Разработка теоретических основ и экcпериментальное исследование закономерности деформирования и разрушения реакторных конструкционных материалов при высокотемпературном малоцикловом нагружении тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Научно-производственное объединение по технологии машиностроения «ЦНИИТМАШ»

На правах рукописи

ЧЕЧКО ВЯЧЕСЛАВ НИКИФОРОВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ

И РАЗРУШЕНИЯ РЕАКТОРНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ МАЛОЦИКЛОВОМ НАГРУЖЕНИИ

Специальность 01.02.06 — Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры 05.02.01 — Материаловедение в машиностроении (по отраслям)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Московском институте .Химического машиностроения.

Официальные оппоненты:

Доктор техн. наук, профессор КУЗЬМИН М. А.

Доктор техн. наук, профессор РОМАНОВ А. Н.

Доктор техн. наук, профессор ТУЛЯКОВ Г. А.

Ведущая организация — научно-производственное объединение «НИИХИММАШ».

Защита диссертации состоится « $ 1993 г.

и У^ цяг на заседании специализированного совета по защите докторских диссертаций Д 145.03.04 при научно-производственном объединении по технологии машиностроения «ЦНИИТМАШ» по адресу: 109088, Москва, Шарикоподшипниковская, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НПО «ЦНИИТМАШ».

Телефон для справок: 275-85-33.

Автореферат разослан « » 199^ г.

Ученый секретарь специализированного совета НПО «ЦНИИТМАШ»

канд. техн. наук А. Г. МАЗЕПА

'"»Kj.Jn.vi -УПу \

I. СБ1ДАЯ ХАРАКГЕР.И'СГШ РАБОТЫ

ьность_темг;. Отличительной особенность!; работы ряда устройств il ответственных элементов конструкций энергетачгского и химического машиностроения является кестацнонарлость силового нагрукения и температурного воздействия, приводящая к повторы:;-: упругогластичесюш деформациям. Б связи с этим весьма актуально стоят вопросы теоретического описания и экспериментального исследования закономерностей сопротивления конструкционна материалов малоцккловому деформирован«» и разрупонап з услэзх:<х сохих температур и развития экспериментальных методов исследований и средста их технической реализации.

Исследованию сопротивления материалов циклическому упруго-пластическоыу деформированию и разруиенив з связи с обоснованней несущей способности элементов конструкций и деталей мгцлкн при температурах до 800 °С уделяется большое вяиязние. Значительны* вклад в решение этих вопросов внесли Рабогаоэ D.H., Серенсеи С.З., Шнейдерович P.M., Махутов H.A., Гусенкоп А.П.,Роиаиов А.Н., Туляков Г.А..Попов A.A., Щур Д.М., Скоробогатих В.Н.,Мазепа А.Г., Партой 3.3., Лугакцев Л.Д., Кузьиин .М.А., Гсхфельд Д.А. , Лихачёв Ю.И., Писаренко Г.С., Коффин Л.Ф., JfomoH С.С. и др.

В меньшей степени исследовано сопротивление тугсплаакис )«ате-ркалов в условиях высоких температур (до 2000 °С) и коиструхцкен-ных материалов при воздействии реакторного излучения. При а то.'-:, даже для материалов кеподвергнутых радиационному гоэдеаствкю» вопрос описания циклической ползучести и релаксации напряжений остаётся открытым. Весьма ограничены такке сведения о иалоцнхло-вой усталости и температура вязко-хрупхого перехода в процессе реакторного облучения.

Теоретические трудности, связанные с описанием кинетики ползучести и релаксации напряжений при калоцикяозом нагружеячя, отсутствие высокоэффективных способов, средств и методов ускоренного определения комплекса прочностных характеристик с зысоко* точностью за один высокотемпературный ¡или вцугриреакторный эксперимент, являются объективны»: барьером ддя получения научней и практической информации в условиях высоких температур к реактор- ' даго излучения.

Всё вышесказанное убедительно свидетельствует, чтя георгтичзо-

кое >: экспериментальное обоснование закономерностей деформирования и раэрупения реакторных: конструкционных материалов при высокотемпературном и Бнутрхреакторном циклическом упругопластичес-ксм нагружзнки является актуальной задачей, решению которой к погалшз!» настоящая диссертация.

Цель работы. Разработать теоретические основы и провести экспериментальные исследования закономерностей малоциклового деформирования и разрутазния металлических конструкционных материалов в условиях высоких температур (до 2000 °С) и реакторного облучения, что потребовало реыения сиздупцжс основных задач:

1. На основе теоретического анализа закономерностей улруго-пкастичгского деформирования и экспериментальных исследований родить задачу списакик кинетики процессов ползучести и релаксации напряжений в произвольном цикле знакопеременного деформк-роЕания циклически-контрастных (упрочнлшяхся, разупрочнясакхсл) и структурно-нестабильных э процессе ползучести материалов (материалов, сопротивление циклическому дефэршфованип которых зависит о* предыстории кагружегая).

2. Разработать уравнения для скорости циклической

. установить функциональную связь между параметрами уравнений и создать хетоды получения исходных данных к уравнениям по огранк-чскксцу числу нагружений образца за' одну высокотемпературнув или реакторнуз кампания.

3. Обосновать я разработать высокоэффективные способа исследования сопротивления ¡¡каяоцккловому деформирование, ползучести, релаксации напряжений, характеристик малоцикловой усталости и определения вязко-хрупкого перехода в условиях высоких температур и реакторного йзлученип. Создать высокоточные установки для реализация этих способов.

4. Провести экспериментальные исследования закономерностей дефориирозаикя и разрушения реакторных конструкционных материалов в широком диапазоне температур и при воздействии нейтронкогс потока. Осуизг.гаигь сраькителыгую оценку прочностных характеристик материала яра ьоздействии и отсутствии нейтронного потока.

5. Создать банк данных для группы тугоплавких (вольфрам, молибден, молабденэные сплавы) и конструкционных материалов (не-ржаымодие сгадм^ шшелошз и агаэмшшзвые сплавы) по характеристикам сопротивления малоцмкдовому доформиро&ашга, лолаучаста и

ыалоцикловой усталости, яилшлихся бйэов^та для вксолотсчнвх прочностных расчётов ответстзегсшх элементен: конструкций онер-гетического машиностроения.

Научная.новизна. 1. На основе теоретического анализа к экспериментальных исследования разработана техническая теория циклической ползучести, в соответствии с которой установлена функциональная связь между параметрами диагра:« циклического знакопеременного деформирования и ползучести, Скорость ползучести в произвольном цикле определяется как пропззедениз скорости пластической деформация на траектории энакоперзие'.'лого деформирования с постоянно)! скоростью на степенную фунуциа отнозензд напряжений (действующего при ползучести к из траектории диаграммы циклического деформирования). Таким образом, задача олиселия ползучести и релаксации напряжений в произвольном цикле знакопеременного нагружения сводится к определении обобтэншх диаграмм циклического деформирования (разработан идаоноточный метод их аппроксимации) и зависимости скорости ползучести от напряжения.

