Разработка математической модели деформирования и разрушения конструкционных графитов применительно к расчетам долговечности высокотемпературного оборудования тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТЗЕННШ ТЕХНИЧЕСКИЙ УпнЗЕРСИТЕТ

Ка прч-з»}- -рукописи

... •« - .»ч*»!ч ± .. Для слухебь'с'го пользован;

/3 А/ _______ ^ • -з.

ШВЕЦОВ АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ^ТЕМАТИЧЕСКОЙ ВДЕЛИ ДЕЙОИШРОВАНШ И РАЗРУШЕНИЯ ' КОНСТРУКЦИОННЫХ ГРАФИТОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАСЧЁТАМ ДОЛГОВЕЧНОСТИ . ВЫСОКОТШЕРАТУИЮГО ОБОРУДОВАНИЯ '

01.02.04 - Механика твёрдого деформируемого тела

АВТОРЕФЕРАТ

здссенгаод на соискание .учёной степсн:'. кандидата технических наут

Челябинск.- 1990

Работа выполнена .;<нигог;скте?е, -

в Челябинском 'государственном техкячес«-о?.:

'/кпЕодктель - заслуженный сеятель wayni и техник-.'

РСФСР. доптор технических чад'1', профессор Рохфельд Д.Л.

'¡ркгиааькке оппонента

доктор технических наук, профессор Зарубин B.C., кандидат технических наук Зебеяькн З.Х.

предприятие - Ордена Ленина и Ордена Октябрьской ревсшшик Институт атомной энергии имени й.В.Курчатова. ;

, "Т'СГ' Г--

- хи

сжализкрованного совега Д

этся "£ji_" ^iZfrCuthA 1990 года ка заседании

1990 г

.053'. 13.01 Челябин

>1 Челябинского гсеудар- -ственного технического университета по адресу: 4:j40£'0, г.Челябинск, проспект им.В.И.Ленина, 76.

¿.£?орефе^ат_разосл8

1930 гора.

?чаный.секретарь •?тоо?ашого сЬв£ технических наук, /■ .. „

хспечт //'•—f—- й.М.КоконоЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРЛСТИКЛ РАБОТЫ.

. Актуальность".' Развитое промышленности, сельского хозяйства, транспорта требует значительного .увеличения выработки, электроэнергия ~ стране. Из трёх основных типов электростанций атомные,, при .условии нормальной работы реакторов, являются экологически наиболее чистыми и экономически выгодными. Однако авария на Чернобыльской АХ и некоторые другие меньшего масштаба показали, что атомная энергетика мссет развиваться только при полном обеспечении её безопасности.

3 настоящее время задача создания новых энергоблоков решается несколькими путями: во-первых, наращиванием мощности дейстзузпж типоэ реакторов; во-вторых, разработкой и установкой реакторов типа БН: в-третьих, созданием новых высокотемпературных гаэоохлаядаемых аппаратов. Перспективность ВТГР состоит в том, что они позволяют получатj более высокие температуры теплоносителя, вследствии чего на их базе могут быть созданы источники^теплаACT.

Рост параметров энергетических и технологических установок при значительном повышении требований к их надёжности и безопасности желают необходимым повышение качества на всех этапах работы: от создания новых материалов, определения их свойств, до разработки новых, более обоснованных экспериментально и соверлейных методов расчёта элементов конструкций. Значительное место в решении проблемы обеспечения надежности конструкций ядерных реакторов занимает разработка математических моделей процессов деформирования, и разрушения конструкционных материалов, что-было подчёркнуто на Всесоюзном симпозиум? по малоцикловой усталости.'

В качестве основного конструкционного материала в активной зоне реакторов применяется ядерный графит. Как жаропрочный материал он .обладает рядом ценных свойств: небольшой удельный вес, высокая термопрочность, радиационная стойкость: Однако эффективность использования графитовых материалов недостаточно высока из-за отсутствия систематических данных об юс механических свойствах и характеристиках в условиях эксплуатации.

По мере увеличения сроков эксплуатации реакторов со сравнителькс невысокими рабочими температурами накапливаются данные о злиян:".: -ге-плосмен ка прочность элементов таких аппаратов при изменениях режимов работы. Эти- данные требуют проведения анализа для определения и рекомендаций-, касающихся остаточного ресурса и возможности дальнейшей эксплуатации» 3 последнее время резко возрос интерес к оценке сейсмостойкости конструкций АЗС. в -связи с их широким строительством в различных регионах, которая также требует энанияг свойств материз-

'3.

ла при.импульсных повторяющихся воздействиях.

Актуальность таких исследований повысилась в'связи с созданием ЗТГР, в которых градиенты температур намного больше. Изменение температуры при рабочих и аварийных ^режимах могут приводить в этом чае к образованию и развитию трещин малопикловой усталости в гранитовых элементах конструкций вплоть до их разделения на части. Для обеспечения.надёжности таких аппаратов необходимо проведение проверочных расчётов на малопикловую прочность, что требует изучения осс бенностей малониклового деформирования и разрушения конструкционны? графитов при повышенных температурах и создания.соответствующих математических моделей. ' .-'.•'

Кроме атомной энергетики графит как жаропрочный материал ислоль зуется при изготовлении -электродов плавильных печей, форм для литья элементов химических.аппаратов.- Число циклов нагрунения таких деталей составляет от.десятков: до нескольких .тысяч. Следовательно, их прочность и долговечность также.должны оцениваться с учётом опасности малопиклового разрушения.

