второй главе представлены карты механизмов микроразрушення в условиях ползучести для ряда материалов, построенные с применением как данных экспериментальных исследований, так и расчётных методов построения диаграмм механического состояния материалов. Карты механизмов микроразрушення в условиях ползучести для сталей 12Х1МФ,

!5ХШ!<1>. 25Х1М1Ф, 20Х12ШШФ построй«,! в косрдм-.атах: без— -----н-яг^^-гт*? { ^пгрпгтсплг: пг4»шГрс^!«н«ё «а модуль упругости) - тенперзтура.

Пж»ии? яда««!« итегтаг ~тс~ стг.тн 25*П?.ТЮ ;и положение границы между областями, различи: п механизмам

швровипияпян о — ".тр"""-;.; при кок»ро»{

гуоноо'нт с'-"г:п !*с"п^пп м ч'\ ренпп ■> ча кежгсрапЕнП, увелн'яяается ара увеличении предела текучести при

м* I ' л "" ; ____,, ЬиСмсНй I мгмы мсу^шпич

рагруетгггггз. Иолугеая пз::дамсстт. экткогезппиоП температуры тспло-усто!г>::ясй спп ог Ее.тн«яЛ!М предела текучести. Показано, что имеется обратно кролсртвгонхтьнзя зависимость между напряжением и временем, при {согерых происходит смена механизма микроразрушення. Установлена текдешэти узеднчекпя показателя длительно!"! проч)!ости для области 5!вжз5рйшсго разрушения ттрн увеличении предела текучести при ком-ггэцг&я Предполагаете»то наличие !еплс:шни увеличения

лпамгс-?-? лтотешюй прочности о области мелчёренн-то разрушения с г^-оа тек) чсст определяется ¡точностью границ при п >.>«.<>! их чскпгчигзуах, которая в свою очередь, также как и предел текучести, гапнпч от услояин термической обработки.

3 работе рассмотрено обобщение-двумерных карг механизмов микроразрушення для многомерного случая, учитывающего влияние сложного напряжённого состояния. Показано, что достаточно резкий перелей о! одного механизма микроразрушення к лр.мочу при одноосной растяжении мотет сменяться относительно плавным переходом при сложном напряжённом состоянии, что связано с различным влиянием вида напряжённого состояния на повреждаемость в условиях ползучесш 01 различных механнгмон микроразрушскич. При анализе повреждаемости металла конструктивных злемеитоп наряду с применение:! традиционных двумерных диаграмм механического состояния

необходимо использование многомерных карт механизмов ыикроразру-шения.

В работе показано, что применение модели континуальной механики повреждаемости с учётом вклада в накопление повреждаемости нормальных и касательных напряжений, приводит к следующему выражению для эквивалентного напряжения:

где ст 1 , а 1 - максимальное нормальное напряжение и интенсивность

касательных напряжений соответственно, ф - коэффициент, зависящий от относительного вклада в повреждаемость от нормальных и касательных напряжений, ш - показатель длительной прочности. Критерий прочности с применением данного выражения для эквивалентного напряжеия учитывает параметр силового закона длительной прочности при одноосном нагруженин ( ш).

В третьей главе представлены результаты экспериментального исследования неоднородного разупрочнения теплоустойчивых сталей в условиях ползучести и модель континуальной механики повреждаемости для среди с гетерогенной структурой.

Был применён метод измерения микротвёрдости металла до и после испытаний на длительную прочность. Исследования проводились для материала как в исходном состоянии, так и после длительного нагруже-ния (50-100 и более ты$. часов). Результаты измерении показали сложный характер изменения микротвёрдости различных составляющих структуры. существенную неоднородность в разупрочнении и даже возможность повышения микротвёрдости отдельных составляющих структуры стали, например, тройные стыки типа феррит - феррит - перлит, феррит -перлит - перлит, при ползучести . Следует отметить, что основное влня-

нне феррита на разупрочнение стали при ползучести проявляется в первую очередь не через разупрочнение тела зерна, феррита (его микротвёрдость изменяется или слабо, или остаётся практически без изменении), а через долю феррита в структуре, влияющую на протяжённость границ раздела и число тронных стыков различного типа, отвечающих за накопление повреадённости и снижение микротвёрдости.

В отличие от традиционного подхода континуальной механики повреждаемости для учёта неоднородности структуры материалов предложена модель механики повреждаемости в детермя'ятрогттгтг?! постановке для успсг.и'Гт, когда ¡лейка периодичности структуры больше размера зерна, но при этом элементы её составляющие сопоставимы с размером зерна (стали с феррито - перлитной, феррито - бейнитной структурой и др., некоторые типы композиционных материалов и т.п.). Определяющие уравнения в общем случае записываются в виде:

(¡1

т

аХ1,

(о>. ТА ......О ),

са

где £1 - структурный параметр состояния для среды:

П | , ... , £1 - параметры состояния для элементов (!. 2.....гп).