2. Разработан метод определения показателя степени (чуэст-рительности к скорости деформирования) в уравнении циклической ползучести по результатам циклического деформирования образца, для чего достаточно произвести совместную обработку циклической диаграмм! деформирования и кривей ползучести при одних и тех же значениях пластической деформации, что повтшзет достоверность и точность определения характеристик циклической ползучести и позволяет существенно сократить трудоемкость проведения экспериментов.

3. Для материалов, на кинетику сопротивления цакдкчесхоцу■ дефорыиров&нип которых з определённых теипяратурных диапазонах влияет периодическое включение испытаний i¡a ползучесть, кредло-кены способы определения при испытаниях и учета в уравнения циклической ползучести предыстория нагружения (степени структурно Я нестабильности).

4. Сфор-мулированы, теоретически обоснована и экспериментально подтверждены принципиально новкэ высокоэффективные способы определения следующих прочностних характеристик матерхалог при циклическом упругопластическом де&зрмирогакии: полаучести, иалоцихловой усталости и условной температуры перехода материала из пластячьсхого в 'хрупкое состояние. Бсо способы испита- .

нкй заикзгкн авторскими свидетельствами. Созданные для реализации отдас способов кьсокоточнке установки содержат оригинальные та.-сн^чеекко резлния систем нагрева, нагружания и измерений, также за'слгённыв авторсккки сввдетедьстваш.

5. Раэрзбэтанше ¿'етодм и способа определения параметров уравнений циклической ползучести по ограначенноцу числу нагруже-ьнК и установленная экспермект&льно независимость чувствительности к скорости дефоряфовашя и степени структурной нестабильности с? числа циклов•нагрухения позволили, осуеествляя периоди-: «оскг-ге ;.'лстср.у;л,^скяв исхглакия образца, впервые подучить температурные завиекшстн параметров уравнений ползучести для больной грулш хопструкщтснкых материалов {вольфрам, молибден, молибденовые сплавь;, аустекитные нерлавегаие стали и др.) в диапазоне теыгшратур 20-1500 °С.

С. Впервые в практике внутрареакторньс: испытаний материалов •по результатам малоциклового депортирования образца из аустенит-нсй с-.т&л:' 16-15 о 0,2 % бора получены температурные зависимости характеристик сопротивления знакопеременному упругопластическо-ку до£ормиров.чнкэ к ползучести до облучения, а процессе облучения и псслэ об.яунант. Установлено, что при. одном и том же нап-ряксмш скорость ползучести при наличии нейтронного потока почти на порядок бокьаз, чем при его отсутствии. Показано, что испытания ">:о разработанной методике и,соответственно, совместный анализ криоых ползучести и циклических диаграю* деформирования, позволяют ссудастаяять достоверную 5-рактовку результатов испытана на ползучесть при воздействия реакторного облучения.

Счопвнь.достоверноети. Разработанные зависимости для скорости циклической ползучести удювлетьорительно описывают результаты к'длоцкклоаьос испытаний на ползучесть и релаксацию напряжений большой группы цигсянчески-коктрасггих и циклически-нестабильных ¿¿агерталоь (ма-териалу -?А наименований ) в диапазоне температур КО - 1500 °0. Достоьйриость экспериментальных данщвс подтверада-етол сьгпэденнек результатов сравнителымх экспериментов, проведение по разработанным способам (способы испытаний зааиаены авторскими саедзтъгьотваш) я известным, и удовлетворительной сог-л&соважрстьа с имезкзк^яся литературными дакнымя. Точность и надёжность леи исгд;ташях сбеспечивается использованием современного ,изкерителмйго оборудоианкя, предварительной тарировкой

датчикоп измерения и контроля и их дублированием высокотемпературных и внугрйрёактормых испытаниях, а таете статистической обработкой результатов.

На эааит/двыносятся^ I.Техническая теория циклической ползучести конструкционных металлических материалов и уравнения для скорости циклической ползучести, устанавливающие функциональную связь между параметрами диаграмм знакопеременного упру-гопластического деформирования и ползучести.

2. Методы и способы определения параметров уравнений циклической ползучести (чувствительности к скорости деформирозания, степени структурной нестабильности) по ограниченному числу наг-рухений образца, обеспечивающие повшение достоверности и точности при определении характеристик ползучести и позволявшие существенно сократить трудоёмкость проведения высокотемпературного или внутриреакторного эксперимента.

3. Результаты экспериментальных исследований зависимости параметров уравнений циклической ползучести от числа циклов наг-ружения при высокотемпературном малоциклозоы дефоршровакии циклически-контрастных и структурно-нестабильных материалов.

4. Методы исследования температурных зависимостей комплекса прочностных характеристик (сопротивление малоцикловому деформировано, чувствительность к Скорости деформирования , степень структурной нестабильности и др.) за один высокотемпературный эксперимент или одну реакторную кампанию.

5. Теоретическое обоснование и экспериментальная проверка высокоэффективных способов испытаний (на ползучесть, малоцикловую усталость и определения температуры перехода материалов из пластического в хрупкое состояние с учётом фляенса нейтронов) при циклическом упругоплястическом деформировании. Высокоточше установки для реализации этих способов испытаний в условиях высоких температур (до 2000 °С) и реакторного излучения.

6. Температурные зависимости (банк данных) сопротивления знакопеременному деформировании, характерно'.,.:с циклической ползучести и малоцинловой усталости тугоплавких материалов (вольфрам, молибден, молибденовые сплавы), неряавепаих сталей, никеле- • вых и алюминиевого сплавов в диапазона температур 20~1500°С, а также аустенитгай стали 16-15 с 0,2 % бора при облучении э ядерном реакторе, являшиеся базовыми для прочностных расчётов

ответственодх элементов конструкций энергетического к химического машиностроения.