Работа выполнена в соответствии с'заданиями Координационного плана работ на'I9&0-I9&4 годы, по исследованию, свойств и работоспособности графитовых материалов-установки ВГ-400, а такке по Плану научно-исследовательских работ АН СССР по фундаментальным проблемам машиностроения (раздел II, n.I.I, I.I3.2, раздел У, п.1.7), утвер-вдённому постановлением Президиума Jffi СССР от 21 мая 1986 г.. 642.

Цель работы состояла в изучении лроиессо'в,. деформлрования~и'раз^ рушения графитовых-'материалов при циклическом нагружении в условиям нормальных и повышенных температур и разработке математических моде лей для описания., поведения трафитов в указанных условиях.

Прилетом рассматривались следующие основные задачи:

1. 'Р&зработка экспериментальной установки и-методики проведения исследований"пропессов деформирования графитов при различных, в tow числе иеязорермических программах нагрукения.

2. Проведение комплекса испытаний графитов марок ГР-280, ГРГЛ— 2с0, ГШ2-280, ГР-1 в диапазоне температур 20...1000 °С по различи, программам тагружения с целью установления общих закономерностей ма лопиклового деформирования и разруиения графитовых материалов.

3. Разработка математических моделей деформирования и разрушенс графитов, при различных программах нагрукения в форме соответствуй:» уравнений состояния и критериев для:применения в расчётах грайитовь глвуентов конструкций энергетического оборудования.

4

Научная новизна. Разработана методика проведения малошшюзьс: испытаний конструкционных графитов в неизотермических условиях. Создана автоматизированная .установка с комплексом регистрирующей 'и .управлявшей аппаратуры, имеющая широкие функциональные возмстно-сти и повышенную точность поддержания и измерения параметров цикл?, з процессе испытаний.

На основе экспериментально выявленных закономерностей деформирования графитов предложена математическая модель, позволяющая г позиций механики микронеоднородной среды описать комплекс закономерностей, характеризующих деформирование графитов, включая связь процессов деформирования и ;.ыкрораз рутения, влияние циклического нагр.ужения на ползучесть, зависимость коэффициента теплового сзспп<-рэния от истории нагр.ужения. Показана возможность иепользогани» модели для прогнозирования кривых малошштовой прочности графитов при произвольных условиях нагр.ужения.

Практическая ценность и йкедрение. Подучены конкретные данные о сопротивлении циклическому неупругому реформированию и малопяхлс-вому разрушению графитов марок ГР-280, ГРП1-280, ГРП2-2Б0, ГР-Г, используемых в активной зоне низкотемпературных реакторов и перспективных для применения в качестве конструкционных материалов для отдельных элементов аппаратов 8ТГР. На основе экспериментальных данных построены математические модели деформирования и разрушения графитов, необходимые для расчёта кинетики неуггругого деформирования и оценки прочности элементов графитовых конструкций при различных программах нагружения.

Результаты работы частично вопли в "Нормы расчёта на прочность типовых узлов и деталей из графита уран-графитовых канальных реакторов НГР-01-&5" и используются в научно-исследовательских и конструкторских организациях НИКИЗТ, ИАЭ им. И.В.Курчатова, ОКБМ г. Нижний Новгород при проектировании аппаратов типа HTTP.

Ожидаемый экономический эффект составляет 564 тысячи рублей.

Апробация работы. Основные положения работы были положены на Всесоюзной научно-практической конференции "Современные достижения в области исследований, производства и эксплуатации углеродных материалов и изделий" (г.Челябинск, 1964 г»), Всесоюзном научно-техническом симпозиуме с участием стран-членов СЭВ "Нормирование прочности и ресурса высоконагрусенных машин" (г.Владимир, 1965 г.), Iя ЗсесеюзноЗ научно-технической конференция "Долговечность энергетического оборудования и динамияа гияроущгугиг сястзм" (г.Челябинск,

5

I9oö г,), XII научно-техническом совещании по тепловой микроскопии "Структура и прочность материалов,в широком диапазоне температур" (г.Москва, 1966 г.), Всесоюзном симпозиуме "Малоцикловая усталость-критерии разруменля и структуры материалов" (г.Волгоград, 1987 г.), выездной сессии Научного совета по неорганической химии и секпии твёрдого тела АН СССР (г.Челябинск, 1963 г.), ХХХУ-ХХШ научно-технических конференциях ЧПН (1963-1990 г.), областной научно-прак-тичэской конференции (г.Челябинск, IS86 г.), совещаниях по исследованию графита установки ВГ-400 (г.Москва, г.Нижний Новгород, I9&4-19Ь9 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Объём паботы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, обшх выводов,.списка литературы (140 наименований) и приложений. Ока изложена на '120 страницах машинописного текста, содержит 97 рисунков я II таблиц.

СОДЕШНЖ РАБОТЫ

' Обоснование задач исследования. Теоретические и экспериментальные исследования, посвященные изучения деформационных и прочностных свойств графитов при циклическом нагруженки, были начаты ещё в 50-е года. Известны исследования, авторами которых являются й.Ы.Jenkins, G.K.YiillAemson, J.1.Jackson, M.S.Freed, E.I.Seldin, J.P.Andrew. В последующие гсды определённый вклад в разработку вопросов-аикли-"-ческой прочноста_графитов_внесли-советские исследователи М.М.Алек-^сюк,-Ю;НтАнуфриев, В.Н.Барабанов, А.Г.Богомолов, Ю.С.Зиргильев, В.В.Гончаров,-А.Д.Деев; Н.К.Дергунов, Г.Г.Зайиев, Э.С.Уманский, Е.И.Усков и другие.