... . П¿„ - параметры состояний ) - го элемента ячейки

периодичности структуры. отвечающие различным

::т:рср:прушсння ишпч'о ;

Если в накоплении повреждаемости важную роль играют процессы накопления повреждаемости на границах раздела элементов ячейки периодичности структуры, то определяющее уравнение уточняется с учётом этого обстоятельства и дополняется уравнением:

ЛУ

А/^ог^Г.П'у,.....«;,),

где О- параметр состояния для границ раздела I - ] - го

элементов ячейки периодичности структуры; О ,..., О'л - параметры состояния для (- ] - й границы раздела,

отвечающие различным механизмам микроразрушения. _ Для Сг - Мо, Сг - Мо - V сталей, имеющих феррито - перлитную, ферриво-бейнитную и т.п. структуры, параметр повреждаемости может быть записан в виде;

т т

а = Е /. л = *>

где £ - доля 4 - го элемента ячейки периодичности структуры (например, доли феррита и бейнита). Время разрушения записывается следующим образом:

1=1 ' п ■

V , . 1 ' /, У

где 1п - время разрушения Ьго элемента ячейки периодичности струк-, " & ■ : туры. Ь, - постоянные. На бане данной модели получены соотношения,

описывающие связь длительной прочности с баллом микроструктуры, с долей феррита. Получено соотношение между длительной прочностью области вязких разрушений при ползучести и пределом текучести Сг - Мо, Сг - Мо - V теплоустойчивых сталей:

п

____________________________<?]г = [(л - ^ •

где гп, - показатель длительной прочности феррита, 1г - время разрушения, (Т,^ - предел текучести, а, Ь - постоянные. Для условия ь • сг в ,

а . т < < ' соотношение между длительной прочное!ью н

пределом текучести может быть записано следуюШим образом:

Г - Л

г й —

1 + --а

'Г --

0.2

а~ -т, )

. ш,

Такой характер зависимости между длительной прочностью в области вязких разрушений и Пределом текучести получен и для сталей 12X1МФ, 15Х1М1Ф, 25Х1М1Ф. Вместе с тем, как показало обобщение экспериментальных данных для 1Сг-1Мо-(.25У роторной стали при межзёренном разрушении в условиях ползучести, имеется тенденция уменьшения длительной прочности при увеличении предела текучести. В четвертой главе представлены результаты физического моделирования накопления повреждаемости при нестационарных темпера¡урно-синовых условиях нагруження на основе рассмотрения роста пор на границах зерен. Разработана модель диффузионного роста поры сложной формы при взаимодействии поверхностной и зернограничной диффузии. Предложенный метод решения данной задачи позволяет рассмотреть рост норы равновесной, зрешиноподобной (вытянутой) и промежуточных между ними вариантов формы поры. В качестве молельных материалов были выбраны 1-е (оцк) и Си (гнк). Численная реализация решения задачи днффу тонного рос 1а поры произвольной формы позволила модели -рова1ь щмененне радиуса II, объёма V. линейной к' и обьемнон N скоростей роста поры и плрамефа повреждаемоеги <> при с ыпиои.фш-и и сложи!,IX режимах тмепения напряжения и !емпера!>ры Ветчина

параметра повреждаемости со, применяемого в континуальной механике

повреждаемости, принимаясь равной (2Я/г)}, где г - расстояние между центрами соседних пор. Физическое моделирование диффузионного роста пор с определением параметра ш позволяет проверить и при необходимости уточнить соотношения континуальной механики повреждаемости с учётом физической природы микроповреждений. Эффект изменения механизма роста поры (по изменению формы поры с равновесной на трещиноподобную) оказывает существенное влияние на накопление повреждаемости и исчерпание долговечности при нестационарных температурно-силовых условиях Нагружеиия. О механизме роста поры можно судить по величине безразмерного параметра:

к -Г ■Я 3 ¿Д

у — . . . —

У о , <1* '

где Я-радиус поры, У0- атомный объём, 8Б1 - коэффициент поверхностной диффузии, у - поверхностная энергия, к - постоянная БйлЬцмана, Т -температура. Для • V « I пора в процессе роста сохраняет равновесную форму, а при V » 1 лора растет трешиюиодобно по неравновесному механизму. Разработанная модель и её численная реализация позволяют не только описать рост пор равновесной, треиишоподобной и промежуточной между ними форм поры, но учесть переходные эффекты изменения формы поры вследствие изменении механизма роста поры при нестационарных режимах. Показано, что при изменешщ механизма роста поры наблюдается нарушение подобия кривых зависимости параметра повреждаемости со от величины относительного времеш! I / 1г где 1( -время разрушения.

В работе представлены результаты моделирования поведения материала и различных вариантах ступенчатого иагружения :

T(=T,=const, а, (равновесная форма) < or Оретаппчг-т-';'!:-' |);

G( (греши'дополобн'.п форма! rr, (р-нчиччч'нчп Ф-ччч'Д и (раригчичдкг: i|>op-i <) - ii -.'! '■ - м;ч>'ч.> норм',.

(I. ГтПРШИНПППЛпКняя АпПмЛ - ГТ = Л ("•илмшм.и.«" -ч

'' 'р; :т ; !•<■!'ci; !icn4.iгол ■ ч ■ ■ ■ . ■■■ .. ,

оценку остаточной долговечности по методу изострссс. Машинное

I/UUI1I IIUMUI H^AtUtUIU. -11U 1ШПМЫ1СПИС MClllllil tl li: I I Iff It

может приводить к заниженному значению времен» при оцеп-ке остаточной долговечности, что обусловлено нелинейным характером зависимости tf - Т при с, = const, полученной при моделировании.

Кинетика изменения линейного размера и объёма поры в процессе "залечивания" зависит от формы исходной поры , начального размера

!.\е/;>|.'; ], ■■ .-ч ч* ; ¡и ь<> ' *! I;" • ■ и; ичрч -чч'ч.с н чпч-ч ;(. н,; - ■■■ - •

• он!"! ч: • - ,-. , , .40« "Ч пчь С' о'.¡.с > ч ' ^чч.со ¡'ТО

иу.и:. таа^ини ти^ххатя а. .^и^нч^^и

наггтирииз огпбетшпгти тирмпшч гп ппяиоиси пяп^иэтп»

ступенях иагру.ксния. Было показано, что ступенчатое иагруженне с повышением напряжения а[ < гт, с переходом от условий роста поры

¡4' ЧЧ-'ЧЧ'ЧЧЧ 'V: Ч! ' СДГГЧ'-:'! роста •'(',•>••'•

приводи 1 г \ !'!.'опс::п:о чачч"! 'сшп порреждаечосгн (рис. 2 О •Н'}^'"

сюропы сг.пенч.иое нагр^жлше с понижением напряжен»? «7, > (7, .