Экспериментальные данные по сопротивления мдлоцикловоод деформированию и уравнения циклической ползучести используются для расчётного определения работоспособности ТБЭЛов ко различных материалов в физико-энергетическом институте (ФЭИ), Подольском научно-исследовательском технологическом институте (КНИГИ), научно-исследовательском институте неорганических материалов (НШШ). Проьедённые испытания 13 ыарэк нержаБегага сталей и никелевых сплавов позволили выбрать по' характеристикам сопротивления малоцикловому деформи-роЕанкп к малсцикловэй усталости оптимальный материал оболочек ТВЭЛоэ к использовать полученные результаты при составлении технических задий на вновь проектируемые атомные реакторы (КйИНМ). В Московском институте химического машиностроения ■ (1£Ш.<) данкыз по сопротивлению тугоплавких материалов повторному дефорккрэваяаю используются при проектных расчётах каналов илазьреакторов, повышение рабочей температуры стенок которых за счёт применения тугоплавких материалов (вольфрам, кодибден к его сплавы) увеличивает производительность реакторов и улучшает качество продукции. Полученные при внутриреакторнои экспер^теето температурные зависимости сопротивления малоцикло-во:<у дефэряусваяию к чувствительности к скорости деформирования используптся ъ Московском икзекерно-физическом институте (Ш!ФИ) при разработке структурной модели, позволягцей учесть влияние флгойнса и интенсивности облучения ка характврксттеи еопротивле-ши катериаВысокоточны» установки для проведения высокотек-ператур1шх прочностных испыгашй внедрены в ПНИГИ, Ш£И,НИИгра-фит и в!1утриреакторнад установка на ИРТ-2000 (г.Москва). Использование экспериментальных результатов, полученных зависимостей, высокоэффективных способов испытаний и установок в выпе-н&зван'ййс организациях, а такке в НИЙграфит, НйИГС и НИ/Я (г.Лыткарико) подтверядено актами внедрения.

Апробация работы, ^тариалы диссертации докладывались ка Бсесо«оных симпозиумах по вопросаы сопротивления малоцикловому дефоркироваяизз: г.Каунас -1971^ г.Челябинск - 1974 г.; г.Палан-

- 19*79 г. На Всесоюзном совещании:"Радиационные эффекта изменения ыэхакичзских свойств конструкционных материалов и мето-

ды юс исследования" - г.Киев - 1977 г. На научно-технических конференциях и семинарах НИИГС, МИйй, ШИграфи?, ДСП, , НПО ЦНИИГКАШ, НПО НИЯШШ - 1970-1992 гг.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из впадения, четырех глав, выводов и списка литературы. Обиий обгём диссертации - 234 стр., в том числе 63 рис. и 10 табл.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОГН

Глава I. Состояние работ в области теоретического описания и экспериментального исследования сопротивления конетрукционньк материалов упругопластичеслому деформированию и создания средстз налоцикловых испытаний в условиях высоких температур и реакторного облучения.

В данной главе, носнией в основном обзорный характер, излагаются вопросы теории, некоторые экспериментальные результата и современное состояние проблемы в области опи ания сопротивления ползучести и релаксации при однократном и повторном нагрузении. Уделено внимание особенностям проведения высокотемпературных и внутриреакторных исследований, рассмотрены суаествувдие методики и средства и перспективы их развития. Проанализированы значительные исследования, способствующие совершенствований феноменологического описания процессов ползучести и релаксации напряжений, а также рассмотрены некоторые результаты работ по созданию теории атомного механизма деформации. Проведённый обзор исследований процессов накопления пластической деформации при однократном нагруяекии показывает, что»несмотря на значительные успехи в этой области, не разработана достаточно надёжные феноменологические и физические теории ползучести, а также создаваемые в последнее время комплексные структурно-феноменологические модели, позволяющие с достаточной точностью описывать поведение материалов в широком диапазоне температур, напряжений, деформаций и их скоростей. В сравнительно узких интервалах измеиения указанных величин удачцую аппроксимацию результатов изотермических испытаний дают технические теории ползучести, в связи с этим именно они будут рассмотрена в дальнейшем как исходные для описания процессов накопления деформации при знакопеременном нагружении.

Применительно к повторному знакопеременному нагружен-,ю пока-

аано, что поведение материалов может быть описано лишь на феноменологическом уровне. При этом создание подобных теорий часто затруднено отсутствием необходимых опытных данных.

Рассмотрены основные направления в разработке методов и средств шсокотемпературных и внутрирсакторных малоцикловых испытаний. В настоящее время разработка'методик и средств высокотемпературных (до 2000 °С) и внутриреакторных малоцикловых испытаний ведётся на базе достигнутых успехов в области проведения малсцнклогьк испытания с постоянной скоростью при повышенных теда^рагурах (до 800 °С). Однако, применение существующих методов и способов испытания материалов применительно к калоцикловъм вкутриреакторньа испытаниям не даёт желаемых результатов. В связи с тем, что условия испытаний от одной реакторной кампании к другой изменяются, а кх проведение связано со значительными временными и финансовыми затратами, требуется разработка принципа' алько новых способов и методов более точного, комплексного исследования свойств материалов за одну реакторную кампания. Количество испытательных средств для проведения знакопеременных уп~ рупо-шгасткческих испытаний в условиях облучения весьма мало. Кыкются средства для повторного деформирования одного образца с записью диаграммы деформирования или одновременного испытания ка иалоцихловую усталость серии образцов без фиксирования кинетики напряжённо-деформированного состояния. Создание ыногооб-разцовых кассетных или с несколькими кагружаюаими тягами установок связано со значительным увеличением их диаметра и соответственно с удалённым расположением от активной зоны реактора. Необходима разработка высокоточных средств, обеспечивающих одновременное комплексное исследование механических свойств материалов.

Глааа_П. Теоретическое и экспериментальное обоснование закономерностей дефоршр&вания и разрушения конструкций иных материалов в условиях высокотемпературного маиоциклового нагруж.е-ния.

С учётом технических теорий ползучссти и обобщённого, деформационного уравнения, действующих при однократг.огл кагругенип, для скорости циклической ползучести в произвольном цикла нагруженмя предлагается следующая обобщённая запксимость, объединяющая параметры диаграмм циклического деформирования и ползучести

/Г, (I)

где - номер цикла знакопеременного упругопластического деформирования; 'о - постоянное напряжение, действушее при ползучести; и У / ~ соответственно скорость пла-

стической деформации и напряжение на траектории деформирования с постоянной скоростью а ; Iх* — степень структурной нестабильности материала.

Параметры и Т^' несут в себе информацио о кинети-

ке поциклового изменения напряжённо-деформированного состояния и определяются по диаграмме циклического деформирования в К -ом цикле. Параметр Д даёт количественную оценку влияния предыстории нагружения (испытания на ползучесть или времени изотермической выдержки) на кинетику последующего после испытания нз ползучесть циклического деформирования. Функциональная связь ыетду параметрами зависимости (I) и разработанные уравнения для скорости циклической ползучести структурно-стабильных (Л =0) и структурно-нестабильных материалов ( Iй / 0) рассматриваются ниже.