Разработкой математических моделей графита в различных услови-. ях нагружения'занимались А.В.Березин, S.В.Ломакин, В Л!.Строков,-В.Н.Барабанов, а такке Vf.L.öreenstreet, T.Weng, R.M.Jones, D.A.R.Helson, S.B.Batdoxf, A.E.dreen, G.M.Jenkins, R.L.Woolley, P.K.Tzung, F.Daialiao, E.P.Popov, G-.K.'.7illiamson. Удовлетворительно описывая поведение материала при однократном на.-гружении и на первых циклах деформирования, эти модели не отражают главной особенности графтоа - взаимосвязи-процессов деформирования и микроразрушения при циклическом-нагрукении. Обзор литературы показал, что в настоящее время отсутствуют комплексные данные по де Армированию и разрушению гранитов и модели для их описания.

■6

Методика экспериментальных исследований. Испытательная устакот— яа создана ка базе маяглкы УМЭ-ЮТМ. В её состав вошёл разработан*®?' комплекс приборов и аппаратуры, позволивший автоматически осучтг*-лять задаваемого программу испытаний к регистрировать необходимее характеристики процесса. Автоматическая система управление приводе-.' ка&еяш обеспечивает ревэрсирование нагручения при достижении заданных значений нагрузки или деформации с »/аксимальной частотой пагру-лелия до 10 яикяов/мин. Возможно вкядоение ввдеряек в цикл хек в т~-этиме полаучгести, так я релаксация напряжений. Нагругаетее устройство обеспечивает однородное напряжённое состояние в пределах рабочей зоны обраопа (доля иэгибяых напряжений не .превыоает 2-3%).

Возможность проведения испытаний при повьшеняых температурах обеспечивается установкой дополнительных устройств для нагрева и камеры с инертной средой. Применение дополнительного нагревательного элемента с автономной системой регулирования сокращает время нагрева образна, погашает точность псддертлння температуры и расширяет возможности установки при неизотеркическкх испытаниях.

Для проведения циклических испытаний графитов в условиях повн-аеннах и переменных температур разработан высокочувствительный ох-лакдаемий деформометр. !'атродогпческиэ характеристики- дейормометра мало зависят от параметров система охлаждения. Чувствительность деформомзтра составляет 9,3 ТО""® БОД/ш, систематическая погрешность не прешвает 2 ТО"5 EOfl,

Закономерности дефоршгоованкя к разрушения грастигов' изучались на трёх марках гранита, подученных путём одно и двукратной яро потки пеком исходного материала (ГР-2сО, ГРП1-260, ГИ12-2Б0) и ка перспективном грабите для ВТГР - ГР-1. Диапазон ко следования по те?л?е-ратуре - 2C...IC00 °С.

Подучеггша при однократном нагруженик до разрушения кривие деформирования нелкнзПнн во всём диапазоне деформаций, причем нелинейность при растяжении оказывается шле, чем при сжатии, Пропитка угелкчяг-ает прочностные характеристики материала, не изменяя дефор-у-ационных.

Налопйкяовое деформирование графита характеризуется - тремя взаи-моцекстЕуйяю.'и процессами: пластическим деформированием и ползучесть» отдельных структурных составляю:®«, образованием к развитием мииротрецин (рассеянны?.! разрушением),- а такие ростом макрЬтрешгад: при приближении к полному разрушению. Наблэдаемкэ закономерности-не могут быть.оболенены полностью с ПОЗИЦИЙ лиеь одного кз этих факто-

7 -•

рев.. На различных этапах нагружения' образца втслад каждого.из них в прсиесс циклического неупругого деформирования неодинаков и меняется в зависимости от условий нагружения-и марки материала. При уровнях напряжений в 2-3 раза ниже предела прочности поведение материала е значительной степени определяется процессом пластического деформирования, механизм которого (скольжение по базальным плоскостям кристаллитов) аналогичен реализуемому у металлов. Пластические свойства проявляются у графита с самого начала деформирования. При мягком циклическом нагружения в этих условиях наблюдает-, ся циклическая ползучесть, а при -хестком - циклическая релакс^лия. Вследствие значительной механической неоднородности материала пластические деформации отдельных структурных составляющих приводят

образованию микротрещин, которые, наряду с имеющимися порами, является очагами рассеянного разрушения. Таким образом, на картину пластического деформирования постепенно накладывается процесс рассеянного разрушения материала. А развитие макрэтрещины в гра-скте при невысоких уровнях напряжений начинается при наработке достаточно большого числа циклов.

При циклическом нагружения с большими уровнями напряжений обра» зование и последующее развитие микротрещин приводят к.видимому лре-обладанию влияния .этого фактора на характер диаграмм деформирова-• ния. При жёстком асимметричном нагружении ( И^-'00)-смещение петли гистерезиса после 2-3 циклов сменяется интенсивным циклическим разупрочнением, проявлявшимся в падении экстремальнн^шгояжений--

пикла и ^именендайормы-петель-гистерезиса — появлении участков с 'обратной кривизной, связанном с закрытием двух систем микротредин. При мягком циклическом нагружении изменение формы петель гистерезиса становится существенным на этапе разупрочнения, занимающем значительнее часть {более половины) обаей долговечности.