когда имеет место переход от условий роста трещиноподобной поры к поре равновесной поры, в течение определенного интервала времени наблюдается уменьшение параметра повреждаемости при одновременном увеличении объёма поры (рис. 26).

Выявленная при моделировании возможность уменьшения параметра повреждаемости при действии напряжения (О > 0) не учитывается в рамках континуальной механики повреждаемости. Кроме того становится очевидной необходимость выделения на карте механизмов микроразрушения в пределах темнературно-силовой (или темпёратурно-временной) области межзёренного разрушения по механизму пор зон, относящихся к росту пор трещиноподобной и равновесной формы. В первую очередь это требуется при рассмотрении процессов накопления повреждаемости и исчерпания долговечности при нестационарном анагружении. Сочетание процессов ускорения и изменения знака линбйного роста поры при одновременном увеличении её объёма при циклическом изменении напряжения (прямоугольный цикл) приводят к сложному характеру изменения параметра повреждаемости в процессе нагружения.

Большой набор, режимов ступенчатого нагружения был изучен для проверки суммирования повреждаемостей при нестационарном нагру-жении, когда на различных этапах нагружения рост пор отвечал росту пор равновесной, трещиноподобной или промежуточным между ними вариантам формы. Было показано, что при циклическом изменении напряжения (прямоугольный цикл) сумма повреждаемостей всегда больше единицы:

У.

где величина суммы изменяется от соотношения величин напряжении в — цикле и соотношения длительностей действия напряжений ( ^ ) в цикле.

w

i'jfc. 2. ïï.iMiîï'iie pocia пярьа fia Г''»i-wfK-i»

¡¡pu ci^ntii43i04i itaipyKceHHH.

Значительно более сложный характер суммирования повреждаемоеiси отмечается при ступенчатом изменении напряжения. В зтом случае как ;ия )1.нр>жеппя i чвечичением напряжения. так и с уменьшением напряжения сумма повреждаемоеleii может бьпь как меньше ia* и бен,ни-елпннн1>1 Можно однако сделать вывод что для широкою ,maii.i h.h.i илчиий сппенчаюго н.':ружения при уменьшении н.тря.+ снии на

ма превышает единицу, а при увеличении напряжения эта сумма меньше единицы. Обобщение данных моделирования позволило записать следующее правило суммирования повреждаемостей при ступенчатом нагружешш ( а( - 02 ) в изотермических условиях:

^ tj _ Л , h = а\

I t ft hi a2

lfi «/« /2 2 где Oj , Oj и t( , tj - напряжения на первой и второй ступенях нагружешш и соответствующие им длительности, tfl, tR - времена разрушения при напряжениях (Jj , сг, соответственно. Как уже отмечалось

имеется ряд ограничений, связанных с применением данного правила суммирования повреждаемостей.

Обработка большого массива экспериментальных данных испытаний на длительную прочность металла после длительного нагружеиия (50-150 тыс.часов) показало достаточно хорошую применимость полученного правила суммирования повреждаемостей для теплоустойчивых сталей. Применение данного правила суммирования повреждаемостей позволило описать различия в поведении длительной прочности металла в «сходном состянии и после предварительного нагружеиия и объяснить влияние на эти различия условий и длительности эксплуатации и условий испытаний на длительную прочность.

Отмечено, что исследованное ранее влияние наклёпа При комнатной температуре на суммирование повреждаемостей в области роста зерно-граничных пор для сталей 12Х18Н10Т и ХН35ВТ может быть рассмотрено через влияние наклёпа на изменение параметра повреждаемости о = (2R/r)2 через изменение числа мест зарождения пор на границах зёрен, т.е. через уменьшение величины г (расстояние между порами).

В птгсй пттае разработана модель континуальной механики повреждаемости длл нестационарных температурно-силовых хсловий нагруд:е>шя и -»ыпоянг^о" сопоставление расчётных кривых ползучести с экспериментальными данными для 2.25Сг-Шо теплоустойчивой стали при слкздш. режи«*« нягружяпм (циклическое нагружепие по прямоугольному циклу с ш*.фЧ5кшнш равным пулю в одном из полуциклов, циклическое нагружал?? по тргугслт.пому циклу, нафуд.енпе при ступенчатом ионшлчшч ил?" но?.; лнении напряжения, иагружение при ауиенчатом новыисдаш ' псишшшн пли пош1жеиии + повышении напрялсения. В последнем

и|»чпи М Г»Гт*»ТТ<>ЧТ*М*»л»^ "-.____.1«Олслшнжиннр ГТГтРТТ**»»,»«»

тсплоуеюйчнвой стали при пусках - остановах знергооборудоваиия.

При разработке модели проводился учёт влияния температуры на характеристики длительной прочности и ползучести, подобия кривых ползучести и т.д. Было введено соотношение для первой стадии ползучести и показана его связь с соотношением Леки-Хэйхарста X. для услогил, когда скопоотц пслзучгстп :тл мгусТАНоьившекся ста;,";!

- Г

аппроксимируется выражение»! ' -• « • < - :

л. -О

Л I ( !

1 ле с,. - деформация и ;сипсльн«Ч11> неустановившейся ползучееIи соответственно, Ер 1г - деформация при разрушении и время разрушения

: 1 ;-V." 1-."; ¡; _ I ■'< ¡1: ; -"И. К - I ЮС ЮЧН I ¡а л.