Уравнение для скорости циклической ползучести структурно-ста-бильнъгс материалов ( А - 0). Б произвольном цикле нагруяения скорость ползучести определяется посредством использования гипотезы упрочнения ввда

Исходя из (2), для скорости ползучести в К -п цикле можно записать соотношение

(;) & (П

а для скорости пластической деформации в К -и цикле, определяемой по диаграмме упруго-пластического деформирования в этом ке цикле, можно записать соотношение

Решая совместно последние два уравнения для скорости ползучести в. /< -к цикле, получаем соотношение

Л (о) о)

• с "Уса

Что касается вида функции ( Г/ .то большинство опытных данивх удовлетворительно аппроксимируется степенной функцией. В атом случае выражение (3) в предположении подобия кривых ползучести принимает вид

Vм [ Г__]'П (4)

Скорость пластической деформации при упруго-пластическом деформировании рассчитывается по диаграмме деформирования в предположении, что мгновенная пластическая деформация мала я полная деформация слагается из упругой деформации и деформации ползучести

уМ _ а _

* = Т7ШПЖГТ {Ь)

' сГ(Гс)

где а - скорость деформирования образца; б - модуль упругости.

Из соотношения (4) вкдно, что для материалов, удовлетворяющих принятым допущениям, деформационноё упрочнение описывается диаграммой деформирования. Более того, именно диаграмма деформирования з К -м цикле в первую очередь отракает циклическую нестабильность материала при знакопеременном нагружении.

Из (4) следует также, что для описания скорости ползучести в произвольном /< -к цикле достаточно знать диаграмму деформирования и вид зависимости скорости ползучести от напряжения.Для определения этих функций предлагается следующий метод. Если провести в 'Л -ом цикле испытание на ползучесть, то диаграмму деформирования в К -см цихле шг.но воспроизвести как "среднеарифметическое" между диаграммами в предьщушем (К -I) и последующей после испитания на ползучесть (К +1) цикле. При этом предполагается, что выдержка под нагрузкой в К -к цикле после разгрузки и повторного нагружения не сказывается на сопротивлении деформирозанив з (К +1) цикле. Схема деформирования в соответствии с разработанным способом испытания на ползучесть представлена на рис.1. На рис.3 в координатах "напряжение X , деформация у " представлены кривые деформирования и ползучести ьК -ом цикле, а в координатах "деформация У , время £ " - кривая ползучести в этом же цикле. Точками 1-5 обозначен порядок

* *

Met <x>as{ ¿V/ > i 1

/1

J>" 1 1 л

fíat tonst // / J

Ц/У^Р

jH-v / 1

-¡if ' / 1 i i'

1 I 1 / 1 / 1 Г i 1 i Ч

1 / 1 / H*i 1

H . / //

K'f 1—

Рис,I. Схема деформирования при испытаниях • на циклическую ползучесть

Тз (Ф>) П (<t>a) Т/ (Ф,)

. ТЕМПЕРАТУРА ¡Т<>Т2>Тз>Тхр

(фхр>Ф5>^>Ф<] /Флшенс !

со i

Ряс.2 Схема деформирования при определекга условной температуры вязко-хрупкого перехода

Гис.З. Схема определения параметра-т по результатам испытания нн ползучесть в произвольном пикле нагружения

совместной обработки кривых деформирования и ползучести. Искомый параметр т (чувствительность к скорости деформирования) находится по углу наклона прямой.

Таким образом, для определения входящих в зависимость (4) параметров достаточно осуаествигь три .цикла жесткого деформирования с ввдетжкой при ползучести (или релаксации напряжений) в промежуточной цикле. ¿!этод обработки результатов испытаний на релаксацию напряжений представлен в диссертации.

Если включать периодически испытания на кратковременную ползучесть в процесс циклического деформирования (рис.1), то представляется возможна исследовать f^H'/ во всей диапазоне циклов нагружения. Как показали эксперименты на большой группе тугоплавких и конструкционных материалов, f [ Г/ не зависит от числа циклов нагруяения и остаётся постоянной от начала деформирования вплоть до разрушения образца. Установленная независимость f [Г) (для испытанных материалов) от числа циклов нагруяения сушественно упропаег методику проведения и представления результатов изотермических и неизотермичесхи* испытаний материалов.

Использование циклических испытаний на ползучесть по сравнению с известными однократными имеет суаествекное прет^иество, поскольку и диаграммы деформирования и кризые ползучести получаются на одной и том are образце в идентичных условиях. Более того, замена действующих напряжений э зависимости (4) их отно-вением позволяет учесть деформационное упрочнение, компенсиро-гать циклическуо нестабильность, а ташз взамен истинны:: напряжений и деформация оперировать значениями внеаню: нагрузок и перемепений. Точность определения характеристик ползучести по разработанной методике вше на порядок по сравнен!»} с суиест-ъухтит. При этом сокращается время и уменьшается трудоёмкость испытаний, что особенно важно при высокотемпературных и внутри-реакторных исследованиях.

Уравнение для циклической скорости ползучести структурно-нестабяльних материалов (/* ¡» 0). К последним откосятся те,у которых поело испытания а реяшмэ ползучести я последующего де- ' формирования с постоянной скоростьв длагрзкиа к® согладаот с исходной (без исситшзш ка ползучесть) (р/сЛ). Дяя количественного . зпредгтвшя «т.епз5га с«руггур:юй лйсггабшгьнэгти гседуят

ЕонкретизироБзть, что считать за меру сопротивления деформированию' после испытания на ползучесть.

Предлагается олодуу.ккй способ определения структурной неста-бильчостч ыагериала, проявлявшееся в процессе вздержки под нагрузкой. До испытания на ползучесть, в предшествузаеы ей одном мгч циклов, образец подвергают кратковременной разгрузке при деформации £ -путь 1-2 (рис.4) и затем снова нагружают путь 2 - М'"}. Если считать, что за время разгрузки заметного возврата не происходит, то пластическую деформацию а , при которой обнаружкаетсп практическое совпадение диагралш деформирования с разгрузкой и без разгрузки, можно принять за допуск, при. которой определяется структурная нестабильность материала. Затем проводя? испытание на ползучесть и упруго-пластическое деформирование з Л цякге — путь 0-2 ~ Л/'"'*". Значение нагрузки пластической деформации о- принимается за меру соп-хютивлгния дьфрмлровант посла выдержки. Соотношение мевду значениями определяет степень структурной нестабильности.

Лрэзедон значительный объём испытаний различных материалов по вышеизложенной уэтодико, в результате которых установлен

харахтер изменения сопротивления 'деформирование структурно-ьс-стабильных материалов и введены соответствующие параметры в уравнении (4). Уравнение для скорости циклической ползучести •структурно-нестабильных материалов (16) представлено в глазе 1У. ^атод.аппроксимации_обобтеннкх диаграмм цинического деформирования. .Для более компактного представления результатов циклического деформирования и удобства пользования ими при опгедоле-ши параметров уравнений циклической ползучести и прочностных расчетах разработан метод аппроксимации обобщённых диаграмм. За основу принято г.оложснив, что полная деформация разнз суше упругой и пластической составлять*:

£ - +е„п ^ у* 8 (6)

При этом пластическая деформация берётся равной ширине петли гистерезиса, а упругая - , так нах для упругой области относительные значения напряжения и деформации рагны.