Существенный фактом является ускорение ползучести графита после циклического кагруггения, что-особенно актуально и цолшо учиты--б&ться при проектировании ВТГР. Проведённое изучение ползучести при температурах 600...600 сС показывает, что деформации ползучести на малых временных базах (10-20 ч) заметны лишь при уровнях напряжений, больших 0,5 (сти данные совпадают с результатами работ Уманского). Однако рост деформации ползучести значительно ускоряется при чередовании этапов ползучести и циклического нагружения Это происходит из-за "разрыхления" материала при циклическом нагру етнкй. характерного для графита, и появлении участка неустанэвиь-

шейся ползучести в каждом полуцихле нагружения. Второй эффект ранее обнаружен при испытаниях сталей и . сплавов и впервые описан з работах Д.А.Гохфельца и ЮЛ.Ребякова. Увеличение длительности вылежек з цикле приводит к уменьаению деформации, накопленной за заданное время (рис.1). При одном максимальном напряжении кривые ползучести с выдержками располагаются в коридоре, образованном кривыми циклической ползучести при отсутствии выдержек С£"=0) и ползучести пни постоянной нагрузке (6= const).

Для изучения зависимости коэффициента термического расширения (ЮТ) от истории нагружения были проведены циклические нйизлтйсмг-ческие испытания образцов прайита ГР-280 при различных программдх изменения нагрузки я температуры. Установлено, что - пэадзествуючт йагружение и тягруэка существенно влияют на последующее кое расширение образца. При тппдосыенах отличие наблюдаемого РСТР по сравнению с ненагруясенным образцом оказывается ячдбопьпи'м (до 40%) в первое пикле и далее стабилизируется. Ак&логкчнке результата' были получены в ГСШШШ на электродном графите прз изучении злияния предварительного чагрукенил па КГР; Следовательно, в еду-

Влияние выдержек при максимальной нагрузке на ползучесть графита

2,0

i,5

iO. 0,5

О 5 10 15 20 t,4

ГРП2-280Ш, Т=700 °С;

l-tr=0, '2-f=3 мин, 3-V-15 мин, 4-S= const

Рис Л

чае независимого, расчёта тепловых и механических составляющих деформации графитовых конструкций, подверженных термомеханическсму нагру-яеншо, может быть подучена значительная погрешность. Отсюда следует важность построения теоретической модели, прогнозирующей эффект теплового расширения графита с позиций механики деформирования микроне о дно родных сред.

Условия малопиклового разрушения графита представляют особый интерес, поскольку они в основном определяют долговечность соответствующих элементов конструкций. Определение критериев малоциклового разрушения необходимо>для разработки соответствующих математических моделей процессов деформирования и разрушения с целью дальнейшего их использования в прочностных расчётах. Процесс малоциклового разрушения графитов неразрывно связан с процессом малсниклового деформирования,. поэтому в отличие от металлов у графита эти процессы нужно рассматривать во взаимодействии.

Так, например, интенсификация процессов ползучести при повышении температуры испытаний приводит к тому, что сопротивление малоцикло-; вому разрушению при небольших размахах напряжений цикла существенно снижается, тогда как прочность графитов при однократном нагружении с повышением температуры растёт. Растёт и сопротивление малоцикловому разрушению при относительно высоких значениях экстремальных напряжений и, соответственно, малых числах пиклов до разрушения, т.е. в области, где тип разрушения наиболее близок к кратковременному^ рис.2)

Другим существенным фактором, влияющим^на-малоиикловую прочность , графитов, является-асииметрия"пикла. Так, изменение коэффициента —асимметрии цикла.. Re от 0 до -3 приводит к существенному (до 5 раз) уменыяению числа циклов до разруиения Nf , Аналогичные результаты были получены японскими исследователями ( lahiyaraa, Eto, Oku ) при испытаниях графита IG-II, применяемого для ВТГР, при нормальной" температуре и Я<з равных 0,-1,-3,5.

3 качестве критерия разрушения при мягком циклическом нагружен:!м предлагается использовать деформационный критерий квазистатического разрушения в виде •

£ = £ f & F

J > cf са- - -i;

Кая показали полученные экспериментальные дачные, зля исследованных

материалов в момент разрушения вне зависимости-от размаха напряжений

и Зсрмы аиклз величина деформации приблизительно равна £6 . Различие

величин и с8 не Превышает 20-25%, что соответствует пазбросам де-

10

форманионных характеристик при.однократном нагрукении.

Аналогичный критерий (деформационного типа) используется в "Нормах расчёта на прочность типовых узлов и деталей из графита урян-грайитовых канальных реакторов КГР-01-85" для опенки моментз образования трещины в реакторном блоке при однократном нагруяении. Предлагаемый -критерий малоиихлового разрушения графитов, следовательно, является его развитием на случай мягкого циклического нагружения.

При жёстком нагружении накопление деформации невозможно, поэтому разрушение имеет усталостный характер и описывается зависимостью Мзнсона-Коффина в виде

(2)

В этом случае разрушение в виде разделения образца на части наблюдается лишь при экстремальных деформациях никла, близких к предельным {рис.3). При меньших деформациях разрушение проявляется в уменьшении экстремальных напряжений никла.