¿.и ,емперсиурной зависимости длительной прочности были использованы выведенные соотношения между коэффициентами в параметрической зависимости длительной прочности ч гг^гтг-тннпй В,

¡юк;гп: 1С ц.м длительной прочности ш в силовом мкоис = В ст , гсториЛ на иракчике наиболее часы исполыустся лри аппроксимации

кривых длительной прочности или их участков для теплоустойчивых сталей. Для аппроксимации кривой параметрической зависимости длительной прочности или её участка может быть использована линейная функция:

где Р - температурно-временной параметр, а, Ь - коэффициенты. В этом случае характер температурной зависимости В и ш определяется видом температурно-временного параметра. Например, величина показателя длительной прочности обратно пропорциональна температуре для параметров Ларсона-Миллера, Трунина, прямо пропрциональна температуре для параметра Мэнсона-Хафферда и является константой для параметра Орр-Шерби-Дорна.

Отмечено, что при низком уровне напряжений вместо закона Нортона для минимальной скорости ползучести может применяться экспонен-

повышения напряжения, связанного с деформацией ползучести, проводится при включении в определяющие уравнения напряжения с множителем (1 + Б).

Система определяющих уравнений для повреждаемости и скорости ползучести при нестационарных температурно-силовых условий нагру-жсния записана следующим образом:

1ёа = 1ца - Ь Р .

циальная зависимость типа

.de

dt

dt

d£ _ Q* : •a' dt "

i___i_

Ь r'fl 7

10" a

1 -a

dl

'UJ_ < dt '

где CMQ - постоянная Монкмэна - Гранта, С, a, b - коэффициенты в зависимости длшсяыюй прочности от ппраг.гетра Ляроона - Ии.чисри >■■ - деформация ползучести, (1/рТ) - показатель ползучести в законе Нор юна, (de/dt)m - минимальная скорость ползучести, К, а - постоянные для cia-

дии неустановившейся ползучести, со - параметр повреждаемости. Для определения временной зависимости параметра повреждаемости, дефор-тлгкки и скорости ползучести, времени ло разрушения при нестационарных (температура и/или напряжение) режимах было применено численное интегрирование системы определяющих уравнении. На рис > показано сопоставление расчётной и экспериментальной зависимости деформации ползучести от времени при сложных режимах нтр »женин для теплоустойчивой стали. Кроме того на рис 3 показана расчет,in кривая, полученная по программе CRISPEN, разрабо1анной пол р\ко

водством Dyson (National Physical Laboratory) и D Angelo (I£NLL, liai) j.

В работе также представлены результаты сопоставления расчётных и экспериментальных кривых ползучее»! для ряда иарианпи, режимов нестационарного нагружения, расчётные кривые изменения параметра повреждаемости при сложных температурно-силовых режимах нагрутгення. Разработанный численный метод решения системы определяющих уравнений позволяет моделировать поведение макриалои ирг, -следующих температурно - силовых режимах нагружения : пост оянные температура и/или напряжение; монотонное увеличение ( или у меньше

Pue, 3. Сопзстазлецао paciïiiiiix и экси:р:в1сцталы;ы?: крпсых r.a-TSy.vcni стали 2.25Сг-1Мо при utCTEtt'.Ciiaiiac.'.! кагрукешш. (a - miï.-urucK« 1!;:гр}?.;с!;»г tjps: пргмэугольнзм шмевкша иакрвксг.ия, С члукепчатос r.ui!is«c:r.:2 +

ние) температуры п/или напряжение; прамоугслыши циклический режим по температуре и/или напряжению; треугольный циклический р'ежнм по температуре п/пли напряжению; синусоидальный ре;шм по температуре н/нли напряжению; ступенчатое повышение (или понижение) температуры и/или напряжения; различные комбинации и наложения вышеуказанных режимов. Очевидно, что в данном случае рассматриваются режимы с относительно медленными изменениями температуры и/или напряжения.

В шестой главе рассмотрены в детерминированной и статистической постановке критерии безопасности материалов, работающих в условиях ползучести, и их взаимное согласование с единых позиций. Основным нормативным критерием безопасности мойяю считать коэффициент запаса прочности по напрялсениям па.

В работе рассмотрены коэффициенты запаса прочности по напряжениям па и по времени П<. Показано, что при степенном законе длительной прочности или при аппроксимации линейной функцией зависимости

/(||и'гп1№ноц прпчности от пяр^четрй лягсонз■ м""1!^!!] г'т'т*:"'"""!""

между коэффициентами запаса прочности по напряжениям пст и по времени П( может быть записано следующим образом:

1

П, = Пат = ПаЬ.Т,

где га - показатель длительной прочности, Ь - коэффициент в параметрической зависимости длительно!! прочности. Отмечено, что коэффициент запаса прочности по времени является более. чуствителышм к изменению механизма разрушении чем коэффициент запаса по напряжениям, На базе подхода континуальной механики повреждаемости получены следующие соотношения для коэффициента запаса прочности но времени:

1

п , =

1 - (1 © )

¿(О

—!--

д-п + 1 В

-I

где (О - параметр повреждаемости, е, (йе/ск), ((к/сИ)т|п = Аап-

деформаиия, скорость и минимальная скорость ползучести соответственно, ш, я, В - коэффициенты в выражении для времени разрушения

V = КЧ+О В о"1]"1. Принимая во внимание полученные соотношения

между расчётным параметром повреждаемости О) и показателями повреждаемости А-параметром и параметром были записаны соотношения между коэффициентом запаса прочности по времени и А-,

параметрами. Ниже в качестве примера приведены такие соотношения для сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф:

1

и, =

__Ь_Г"

V 0.25 т +0.9; 1

и = --

, - Г,__4_]

^ 0.0925 • т + 0.22)

9 + 1 '

Разработаны также зависимости коэффициентов запаса прочности по напряжениям и по времени с учётом балла структуры сталей 12Х1МФ и 15Х1М1Ф. Система соотношений такого характера, полученных с единых пошций. позволяет взаимно согласовать различные критерии безопасности и обосновать выбор различных критериев на базе требований к велпчинс коэффициента запаса прочности.