Из рассмотрения схемы деформлроваьия прй жёстком нагруяелии для ширины петли гистерезиса 8'"' в первом цикле получено вира-

(7)

где 2е") - амплитуда деформации; и &0'' - максимальные напряжения в нулевом и первом циклах соответственно. Аиалогич:*ая зависимость может быть записана для либого К -го цикла.

С учётом (б) и (7) для обобщённых диаграмм а первом цикле выводится соотношение

(в) •

где величина -С(В/2) определяется свойствами испытуемого материала и находится по диаграмме исходного однократного (0-Й цикл) дефериирозания.

В К —ы цикле обобщённые диаграмш описываются уравнением

где функция К) определяется свойствами материала к на-

ходстся яо результатам циклического деформирования.

По результатам жёсткого знакопеременного деформирования получена следующие выражения для соотношения между напряжениями:

(Ш -А);

-(и)

где - напряжение в К -м цикле. Поэтому

2{ (б(12)

В формулах (10-12) коэффициента/3 , А • с< являются константами циклически деформируемого материала.

Например, для ряда конкретных испытаний формула (12) имзет следующий зид:

нер;хапе-лшая сталь .0Х18Н9Г ! закалка с 1050° С) при темнера-. туре' испытания 20 °С(циклически упрочняшийся материал)

[¡+ 6/2.- 1)0,005у%°'004( (13)

молибден (циклически разупрочняшийся материал) при температуре испытания 20° С

*Г= Zf (£/г)[/ + <72 -8,7)0,012~0'022 (14)

при температуре испытания 800° С

г<М , г , 7 -0,06В

$ - г/(£]2) /I + (I - с/2) 0,008/к

Результаты экспериментов в диапазоне температур от 20 до • 1500 °С для циклически-контрастных материалов удовлетворительно совпадают с кривыми .построенными по аналитическим .зависимостям -отклонение не превышает 3-5'%..

Метод и результаты комплексного исследования температурных зависимостей__нескольк£х_ппочност№гх_хара

при малоцикловом деформировании за одну высокотемпературную или реакторную кампанию. Ресурс цикчической прочности большинства конструкционных материалов позволяет при деформациях 0,1-1 % осуществить более

циклов нагружения. А поскольку для определения рассмотренных ранее характеристик при какой-либо температуре требуется не более трэх-десяти циклов кагруженик, то представляется возможным проследить изменение основных характеристик с температурой. Чтобы выяснять влияние температурной предыстории на процесс циклического деформирования, были проведены испытания по пяти различным программам изменения температуры в процесс! . циклического знакопеременного деформирования (по каждой програм-

ма изменения температуры испытывалось 5-6 образцов).При циклическом деформировании после ряда чередующихся нагревов к охлаждений,как правило после 0,1-0,2/^- (л^ - число циклов до разрушения) наблюдается образование единой температурной зависимости сопротивления знакопеременному деформированию. В начальный момент (первые 100-500 циклов) сопротивление знакопеременному деформирование при возрастании температуры больше, чем при её уменьшении: наблюдается как бы "температурный гистерезис*. Однако, по мере стабилизации циклических свойств наблюдается умень-яенме гистерезиса и образование единой кривой, характеризующей температурную зависимость сопротивления знакопеременному деформированию на стадии циклической стабильности. Смена температурного режима на участке циклической температурной стабильности обнаруживает отличие диаграмм циклического деформирования от соответствующих стабильному состоянию только в первых 3-10 циклах.

Проведение испытаний по рассмотренным ранее и предложенной в данном разделе программам позволяет получить обширную информацию о прочнэсткых характеристиках материалов: исследовать температурные зависимости сопротивления знакопеременному деформированию, ползучести, релаксации напряжений, циклического модуля упругости, чувствительности материала к скорости деформирования, степени структурной нестабильности; определять с ис-пояьзован"ем стандартных методов величину накутайся энергии активации ползучести к др.

Следует отметить, что при разработке методики не делалось никаких ограничений, связанных с видом напряжённого состояния,кроме того, что оно должно быть однородным и достаточно просил». Это даёт основание использовать предложенную методику при различ» кых видах напряжённого состояния.

'Способ определения условной температуры (или йлюенса нейтронного потока) перехода материала из пластического в хрупкое состояние по результатам малоциклового деформирования образца. Способ определения температуры вязко-хрупкого перехода заключается в той, что испытуемый образец при температуре, соответствующей заведомо пластическому состоянии материала, подвергают знакопеременному циклическое деформированию с постоянной аыпда'-тудой пластической деформации (рис.2), равной допуску на

переход из пластического состояния в хрупкое,кривая Тр Затем температуры постоянно понижаются и при каждой из них осуществляется циклическое деформирование с этой же амплитудой пластической деформации (кривые Т^...) вплоть до выхода на температуру перехода в хрупкое состояние - (кривая Т^р), при которой образец разрушаемся.

В связи с тем, что температуры испытания могут отличаться весьма незначительно, а остальные условия испытания не изменяется, обеспечивается высокая точность определения условной температур вязко-хрупкого перехода.

Как следует из литературных данных и проведённых экспериментов, вблизи температуры хрупкого перехода материал проявляет структурную стабильность, в связи с этим влияния кратковременных выдержек и числа циклов (5-30) нагружения на порог хладноломкости не обнаружено.

Вышеизложенный способ позволяет определить влияние флюенса нейтронов на вязко-хрупкий переход. Образец или элемент конструкции (например, часть оболочки ТВЭЛ), помещается в поле реах-торного излучения и посредством специальной установки периодически, по мере набора флюенса ф , ф, , ф3 и т.д. (рис.2), подвергается жёсткому знакопеременному деформированию. Величина пластической деформации & выбирается равной допуску на пере-год'из пластического в хрупкое состояние. Разрушение образца свидетельствует о предельной дозе облучения ф^ , вызывающей хрупка разрушение при заданной пластической деформации.

Экспержсктальяке исследования температуры вязко-хрупкого перехода на образцах из вольфрама по предлагаемому способу испытаний и известно;:/ показали удовлетворительное совпадение результатов. Предлагаемый способ особенно перспективен при вцут-риреакторпых испытаниях, когда с помощью многообразцовой установки, обеспечивающей деформирования каддого из образцов при различных значениях деформации, за один эксперимент можно определять диапазон вязко-хрупкого перехода.