В качестве проверки критериев (I) и (2) были использованы данные испытаний с доломом. Образец, не разрушившийся после некоторого числа циклов нагружения, подвергали растяжению или сжатия до разрушения. При доломах после мягкого нагружения. удовлетворительно выполнялось соотношение

+ (3)

где деформация в момент разрушения, складывающаяся'из деформации, накопленной при циклическом' нагружении £н и при доломе .

При доломах образцов после жёсткого нагружения величина деформации, соответствующей максимуму нагрузки, остаётся практически постоянной и равной £в. Разрушение в виде разделения образца на частк происходит на протяжённых ниспадающих ветвях.кривых деформирования. Испытания с поломами показывают; что статическое я усталостное по-вретаенив мояно считать независимдаи, т.е. влияние циклического н»-грукения на условия квазистатического разрушения сводится лишь к активизации процесса накопления деформации.

Б "Нормы расчёта на прочность типовых узлов и деталей из графита уран-графитовых канальных реакторов НГР-01-8511 включены кривые малоциклового разрушения графитов, подученные в результате данного исследования. Она могут быть непосредственно использованы»для ориентировочного расчёта элементов конструкций атомных реакторов лег критерию образования трещины мадовикловой усталости в опасной точке.

И

1.РИ2ЫЗ малоиикловой прочности графить

'Кривые мадоиикловой усталости графита .

8,0 Ю 6,0

5,0

КО

■ч, ■ X]

! I

_ _ Ч к

ом

0}Ю 0,08

"ч X ) ! ! 1

- ч к

У

1

ю 2 ьбш г к е ю3 ыг ю г к б ю г к е нгы{

ГР-280(И), I - 700 °С,

2 - Ь.ОО ЬС, 3 - 900°С, 4 - ЮОО°С . Рис.2

ихематизапия диаграммы деформирования нелинейно упругого подэлеыента

гр-аьоао, яЕ=-1; I - 800 °с,

2 - 900 °С, 3 - 1000 °С Рис.3

Распределение ШГР подэлемектов по пределам текучести

су -с.отЬ

(с-тт)

- -— / «ае^А

4 ■■ />

__ У; /1 1 ' 1 1

: К р, и-СГ -

0- 0,2 0,ц 0,6 0,8 ГТ,%

Лкшш'1Д,3 соответствуют различна« .циклам нагрукения I - ГР-260Ш). 2 - ГР-2Е0Ш Рис.4 Рис.5 12 •

Непосредственное использование подученных дайзрмаписниих характеристик малошясдового лефогмигоз&ния при расчёте элементов конструкций не всегда возможно иг-га различия условий эксперимента и эксплуатации. Поэтому необходимы математические- модели, отраяишие основные особенности процессов деформирования и мигсоогзярушения графита с, различных .условиях нагружеяия. Подученные экспериментальные данные служат,с одной стороны, базой для создания моделей, а с другой - используются для проверки их адекватности.

Структурная модель графита. Переходя к задаче моделирований деформационных свойств графитов при произвольных программах мадоиикло-вого нагрукения, необходимо сформулировать основные особенности пи- . кдического неупругого деформирования, проявляющиеся в экспериментах:

- физическая анизотропия;

- нелинейность кривых деформирования при нагружении и разгрузке на всём их протяжении.и образование петель гистерезиса;

- отличие диаграмм деформирования при растяжении и сжатии (разносо-противляемость);

- циклическое разупрочнение, занимающее в отличие от большинства металлов, значительную часть общей долговечности;

- изменение формы петель гистерезиса по мере развития процессов рассеянного разрушения, приводящее к появлению перегибов в пояуииклах нагружения и разгрузки; '

- циклическая ползучесть и циклическая релаксация при мягком и жёстком нагрукении,соответственно;

- ускорение ползучести при чередовании выдержек с циклическим нагру-жением;

- зависимость наблюдаемого коэффициента термического расширения от истории нагружения.

Часть отмечешшх свойств являются обцими у графита и металле-(нелинейность диаграмм деформирования, петли гистерезиса, циклическая ползучесть и пекаксацля) и т?ог.ут быть отражены в рамка:: с.утестгу-ьшх моделей ерэды, разработанных для металлически еплавоп. Некоторые свойства (разупрочнение, изменение фермы петель гнегевезчеа), тя V. проявляются у металлов, по па долговечности занимают коротки? этап непосредственно перед разрушением, на стадии роста усталостной трещины. Поэтому отражения в существующих моделях деформирования металлов они практически не нашли. Кроме того, в поведении графита наблюдается ряд особенностей (анизотропия, разкэсопротивляемость-, ускорение ползучести после циклического нагружения, зависимость таблюдае-

13

мого КГ? от истории каярзйкетшя), принципиально отличающие его от большинства конетрукпионных материалов. •

Анализ экспериментальных данных и опубликованных теоретических исследований показывает, что среди существующих теорий неупругого деформирования наиболее приемлемой для описания циклического нагружен ия конструкционных графитов является структурная модель среды. Известные варианты структурной модели, предлокенные ранее применительно к графиту, предназначены для отражения циклически стабильных свойств, проявляющихся у графита лишь на ограниченных по числу цик-^ лов этапах нагружения.