В работе представлены результаты описания коэффициентов запаса прочности а статистической постановке. Отмечается, что необходимость такого описания связана с наличием большого разброса длительной прочности и колебания параметров нагружения при больших длительностях, что приводит к необходимости рассмотрения полосы разброса вместо среднего значения, отвечающего 50%-й вероятности. Показано, что статистический коэффициент хапаса прочности по напряжениям для условий ползучести может быть представлены следующим образом:

где пстР - коэффициент запаса прочности по напряжениям для уровня значимости р; па - среднее значение коэффициента запаса прочности но напряжениям; ар - квантиль для уровня значимости р. ст- длительная прочность, отвечающая назначаемому ресурсу I, Сто - раоочее напряжение, , УО0 - коэффициенты вариации для длительной прочности СТ и рабочего напряжения Сто .Статистически]"! коэффициент запаса прочности по времени записан в виде следующего соотношения:

где го - показатель длительной прочности, у(() - коэффициенты

вариации для времени разрушения I и назначаемого ресурса

Очевидно, что более полная оце ка надежности метал та копч-руктнвных элементов при больших длительностях нагружения в условиях ползучести будет осуществлена, когда во внимание одновременно прими

мается случайный характер коэффициента запаса прочности по напряжениям и коэффициента запаса прочности по времени. В этом случае надёжность металла конструктивного элемента в условиях ползучести оценивается с помошыо двумерной случайной величины с плотностью распределения Г (л^, щ ) . Один из примеров представления функции

плотности распределения такой двумерной случайной величины для случая логарифмически нормального распределения коэффициентов запаса прочности показан на рис. 4.

Разработана процедура прогнозирования вероятного объёма замен конструктивных элементов, работающих в условиях ползучести, с учётом изменения величин статистических коэффициентов запаса прочности при увеличении ресурса. Применение статистических коэффициентов запаса прочности позволяет более полно учесть рассеяние расчётных характеристик материала и рабочих напряжений, в том числе связанное с разбросом параметров нагружения, геометрических размеров и т.п.

Р|:с. 4. Плотаость распределения двуысриой случайной величины М = Г(!а о„, 5л в,), гдя «„, в, - кезффгизг-.шты запаса прочности по ¡«иргзетиам и ко ергигия соотвгтствсшгз. Показано, что для групп элементов при одинаковых средних значениях коэффициентов запаса прочности по напряжениям и по времени начало

М

замены и интенсивность замен будут зависеть от дисперсий по

напряжениям и по долговечностид;штелъной прочности, показателя____________________________

длительной прочности материала при рабочей температуре и величины дисперсии рабочих напряжений. Представленный а работе статистический подход к оценке ресурса и надёжности элементов, работающих в условиях ползучести, позволяет осуществить оценку вероятного объёма замены для парка элементов и вероятности разрушения небольших групп элементов или отдельного элемента.

При применении статистических коэффиииснто» -<япя<-<> гттш, усгкттпгни? ягличнны рассеяния характеристик длительной про шони и её изменения в зависимости от напряжения н долговечности играет чрезвычайно важную роль. Это относится в частности к определению величин коэффициентов вариации V длительной прочности, времени разрушения и т.д., которые входят в выражения для коэффициентов запаса прочности по напряжениям и по времени.

Отмечено, что экспериментальное нсглежжнкге величины рлатянн« характеристик жаропрочности применительно к материалам ыемеиюк большого ресурса требует больших материальных затрат и больших суммарных времён испытании. В предложенной процедуре модели ронания рассеяния характеристик жаропрочности аналшическис зависимосш, которые применяются для описания этих харакчерисчик, изучаются как функции системы случайных величин, (Чин в традиционных задачах описания жаропрочности козффицнешы, коюрые входят в эти аналитические зависимости определяются по результата».» 1\п<>амч '••'■"Iг!П''ичен'1 оз. как иоатпо также показывающих мчепьч-^ассслнпс экспериментальных данных, то в предложенном подходе решается обратная задача.

В это« случае рассматриваемая характеоистика жаропрочности V иреч-игавл:ц*|;:! как случайная функция внешних п вн\1ренни\ пар,! «цшн

■зйспгримспта Л"] * '••••> ^п (напряжение. 1емиерат\ра. сгрукчуриые

параметры, коэффициенты н гл.): /СКр^»—»*,,)- При допущении днффсренцируемосш функции по казвдому аргументу возможно использование линеаризации функции с получением оценок, прпемлимых с практической точка грани. Например, было показано, что при лишенной аппрокснмацга длительной прочности от параметра Яарсоггз-Миллера рьм ( ^ с = а - Ь Т (С + !з I), коэффициент вдригцни ергкегга разрушения V, определяется выражением:

■

V. =

ьт1

где Ут^о'Ус^Ь'Уа коэффншетшд сср-^аипи соотеегспзугскзге величин. На основе анализа этого вмражшзгл и предаозояхппн отноаз-тельно харазстера изменения величин, входящих в «сто, спредаязется изменение коэффициента вариации времени разрушения от напркзхкаэ, температуры, величин коэффициентов а, Ь, С- Устсаюзлсзпзг хгргхтера изменения коэффициента варнацшт срсжак? разрушения |фагшчеазг позволяет установить характер измепашя позвал разброса по Ерскагм разрушения в зависимости от изменения >жгоангых вквггкн, глс, никгза и верхняя граница полосы разброса 1ф:з $роаие дозгритезаиой вероятности ц определяются выраясезшем:

где 150 - среднее значение вреиеш разруташля, ач - квантиль для

уровня значимости Ц.