Глава_Ш. Разработка методов и средств высокотемпературных и вцутриреакторных исследований комплекса прочностных характеристик материалов при малоцикловом нагрухонии

При проведении упругопластичегких испытаний на кручение крагти-

чески не изменяется поперечное сечение образца, что упрошает анализ напряженно-деформированного состояния по сравнению с испытанием на растяжение или сжатие. Особенно наглядными стано-•вятся преимущества испытаний на кручение в том случае, когда внешняя нагрузка изменяет знак. Так, широко известен факт различия кривых ползучести при одинаковых по абсолютной величине растягивающих к сжимающих нагрузках,причем это различие не может объясняться различием сечений. При знакопеременном деформировании с заданной скоростью также наблюдается отличие диаграмм в циклах растяжения и сжатия. Все перечисленные эффекты полностью исключаются при кручении однородного изотропного материала. Методика проведения высокотемпературных и внутркреакторных испытаний кручением имеет также ряд дополнительных преимуществ перед испытаниями на растяжение. Так, на измерение деформаций при кручении (углов закручивания) не оказывают влияние термические изменения линейных размеров образцов. Нерабочая часть образца, к которой прикладывается внешняя нагрузка (крутящий момент),и нагружающие тяги при кручении могут быть выполнены относительно меньших размеров из-за более сильной (пропорциональной с(3 ),чем при растяжении или сжатии, зависимости момента сопротивления от диаметра. По этой же причине при испытаниях кручением представляется возможным обеспечить достаточ1фгга жесткость и малую массу (за счёт применения трубчатых элементов) гагружакних тяг (размером - несколько метрои) установок для внутриреакторных исследований. Во избежание значительных инерционных перегрузок при реверсе нагрузки следует стремиться к уменькению масс в нагружающей цепи установок для знакопеременного деформирования.

Методические особенности проведения испытаний на знакопеременное кручение при высоких температурах и реакторном облучении. Отмечено, что исследования прочностных характеристик материалов при циклическом деформировании даже без облучения весьма сложны и трудоёмки, так как требуется записать цикл за циклом диаграмму деформирования в зависимости от уровня исходного напряжения (деформации), ассиметрии цикла, веда нагружения, скорости приложения нагрузки, температуры. Измерение параметров деформирования и запись диаграмм деформироаания, кривых ползучести и релаксации должны быть непрерывными и осуществляться с погрешностями не более ± I %:

Дяя обеспечения проведения знакопеременного деформирования с высокой скорость» и испытаний на ползучесть с малой скоростью подгружений (для обеспечения точности поддержания нагрузки не менее 1 %), динамические характеристики электромеханических приводов установок, определяемые параметрами электросхем управления и инерционностью элементов кинематической цепи электродвигатель - образец, подлежат расчёту по предлагаемой методике (изложена в диссертации), результаты которого учтены при конструировали установок. Создание зысокотемперагуркых и внутриреакторных установ к является сложной задачей и требует значительных предварительных расчётов, макетирования и экспериментальных проверок. Разработке подлежат вакуумные системы, нагревательные устройства, датчики измерения нагрузок и деформации, измерительные системы; определяется радиационная и температурная стойкость датчиков, уплотнений и конструктивных элементов установок. Важным является создание надёжной конструктивной схемы установки, обеспечивающей ьшогопараыатрическое нагрукеше (автоматическое испытание на знакопеременное деформирование, ползучесть, релаксации в изотермических и неизотермических условиях), измерение и автоматическую регистрацию параметров деформирования с высокой точностьо при малых поперечных и значительных продольных размерах установок.

Рассматриваются технические характеристики и оригинальные, конструктивные резения созданных установок комплексного исследования механических свойств материалов при малоцикловом деформировании б условиях высоких температур - до 2000° С (установка ГКР-2Г) и реакторного излучения (установка ГКР-З). Представлена внутри-реакторная установка (ГКР-4) для одновременного испытания на малоцикловуо усталость серии образцов и фиксирования диаграммы знакопеременного деформирования. Все установки обеспечивают шого-лараметряческое автоматическое нагружение и запись параметров деформирования, проведение испытаний в вакууме или активной среде. Установки ГКР-3 и ГКР-4 имеют малые сечения в своей рабочей час-■ги 0 = 52 мм и ;:огут быть помешены как в исследовательские каналы реакторов, так и непосредственно в их активную зону. Технические характеристики установок удовлетворяют требованиям, предъявляемым к малоцикловым испытаниям при температурах до 800° С, а в ряде случаев их превосходят.

Внутриреакторная установка для испытаний серии образцов на

тики,напряженно-дефорш^опзнного_состот1ия. Отличительной особенность» установки является гэзможность испытания серии образцов (в описываемом варианте - пяти) на иалоцикловую усталость и одновременного фиксирования диаграммы циклического деформирования одного из образцов; это достигается тем, что нагруже-ние одного из образцов и четырех остальных ведётся раздельно, ^национальная схема установки представлена на рис.5. Узел ияг-ружения состоит из реверсивного электродвигателя I типа ПЛ0-62, снабжённого приводом ЭТ01-2, коториЯ позволяет плавно изменять частоту враиения выходного вала от 150 до 3000 об/пин, и двухступенчатого червячного редактора 2 с передаточкьгц отношением 5625. Нагруяатаая система развивает ккутший момонт более 10 Н-м и обеспечивает проведение одного цикла испытания за время о? 15с до 5 мин. Крутящий момент через торсион в и наг-уЕящую штангу 7 передаётся на иарнирное захватное устройство одного образца 13. Крутягий момент к четырем образцам 3 передаётся черзз тензобая-IV/ 5 и аксиально расположенную по отнозвкиэ к кагруташей штанге нагружаоаого тягу 4. Один из захватов образцов с помошьо пшф-та малой длины 6 закрепляется кеподвикно в пассивном захвате 12 (сечение А-А). Второй захват образцов с помошьо длинных итифтов 14 (проходяпих через пазы в пассивном захвате). зарнирно соадння-ется с нагрукашей тягой (сечение" Б-Б).КагдаЯ из образцов uosko деформировать на собственный угол, что достигается выполнением пазов различной ширины в нагружаваих штанге и тяге. Для повышения надёжности эксперимента упругие деформации торсиона измеряется с помоаыэ наклеенных на его поверхность текзорвзисторов и специально разработанного высокоточного малогабаритного ( ф -= 16 км, /7=6 мм.погрепность 0,1 %) индуктивного датчика 9. Угол поворота нагружающей штанги таете измеряется двумя способами: с помощью индуктивного 10 и потенциометрического II датчиков. Фиксирование разрушения каждого из четырех образцов производится по изменению их электросопротивления. Для обеспечения постоянства температуры испытаний предусмотрен нагреватель( на схеме на показан). Разраоитанный способ испытания на малоцикловуо усталость и установка для его реализации позволяет за один эксперимент определять зависимость числа циклов до разрушении от пели-

чины деформации й одновременно регистрировать циклические диаграммы деформирования.