Для отражения процессов рассеянного разрушения и разупрочнения при калопикловом иагружении графитов в данной работе предложены варианты структурной модели упруговязкоплас тиче ск о й среды в форме соответствующих уравнений состояния.

Модель представляет собой набор параллельно соединённых подзле-мектоЕ (схема Мазинга), наделённых различными свойствами. Можно выделить две группы подэлементов: упруговязкопластические и упругие. Разработана методика разделения диаграмм циклического деформирования н& две части, отвечающие двум группам подэлементов.

Додэлененты первой группы (К =1,...) нацелены следующими свойствами:

Ек=£, ТК=Т, Е^г'+р'+У, .. гк-б*/Е, 8к=?сСкТ, __

р^срЕ Т),

IР(з)=Н1б) + уН(-б),

где £*» С»", Тн- деформация, напряженке и температура подэлемента, г*, р*, упругая, неупругая к тепловая составляющие деформации подзлемента, Ф - реологическая функция подэлемента, - функция разносопротнвляемостй, ЗЕ*- параметр разупрочнения, Н(х)- функция ХезисаГде ДО(*) =0 при * б 0, НМ=1 тгри х > 0), - параметр Удквкста. •

. В соответствии с'функцией <р(8) свойства подэлементов при растя-зкекки и сгатни оказываются подобными с коэффициентом 1/Ц/.

• Предполагается, что разупрочнение подэлементов связано с их не-упругкм вэформированием (параметром Удквиста) и определяется■параметром - '

(4)

Для неупругих подзлементов принята гипотеза о подобия их реологических- свойств. В соответствии с ней реономные свойства всех ~сд-элемеятов определяются единой реологической функцией, которая принимается в виде зависимости:

Ко второй группе относятся упругие лодэлементы, среди которых имеются подэлемента с зазорами, имитирующими трешины в грабите. Эта группа подзлементов может быть объединена в один нелинейно упруги;'? йодэлемент с весом ду:

I

где 9*- веса неупругих подзлементов. Диаграмма деформирования нелинейно упругого подэлемента зависит от истории нагружения fv=fy(S,N¡-Предложена схематизация кривей деформирования этого подэлемента (рис.4), отражавшая процесс образования и развития микротрезин, приводящих к появлению перегиба на кривой деформирования в полупиклз сжатия:

с ÍM В

titin i ЛРИ ^mCn и

lo ., при emi„ >о,

Ey=cohst/ íb)

Еу = Еу(1- К tqNj,

где £0 - точка перелома схематизированной диаграммы деформирования. Smtft- минимальная деформация цикла, £у и Еу - начальный я текуадй модуль упругости подэлемента, К - параметр, зависящий от амплитуды, цикла, /V - число циклов нагружения. ■

Для отражения особенностей термомеханического нагружения гранта приняты различные КТР подзлементов модели и разработана методик"» лх идентификации. Она заключается в следующем: если при натт-ене •!тепянвзоа модели поддерживать позтсянну» деформации павкуо ну; го зсоппкаютаие в пояолементах напряжения будут сппеделдтыя только 'íx :ГГ?. Нагружая «юяель последовательно до значений , рав-

ных предольним упругим деформациям пэяэгзмэятов (пределам текуче-•'Ti:), л, осуггстзляя после каждого отапа нагрев на .&Т при постоянно." деформация, подучим серию кривых Дв~ДТ. Поскольку веса лод-эл^ментов известны, мояяо определить и ai* (рис-5):

15 ■

/К- Дб*

Таким образом, описанная выше процедура идентификации параметров модели определяет и базовые эксперименты:

1) статическое растяжение и сжатие - по данным этих экспериментов опр< деляются веса и пределы текучести подзлементов Гт , модуль упругости Е и коэффициент у 5

1с) испытания при жёстком циклическом нагружении с различными размаха-ми деформаций - определяются параметры разупрочнения Э£чи вид функ-

ТИТН Ту ;

2) получение кривых ползучести при различных температурах для определения реологической функции СР ;

4) серия специальных испытаний для определения КГР подзлементов, включающая в себя поочерёдное нагружение до деформации, соответствующей пределу текучести очередного (начиная с самого "слабого") подэлемента и последующий нагрев при постоянной достигнутой деформации.

• Необходимо отметить, что по результатам опытов параметры разупрочнения и вид функции fy практически не зависят от температуры и их ¿можно определять при нормальной температуре. В то же время реологическая функция существенно зависит от температуры и должна определяться■ во всём температурном диапазоне, представляющем интерес в связи с реш« нием конкретных задач. До предложенной методике определены параметры модели для графитов ГР-280, ГШ-280, ТРП2-280.

Предлагаемая модель является дальнейагам развитием стр;/ктурной__мо^_ дели упруговязкрш^астической среды и включаэт-в-себя-все'предагеству-квде варианты,_предлокенные-для металлов и графита как частные слу-—чаи, вплоть до модели идеально упругого тела.