В работе были получены зави стадам для моделирования рассеяния и установления Границ полосы райэраса этатага! длительной прочности, времени разрушения, скор опт устагихвпгшейся т1олзучестн, длительно!'! пластичности, описываемых с »триад свстгиея различных параметрических зависимостей (Ларсопа-Миллсра. <>рр - Шерби - Дорна, Мзнсона - Хаф-

$срдз, Трунила), соотношений Моихмзна - Гранта, Дебета - Милички и др.

Анализ применения процедуры моделирования к оценке изменения рассеяния хярптггериспп: длптслыюй прочности теплоустойчивых сталей показал, что в зависимости от характера условий нагружения и состояния разброс?! т'оу.^т ст, узипгснгатьел плтг

оставаться постоянной при изменении длительности нагружения, '¡то приводит к разному характеру изменения показателей надёжности в

С1КИ1Ииш'11, ПТ пттгя. ^ Тплгилитлпшшп и111М1М1ия ВвЯШпт, * «лм.

злтелд надёжности со временем эксплуатации в зависимости от состояния металла н условий нагружения с учётом изменения разброса характеристик длительной прочности а уровня рабочих напряжений необходимо при проектировании нового оборудования и продлении ресурса действующего оборудования по критерию вероятности разрушения, который относится к наиболее перспективным критериям проекта-рЬг.анпя :: пленки состояния оборудования й связи с. возможностями и широким внедрением современной вычислительной техники.

Подход, основанный на применении статистических показателей надёжности, взаимном согласовании различных критериев безопасности (накопленной деформации ползучести, скорости ползучести, степени повре;кдённости и др.), при статистическом учёте степени достоверности данных измерений н параметров натружепия, был применён при разработке алгоритма экспертной системы оценки фактического состояния металла отзстственш ¡ч гонструктпыных здеменюв, работающих в

( ЛСНИ.-Ш ИОЛ )>ЧСС I и.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. На базе комплексного теоретико-экспериментального подхода, содер-""тпеге ф;п«пгш>о иоделиринанич, континуальной механики

пчьр^акча ш и мигершиоведческин лгали I процесса разрушения при пысогих температурах, разработана система расчёшых методов опенки сопротивляемости деформированию тт разрушению теплоустойчивых

сталей с учётом механизмов микроразрушения в условиях ползучести, включающая диапазон сверхбольших длительностей нагружения.

2. Разработаны методы решения задачи диффузионного роста пор равновесной, трещиноподобной и промежуточных между ними форм поры в условиях нестационарного температурно-снлового нагружения и на основе физического моделирования показана фундаментальная роль механизма роста и формы поры в определении кинетики накопления и суммирования повреждаемостей.

3. Экспериментальным исследованием характера повреждений подтверждено существование двух видов межзёренного разрушения от клиновидных трещин и пор для теплоустойчивых сталей перлитного, мартенсит-ного, аустенитного классов и сплава на никелевой основе. Развита модель континуальной механики повреждаемости, учитывающая вязкое разрушение при ползучести и зависимость в векторной форме накопления повреждаемости при межзёренном разрушении от ориентации напряжений. В области межзёренного разрушения рассматриваются два структурных параметра состояния с зависимостью от максимального нормального напряжения и интенсивности касательных напряжений.

4. Получены соотношения, устанавливающие связь между параметром повреждаемости и относительной площадью повреждённых границ дёрен (Б^-параметр) и относительным числом поврежденных границ (А-параметр).

5. Предложен подход к построению многомерных карт механизмов микроразрушения в пространстве главных напряжений и температуры основе рассмотрения двумерных карт механизмов ыикроразрушеиия По координатным плоскостям и условий согласования критериев прочности на границах областей, отвечающим различным механизмам микрор;ц ринения. Показано, что при переходе от одноосного нагружения к сложному напряженному состоянию может появляться или расширяться зо1щ смешанного разрушения на границах областей, отвечающих различным механизмам микроразрушения.

6. Предложен критерий длительной прочности для межзёренного разру---- шения в условиях ползучести,-учитывающий влияние на разрушение

максимального нормального напряжения, интенсивности касательных напряжений, показателя длительной прочности.

7. Получены экспериментальные результаты исследования разупрочнения в условиях ползучести различных составляющих структуры (внутри зёрен феррита и перлита, по границам раздела феррит-ферриг, феррит-перлит, перлит-перлит, в тройных стыках феррит-феррит-феррит, феррт-феррит-перлит, ферриг-перлит-иерлит, перлиг-нерлиI-мерииI) Показано, что изменения микротвёрдости отдельных структурных составляющих стали зависят от исходного состояния и условий испытаний, при этом для отдельных составляющих структуры (например, тройные стыки феррит - феррит - перлит, феррит - перлит-перлит) может наблюдаться упрочнение, в то время как микротвёрдость тела зерна феррита или слабо снижается, или остаётся практически неизменной, а для остальных составляющих структуры отмечаеки заметное разупрочнение.