Глава 1У. Экспериментальные исследования прочностных характеристик материалов при ¡.'длоцикловом нагружении в условиях высоких температур и реакторного излучения

Сравнительные исследования сопротивления циклическому

сталей_и_никелевых_сплавов

В данном разделе представлена методика определения параметров малоциклового деформирования и по ним дана сравнительная оценка нержавевщим сталям и никелевым сплавай тринадцати наименований. Образцы подвергались знакопеременному жёсткому нагру-женио при температурах 200-700°С и различных деформациях.

Для каждого образца строились графики: максимальная нагрузка цикла - число циклов (Нмлкс-^ ), из которых следует, что данная зависимость на базе циклов ~ 0,8 А^г апп; ксимиргуется прямой линией. Моменту образования трещины соответствует число циклов , при котором начинается резкое снижение нагрузки. Так как определение числа циклов до начала разрушения по образованию трещины при высокотемпературных и внутриреакторных испытаниях представляет определённые трудности, то за начало разрушения предложено принимать число циклов Ыf$ , соответствующее пересечению кривой поциклового изменения крут:.цего момента

с прямой, параллельной прямолинейному со участку я проходяпей через точку, соответствующую 95 % . Сопоставле-

ние най," чнных по предлагаемому способу числа циклов до разрушения с определёнными по образованию трещины даёт хорошее совпадение. Сравнительные исследования малоцикловой усталости испытанных материалов показывают, что несущая способность зависит от исходного состояния "атериала и предварительно может быть оценена по достигаемой в процессе циклического нагружения максимальной нагрузке - рис. б.

Обоснование и экспериментальная проверка уравнений циклической ползучести в широком диапазоне температур. Экспериментальное исследование циклической ползучести V. релаксации напряжений проводилось на сплоэных и трубчатых цилиндрических образцах, изготовленных из нержавеющих сталей, алюминиевого сплава, вольфрама, молибдена и его сплавов. Знакопеременные испытания право-

Мтщ.ц-М

»,4

__ "о »о л ч Э ц Э

и 1

ЛЗ <4 - в Р-

з: 6 * о« Я

т Р П**»") «4

Рис.6. Значения разрушающего числа циклов и максимального крутящего момента при испытаниях на малоцикловую усталость ряда нержавеющих сталей и никелевых сплавов (Г = 300°С, амплитуда деформации - 9,0 ,<>}

дились при различных амплитудах деформации, наибольшая из которая составляла 10 35. Ввдерякм при постоянной нагрузке были сравнительно кратковременными (до 10 ч). Число циклов нагружения ограничивалось моментом разрушения и находилось в интервале 1СГ-104. Исследованная область температур составила 20-1500 °С.

При исследовании сопротивления знакопеременному деформирова-ниэ и ползучести было установлено, что ряд материалов обнаруживает циклическую нестабильность, например, молибден( Мо ) разуп-рочняется, а молибденовый сплав ТСМ-4 упрочняется, а средняя скорость ползучасти при одной и той же нагрузке с шелом циклов возрастает ( Яо ) или уменьшается (ТСМ-4). Однако, совместная обработка по разработанному методу кривых ползучести (или релаксации напряжений) и диаграмм циклического деформирования даёт

единую для всех циклов зависимость, которая с достаточно ьи-сокой точностью (отклонения ке превышают 3 %) описывается выражением (4). Результаты испытаний на циклическую ползучесть при различных значениях нагрузки во всем диапазоне циклоп нпг-ружения (от нулевого вплоть до интенсивного разрушения) описываются тем же выражение?.;. Характерно, что зависимость скорости ползучести от напряжения (в данном случае показатель степени ^п ) остаётся постоянной для всех циклов нагруяомия, хотя абсолютная скорость ползучести при испытаниях изменяется по много раз. Пргь";::.! следствием совпадения скоростей пластической деформации в испытаниях на ползучесть и релаксацию напряжений при достижении одинаковых значений напряжения и деформации является подтверждение концепции независимости скорости пластической деформации от пути деформирования. Поэтому для полного описания процессов ползучести и релаксации напряжений на феноменологическом уровне достаточно знать характеристики деформационного упрочнения и вид зависимости скорости ползучести от напряжения. Это,в принципе, позволяет получить всю необходимую информацию из результатов циклических испытаний по предложенной методике. Отметим, что точность определения основа« параметров ползучести по предлагаемой методике . в сравнении с распространёнными испытаниями при однократном нагрук^нии серии образцов при различных нагрузках существенно увеличивается, из-за исключения естественного разброса свойств образцов, учета деформационного упрочнения и постоянства условий испытаний.

При сравнительно йысоккх температурах (более 0,2 Тпл ) металлы перестают подчиняться концепции независимости скорости пластической деформации от пути деформирования. В сяпзи с этим в соотношение (4) вводится поправка на структурою нестабильность, проявляя¡¡о'пся в процессе выдержки под нагрузкой, в результате которой изменяется последующее сопротивление деформированию с заданной скоростью. Структурная нестабильность материал;* в процессе ползучести определялась и соответствии со способом, излаженным в главе П. Проведённые исследования показали, что изменение сопротивления дефор:.^рованип после кратковременной выдержки может быть описано зависимостью

К 9с)

гцл Х<х (!fc}~ ,!£ЛР<ионие, достигнутое при деформировании с заданной скоростью в течение времени ¿с, 1 6а tVc / " спряжение при деформировании с той же скоростью после предварительной вццержки в течение времени t (рис.4). При этом для кссле-донанных материалов степень структурной нестабильности f в пределах разброса экспериментальных данных не зависит от вели-чиш нагрузки и числа циклов нагружения. Это позволяет описать кратковременную ползучесть (и релаксацию) в любом из циклов на-гружеаия выражением

Г С ~]гп

Рее результаты гысокотенперят/ргелс испытаний на циклическую Ползучесть и релаксацию напргсг.ениЬ структурно-нестабильных материалов удовлетворительно описываются Яависи>.;сстьг (16).

плавких материалов мплоциклозому депортированию и циклической полп^чпети. В результате проведении испытаний с поциклоэым изменением температуры определены температурные зависимости чувствительности к скорости де^ордшровлния - гуt , степени структурной нестабильности - (рис.7) и сопротивления деформировании на стадии циклической стабильности (представлены в диссертации). Полученные результаты позволяют описать с помощью зависимостей (4) и (16) процессы ползучести и релаксации напряжений а любом из циклов нагруження, в том числе и толевом.