Дня проведения численных экспериментов с моделью и сопоставления получаемых результатов с экспериментальными данными была разработана вычислительная программа на языке РШСГЯАМ. При сопоставлении результатов расчётов с экспериментами для уменьшения влияния разбросов последних при идентификации модели используются осреднённые кривые деформирования и ползучести, а предварительный отбор образцов производится по модулю упругости, определённому по данным ультразвуковых ' измерений. -

Сравнение с экспериментальными результатами при различных про- • граммах нагружения показывает, что модель хогэопо отражает основные особенности циклического - деформирования графита:

- упрочнение и. стабилкзат© при невысоких уровнях напряжений, прайс-

ходящие в модели уже после первого никла'(в материале этот процесс занимает от одного до пяти циклов);

- циклическую релаксацию и циклическую ползучесть при жестком и мягком нагруяении, соответственно;

- циклическое разупрочнение, протекающее более интенсивно с ростом уровня напряжений;

- изменение формы петель гистерезиса и появление на них перегиба в псдуцикле сжатия при высоких уровнях напряжений.

Полученные расчётные кривые ползучести с выдержками различной длительности показывают значительное ускорение ползучести при циклическом кагружении. Влияние циклического нагруяения на ползучесть во-, зрастает с уменьшением времени выдержки, то есть с увеличением частоты нагружения. При заданном максимальном напряжении кривые ползучести с выдердаами расположены в коридоре, образованном кривдам циклической ползучести при отсутствии выдержек ( t =0) и ползучести при постоянном напряжении ССэ -const). Увеличение времени ввдеркки сверх определённой величины уже не оказывает влияния на кинетику накопления деформации, указанная кривая сближается с кривой ползучести при постоянном напряжении. Это время выдержки зависит от уровня напряжений : с уменьшением уровня оно увеличивается.

Бри циклическом неиэотермическом нагруяении с чередуюшкмися этапами нагрузки, разгрузки, нагрева и охлакдения модель отражает изменение наблюдаемого КТ?. При не.упругом циклическом деформировании происходит разупрочнение, особенно интенсивное в подэлементах с малыми пределами текучести и имеющими малый КТР, что приводит к возрастании до 40-50% наблюдаемого КТР модели с увеличением числа циклов нагружения.

Максимальные отличия результатов, полученных с помощью модели, от эксперимента при описании деформационных свойств не превышают 1555.

Критерий квазпстатическаго разрушения .(I) предлагается ис'пользо-Г2ть применительно к нелинейно упругому гтецзлементу. Тогда при мягком циклическом нагружен;«; макроразрупение модели произойдёт, .если деформация нелинейно упругого подолечента, а следовательно, и всего элемента объёма превысит ' Бд . При кёстком нагрукении, ...когда накопление деформация нёвозыошо, матсрораэрушение модели не происходит, если деформации легат в диапазоне: 4

' - 2ес<£< £вр> . (Ю)

где ё8Р- деформации, соответствующие предела;,! прочности при сжатии и растяжении. 3 этом случае происходит разупрочнение неупругих

."-•лгяйнвкгов и постепенное &япсрораз{?ушёшге нелинейно .упругого подз-л-.-уокта, что приводит к падению максимальных напряжений и размаха .•аггояЕений з цикле. Момент разрушения монет быть определён, как ото принято при аналогичных испытаниях металлов, по косвенному признаку - уменьшению в два раза размаха или максимальных напряжений

Расчётные кривые малопикловой прочности позволяют отразить ее уыень;ленйе с .увеличением температуры, влияние коэффициента асимметрии дпгсла и Бремени выдержи при максимальной нагрузке. Отличие рас-и чётных к экспериментальных кривых не превышает 30-40"о по долговечности.

НеоСходимо отметить высокую эффективность предлагаемого числен-.-'огс.' моделирования прочностных свойств. Так, при числе подэлементсБ модели 6...£ время расчёта кинетики деформирования образца на СМ сБ" составляет 10-20 мин для построения одной кривой- малоциклового разрушения на базе 3000 циклов. Это позволяет при исследовании м&-лоиикловоГ: прочностз? материалов в произвольных условиях нагружения значительно сократить объём и сроки проведения экспериментальных работ за счёт рационального выбора программ испытаний.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ЕНБСДЫ

1. Создана автоматизированная установка для проведения 'циклических испытаний графитов по различным, в том числе неизотср.мическим программам в диапазоне температур до 1000 ——---

2. Провех^т^алоиккловие'Иопы'ге.ния графитов ГР-280, ГРП1-260, ГН12-"¿£0, ГР-1 при различных программах мягкого и жёсткого нагрукания в диапазоне теыяаратур 20...1000 °С. При.циклическом•нагрукенйи выявлена основные закономерности, характеризующие процесс деформирования графитов.

2. Подучена кривые шяэиикловой прочности и кривие усталости граЗк-тор в дкапабоке 20...1000 °С. Установлено, что наклон соответствуг-гзис кривых увеличивается с ростам температуры испытаний. Установлено дга кеяаигзыа разруаенкя при ткличесхом деформировании - квазистэ-игческий к усталостней. Эксперименты показывают, что статическое и циклическое повреждения мокно считать независимыми. 4. Для отражения процессов циклического деформирования графитов предложена. структурная модель упруговязкопластической среды в. Зорче соотьететвусзих уравногаШ состояния.

Особенности «одели: .

№

- учтена взаимосвязь процессов деформирования и оазрутлэнич графитов:

- для отражения особенностей термомехагагческого чагруканяя пркиятг различные КТР подэлементов.