8. Разработана модель механики повреждаемости для среды с гаероин ной структурой и на её основе получены соотношения для даиимьнои прочности с учётом структурного фактора (балла структуры) и корреляции длительной прочности с кратковременными свойствами. Отмечается, что наличие корреляции между показателем длительной прочности при межзёрснном разрушении и пределом текучести при комнатной температуре для 1Сг-1Мо-0.25У роторной стали связано с влиянием режима термической обработки как на состояние границ ¡ерей, 1ак и на уровень кратковременных свойств.

9. Разработана модель континуальной механики повреждаемости, позволяющая описывать ползучесть м разрушение теплоустойчивых сталей при сложных режимах нагружеиь По данным фыпличч моделирования показано, что при нестационарных условиях, сопровождающихся изменением механиша росла поры

-ЭТ7

- возможно уменьшение параметра повреждаемости при одновременном постоянном увеличении дефекта плотности. Этот эффект может приводить к сложному характеру суммирования повреждаемостей;

- правило суммирования повреждаемостей при ступенчатом нагружении должно учитывать соотношение величин напряжений на разных ступенях нагружения. Для теплоустойчивых сталей сумма повреждаемостей зависит от отношения напряжений на первой и на второй ступенях нагружения, что хорошо согласуется с экспериментальными данными и объясняет изменение поведения длительной прочности материала, обусловленное длительным нагружением.

10. Разработаны соотношения, устанавливающие связь коэффициентов запаса прочности по напряжениям И по времени с параметром повреждаемости, деформацией и скоростью ползучести, А- параметром, -параметром, с баллом структуры для теплоустойчивых сталей.

11. Разработаны статистические коэффициенты запаса прочности по напряжениям и по времени для условий ползучести и процедура моделирования рассеяния характеристик жаропрочности материалов на базе рассмотрения аналитических зависимостей, применяемых для их описания, как случайных функций.

12. Разработана система расчётных методов оценки состояния теплоустойчивых сталей в условиях ползучести, позволяющая решать задачи увеличения ресурса, прогнозирования сроков и объёмов контроля, сроков и объемов замен, выполнять моделирование поведения материалов при проектировании нового оборудования и оценке его надёжности по величине вероятности разрушения.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Петреня Ю.К., Яцевич С.Ф. Диффузионный рост поры неравновесной формы в стационарных и нестационарных условиях иагружения// Физика металлов и металловедение. 199-1. том 78, ноябрь, вып 5, с. 129-137.

2. Petrenja J, К. The procedure for modelling the scatter of creep and stress-rupture properties// In Proc.of the Fifth Int.Conference ""Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures". Swansea, UK, 1993, p,623-633.

3.Tchizhik A.A., Petrenja J. 1С, Rantala J. H. Creep damage in materials with

homogeneous and heterogeneous structures// In Proc. of the Fifth Int. Conference ""Creep and Fracture of Engineering Materials and Structures". Swan?«, UK.. 1993, F,if?-!:?,

4. Чшшк Л.Л., Петреня 10.К. Структурные параметры состояния и долговременная прочность металлических материалов// Труды ЛГУ "Проблемы современной механик»разрушения". 1989, N16, с. 82-94.

5. Петреня Ю.К. Прогнозирование жаропрочности Cr-Mo-V стали с учётом механизма шпероразрушенпя при ползучести и уровня кратковременной прочиости/Яруды ЦКТИ, 1988, вып, 246, с. 98-103.

Û. Чнжик А.А,, Петреня Ю.К. Ргзгупгяягс пслсдстагс ползучести и механизмы к»жроразруш«шя//Доютды АН СССР, 1987, том 297, N 6, с. 1331-1333.

7. Petrenja J, К. Damage and grain-boundary cavity growth under non-stationary stress-temperature conditions/ZHl-a международная конференция "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов". Санкт-Петербург, 1993, с.117-119.

8. Чижик А.А., Петреня Ю.К. Долговременная прочность: структурные параметры состояния и механизмы чикроразрутаения//Труды VI -го

Всесоюзного съезда по теоретической и прикладной механике Ташкент, АН СССР, 1986, С.508-ЗШ.

9. Petrenja J. К., Golitchenkov V.B. Creep and fracture of materials at nonstationary temperature and/or stress regimes// Fifth Conference "Materials

for \<Ka;<ced Po'.vei hngmeenng". Liege, Belgium, 1994, p. 19-20,

10. i Icipctix Ю.К. Моделирование рассеяния характеристик жаропрочности магериалов//Труды ЦКТИ. 1990, вып. 260. с. 86-96.

11 .Tchizhik A. A., Petrenja J. K. Damage and reliability criteria of power plant materials under creep conditions// III-я международная конференция "Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов". Санкт-Петербург, 1993, с.120-122.

12. Petrenja J. К. Scatter of creep properties and remanent life prediction of pipeline steels// Fifth Conference "Materials for Advanced Power Engineering". Liege, Belgium, 1994, p. 18-20.

13. Петреня Ю.К., Голиченков В.Э., Сахаров СЛ. Нестационарные температуры и/или напряжения при ползучести и разрушение металлических материалов//4Ш European East-West Conference on Materials and Process. St.-Petersburg, 1993, p. 38-39.

14. Чижмк А.А., Петреня Ю.К., Рантала 10. Накопление повреждаемости в условиях ползучести/Mth European East-West Conference on Materials and Process. St.-Petersburg, 1993, p. 36-38.

15. Прокопенко А.В., Петреня Ю.К., Ежов В.H., Маковецкая И.А., Ивахов М;М. Механизмы разрушения полткристаллического и моно-крнсталлического никелевых сплавов при температурах 893... 1273 К // Проблемы прочности. 1989, N 1, с, 30-34.

16. Чижик А.А., Петреня Ю.К., Кынев Сл. Определение длительной прочности стали 12Х1МФ после длительной эксплуатации паропроводов в условиях ползучести//Материалы конференции "Материалознакие и материалн получени в условията на газово противотлягпне". Варна, 1990, с.27-32.

17. Петреня Ю.К., Ткачевская Л.В. Механизмы твердения и эффекты наследственности в конструкционных сталях// Труды ЦКТИ. 1989, вып. 256, с. 98-105.

18. Чижик А.А., Петреня Ю.К. Критерии ресурса металла в условиях ползучести для оборудования ТЭС и моделирование разброса свойств // Материалы конференции 150 лет Котлонадзору России. Свнкт-Петер-бург. 1493. с. 53-55.

19. Петреня Ю.К., Гусей B.B. Самосогласованная система критериев дня оценки ресурса материалов паропроаодов//4ф European East-West Conference on Materials and Process. St.-Petersburg, 1993, p. 39-40.

20.Петреня 10.К., Данюшевскии И.А., Лопухина Н.С. Вопросы продления ресурса и оценка объёма замены гибов паропроводов, работающих р. условиях ползучести// Труды ЦКТИ. 1989, вып. 256, с.52-57.

21. Чижик A.A..Петреня ¡O.K. Разрушение в условиях ползучести и механизмы микроразрушения теплоустойчивых сталей//! Всесоюзный симпозиум "Новые жаропрочные и жаростойкие метяптшческие чятернч-„м", Мрстгря. АН СССР, с.5-6.

22. Петреня IO.IC., Ивахов М.М., Олепник A.C. Механизмы микроразрушения конструкционных материалов в условиях взаимодействия ползучести и усталости// Материалы конференции "Ползучесть материалов и элементов конструкции в энергомашиностроении". Киев, Институт механики АН УССР, 1989, с.23-27.

23. Чижик A.A., Петреня Ю.К. Повреждаемость и ресурс теплостойких сталей в условиях ползучести //Материалы совещания "Оценка прозе и ного состояния металла элементов теплоэнергетического оборудования Москва,Союзтехэнерго, 1988, с.10-14,

24. Исаев С.Н., Кривободров B.C., Петреня Ю К.. Лексовскип A M Исследование структурной релаксации в гетерогенных материалах при нагружении по данным акустической эмиссни//В кн. "Физика прочное in гетерогенных материалов". Ленинград, АН СССР, 1988, с.52-01

25. Новожилов В.В., Чижик A.A., Петреня Ю.К. Ресурс материалов »переоборудования и коэффициенты запасов прочности для деталей, рабо тающих в условиях ползучести// Труды ЦКТИ, 1988, вып. 246, с. i'>-4l>.

26. Петреня Ю.К., Голуб В.П., Олейник A.C. Разделение вклада ползучести и усталости в накопление повреждаемости и разрушение сплава на никелевой основе//Материалы ХП-го с< ¡ешания "Структура и ироч ность материалов при высоких температурах". Москва, 11МЛШ,19Х/д.. 19-20.

27. Лексовский A.M.. Петреня Ю.К., Исаев С.Н. Акустическая эмиссия в процессе малоцикловой усталости Сг-Мо-Усталн//Материалы симпозиума "Малоцикловая усталость". Волгоград, АН СССР, 1987, с. 104-106.

28. Лексовский A.M., Петреня Ю.К., Исаев С.Н. Акустическая эмиссия при активном деформиройании Cr-Mö-V стали//Материалы семинара "Акустическая эмиссия И разрушение Композиционных материалов". Душанбе,АН СССР, 1986, с.24-30.

29.Чижик A.A., Петреня Ю.К. Сопротивление деформированию И разрушению теплоустойчивых сталей с учётом межзёренпого разрушения в условиях* ползучести//Материалы конференции "Ползучесть в конструкциях", Новосибирск, Институт гидродинамики СО АН СССР ,1984, с. 9192.

30. Чижик A.A., Петреня Ю.К. Анализ ресурса материалов в условиях ползучести с учётом механизма мнкроразрушения//Материалы XI-го совещания по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов 8 широком диапазоне температур". Москва, ИМАШ, 1984, с.23-24.

31. Чижик A.A., Петреня Ю.К. О кинетических уравнениях повреждаемости при оценке ресурса и надёжности материалов в условиях ползучести/Пруды ЦКТИ.1982, вып. 194, с. 27-37.

32. Чижик A.A., Петреня Ю.К. Исследование разрушения роторной стали Р2М в области рабочих температур //Материалы XI-го совещания по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком диапазоне температур". Москва, ИМАШ, 1984, с. 18-19.

33.Петреня Ю.К., Чижик A.A. О повреждаемости И длительной прочности материалов с низкой деформационной способностью//Металловедение и термическая обработка металлов.1980, N 12, с. 23-25.

34. Чижик A.A., Петреня Ю.К. Длительная прочность и механизмы микроразрушения стали 20Х12ВНМФ на больших временах нагруження //Maiepiia'ii.i Xl-ro совещания по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов в широком дншшоне темпера iyp". Москва. 11МД1И. 198-1. с. 15 16.

________35. Петреня Ю.К. К вопросу о механизмах зарождения и роста пор на

границах зёрен в условиях высокотемпературной ползучести//Труды ЦКТИ.1980. вып.177, с. 66-67.

36. Петреня К).К. Длительная прочность при хрупком высокотемпературном разрушении в условиях сложного напряжённого состояния// Энергомашиностроение. 1980, N 10, с , 27-28.

37. Чижик A.A., Петреня Ю.К. О кинетических уравнениях повреждаемости при иекз£ращйа разрушаиш// Труды ЦКТИ. 1978. вып. 169 а;. 44.

/