'5. Разработана методика нахождения определявших функций у; дели -.году по результатам испытаний (задача идентификации модели) п олредед=н': параметры мидели для графитов ГР-2Б0 в диапазоне температур 2С— 10С0°с/гРП1-2е0(!!), ГРП2-260Ш при температуре 7С0 5. Разработана вычислительная ЭВМ-программа цяя оасчёта хригих дп::д:.-ческого деформирования и ползучести э условиях псзторчо-пзр^ченн .т * непзотермпческого нагр.укения. Вычислительная программа как блок нений состояния монет быть использована в расчётах наггоя^ёлк^-дзФо"-мированного состояния элементов графитовых конструкций.

7. Проведено сопоставление поведения модели с эксперимекталььзин г--зультатами, подученными при различных программах нагруженял, по-аза?-жее их хорошее соответствие. Максимальные отличия для кривых де'дзгм^-рования не превышают 15«. Подучены расчётные кривые малспиклозого разрушения при различных температурах, формах цикла, длительностях выдержек. Погрешность пол.ученных кривых: не превьглает 40л.

8. Результаты работы частично вкличены в "Нормы расчёта на прочность-типовых узлов и деталей из графита уран-графитовых канальных реакторов НГР-01-85" и используются на предприятиях НИЖУТ," ИАЭ тл.Курчато-ва, ОКБ,'.! "г.Нижний Новгород при проектировании аппаратов типа ВТГ?.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Г. Летев C.B., Швеиов А.Г. Исследование кинетики деформясозанял графита при неупругом циклическом реформировании в условиях пэвыиента:: температур//Тез. докл. Всесоюзн. конф, "Современные достижения в области исследования, производства и эксплуатации углероднгдс материале? и .изделий",- Челябинск, 22-24 мая 1984.- С.71.

2. Лежнев С.Б., йвеиэв А.Г. Исследование малоиикловой прочности графитов при повышенных те»лпературах//Там «а,- С.63-70.

3. Установка для исследования графитовых материалов при циклическом нагружении и повышенных температурах/ С.3.Горский, С.'А.Звресэт-, С.3..чятнев, А,Г.изеиов//3авоц. лабо?.- 1985.-'? 9.- С.75-77,

4. Евепов А.Г. Зариант модели для описания деформационных его;-?" графита при адалоиикяовом нагрукенки,- В кн.: Прочность мааин аг.г'зт.г-тов при переменных нагрулениях: Тематический сборник научных груд''.v Под род. Д.А.Гох$ельда я О.С.Садакова//?елябинск: Чаи.-1585.-С.£4~'7.

3. Исследование деформационных я прочностных свойств элэнтрэдг-.'.Г"» графита при растяжении и сааткя/*В.Г.Артельных, В".ЕЛатансал',. A.IMb?-

19

пов и др./Дез. докл. к сообщ. У Всесоюзной научно-технической конференции электродной промышленности "Повышение качества и эксплуатационной стойкости углеродной продукции".-Челябинск.-1983.-С.135-137.

6. Деформационные характеристики графитовых материалов энергетических установок при повторных нагружениях/ Д.А.Гохфельд, С.В.Лежнев, А.Г.Швецов, А.О.Чернявский//Тез. докл. I Всесоюзн. кон$. "Долговечность энергетического оборудования и динамика гидроупругих систем". (ДСП).-Челябинск, 9-12 сентября 1266.-С.22-26.

7. Деформирование и разрушение графитовых материалов и конструктивных элементов при повторных нагружениях/ Д.А.Гохбельд, С.В.Дашев, А.О.Чернявский, А.Г.Швепов/Дез. докл. Всесовзн. научно-техк. симпоз. с участием стран - чденов СЭВ "Нормирование прочности и ресурса высо-конагруженных машин".-Владимир, 18-20 ноября i960.- G.50-53.

6. Критерии малоциклового разрушения конструкционных графитов/ O.S.Чернявский Д.А.Гохфельд, С.ВЛетаев, А.Г,Швеыов//Материалы У Всесоюзн. симпоз. "Малоцикловая усталость - критерии разрушения и структура материалов": Тез. докл.- Волгоград.- 1987.- С.25-27.

9. Чернявский О.Ф., Лежнев С.З., Швецов А.Г. Влияние выдержек npi повышенных температурах на деформирование и разрушение конструкции-• ных графитов при повторных нагруяениях//Пробл. прочности.- ® 1.-1988.-0^52-56.

10. Малоиикловое деформирование и разрушение конструкционных графитов при повышенных температурах/ О.Э.Чернявский:, Н.М.Кононов,

С.В.Лежнев,' А.Г.ЕЬеыов// Пробл. прочности.- № I.-

• II. Лежнев C.B., Ивеисш^Г^Де!5ормациан!же-свойства конструкпи-^отао^Графитов-при-малопикловом нагружении и их моделирование/Аежву; сб. научных трудов "Прочностные и динамические характеристики машин и конструкций".-Пермь: ППИ.~-1988,- С.44-48.

12. Лежнев C.B., Швецов А.Г. Анализ процессов малоииклового дефо{ мирования и разрушения графитов на основе структурной модели среды// Тез. докл. XII юбилейной конференции молодых учёных Института машиноведения Ш СССР "Актуальные проблемы машиноведенияМосква, 16-16-января 1989.- С.90. . ■

13. Гохфельд Д.А., Лежнев C.B., Швеиов А.Г. Деформирование и разрушение графитовых материалов при'поэторннх нагружениях// Зарод, ла-бор.- 1989.- т.55.- JS 7,- С.55-61. '