Из представленных на рис.7 зависимостей следует, что тугоплавкие материаль при весьма низких температурах имеют аномально высокую скорость ползучести. С ростом температуры чувствительность к скорости деформирования ( ) возрастает. В области температур 300-800 °С характерно значительное замедление скорости ползучести г.ри постоянной нагрузке. Б этом яе температурном диапазоне наблюдается возрастание показателя m г несколько сотен раз. Подобное поведение металлов обычно связывают, в частности, с процессами деформационного старения, обусловленными наличие« примесей. Величина f при указанных температурах в большинстве сдучыев имеет отрицательный зньк, что соответствует упрочнению материма. Одновременно, в указанном температурном диапазоне на кривой зависимости сопротивления знакопеременное де-

Зависимость чувствительности, к скорости дсформицоташш -- т и степени структурной нестабильности '-Г" о-я тшиоратури. Дйтерату1><ше дошшО: XV; ЧГ А, у-Яо ; А-¿>16.

формирсванию на стадии циклической стабильности от температуры наблодается пологий участок с наклоном, определяемым температурной зависимостью модуля сдвига. Представленное здесь сопоставление ряда температурных зависимостей позволяет сделать вывод, что обширность получаемой информации при циклических ис-r.uTUi-iitirx открывает возможность не только для успешного описания ползучести на феноменологическом уровне, но и для исследования Физики процессов накопления пластических деформаций.

Хсслодозапис темперачуршгх зчв::ои.'-:остей сопротивленил^мало-цикловому деформированию и ползучести аустенитьой стали типа

__с_Сд2_л_о^2^_при_общ5ении_в_£сакто2е. Определение комплекса прочноеTHiix характеристик за один реакторный эксперимент даёт юг»:.'.о:*нссть существенно повысить достоверность и точность получаем« результатов и снизить трудоёмкость исследований. Разработанная методика испытаний на малоцикловое деформирование при одновременном определении характеристик циклической ползучести позволила получить данные о сопротивлении знакопеременному деформированию и ползучести для аустокитной стали типа 16-15 с 0,2 % бора. Испытания проводили на вцутриреакторной установке* которую помечали вместо тепловцделявдеЯ сборки в активную зону реактора ИРТ-2000. Плотность потока тепловых нейтронов 6-10^ нейтр./(см^-с), быстрых - 5-Ю** нейтр./(ск^-с). Температура разогрева образца при работе реактора на максимальной мощности составляет 230 °С. Образец диаметром 2,2 мм, длиной рабочей части Ю мм подвергался жёсткому иалоци ¡еловому деформированию при углах закручивания - 7,5 что соответствует деформации на поверхности образца - 1,3 %. Скорость активного деформирования I-IO"^ рад/с. В отдельных циклах образец испытывали на ползучесть. Температура изменялась от 40 до 800 °С.

До облучения в реакторе быка проведена первая серия нагру-кений.При каждой выбранной температуре образец деформировался до выхода на стадию циклической стабильности, душ чего требовалось 6-10 циклов предварительного деформирования. Длительность выдержки совместно с испытанием на знакопеременное кручение при одном значении температуры составляла 30 мин., а при высокой температуре, когда одновременно проводили испытания к на голзу-чгсть, достигала 2-3 ч. Температурная зависимость значения 2 ТЛо*с (амплитуды напряжения в цик.те), соответствукяего стздт цл&як-

ческой стабильности, представлена на рис.8 (кривея I).

Вторая серия нагружения была проведена после пуска реактора, когда был достигнут флюенс 10 нейтр. /см2. После облучения образец заметно упрочнился, особенно при 200-600 °С (кривая 2). Влияние облучения на циклическую прочность образца и отжиг радиационных дефектов при высокой температуре подгвер^чены следующим экспериментом. После испытания при 800 °С(крайняя точка кривой 2) отключали нагреватель н образец испытывали при температуре разогрева 280 °С (точка д ). Время между испытаниями не более 10 мин., поэтому флюенс практически не изменялся. Оказалось, что прочность образца близка к его прочности до облучения.

Третья серия нагружения была проведена после достижения флвенса 2'Ю1 нейтр. /см2. Прочность образца (кривая 3) оказалась близкой к измеренной во второй серии (кривая 2); это объясняется, видимо, отжигом радиационных дефектов к концу второго цикла испытаний и последующим облучением.

По окончании каждой серии нагружения в температурном диапазоне 630-780 °С проводили испытания на ползучесть. Скорость неустановившейся и установившейся ползучести в произвольном цикле деформирования в данном случав описывается выражением (4). Показатель степени m легко находится по кривой кратковременной ползучести и диаграмме, деформирования, так как разработанная методика позволяет ограничиться одним испытанием на ползучесть для определения функциональной зависимости скорости ползучести от напряжения и- анализировать кривую ползучести непосредственно с момента приложения нагрузки.

Результаты внутриреакторньк испытаний показали, что число циклов нагружения но влияет на зависимость скорости ползучести о* напряжения (т.е.чувствительность к скорости деформирования m остаётся постоянной). В связи с этим значительно сокращается число необходимых нагружений.

Температурная зависимость показателя степени m в соотношении (4) при различных условиях испытания(нооблученный образец, облученный и испытанный при наличии нейтронного потока, облучённый и испытанный в отсутствие нейтронного потока ) представлена на рис.9. При наличии нейтронного потока скорость ползучести облученного образца больше, чем при его отсутствии, что отражает значение m на рис.9 (см. также соотношенме(4) ), из

300

200

гс-0

АйО

б СО

5С0

I

Ркс.О. Зависимость сопротивления циклическому дефармироранл» аустенитноГС стали от температуры: I - до облучения; С,3 - при облучении до различна флюенсов.^итера-турные данные:

о -1,1 Ю1- и ш-7,8 Ю19 неЯтр./см2

т

(23-

(СО

¿0

го

-

-

}

\

• • А

его Рис.9.

МО 660 620 '00 720 7 40

160

ш Т,С

Зависимость чувствительности к скорости деформирования - т. для аустенитноП стали:

Л - до облучения; © - в процессе облучения; о - после облучения

которого следует, что в степень возводится величина.меньшая единицы . Так, при 695 °С, напряжении Г = 64 М1!а и деформации 0,2 % скорость ползучести при нейтронном потоке равна 6,4*10 рад/ч, а без него Ю"*2 рад/ч. Поскольку в этом случае диаграммы циклического деформирования одинаковы, можно сказать,-что показатель т однозначно определяет сопротивление ползучести.

Из рис.9 следует также, что при 765 °С значение т практически одинаково до и после облучения. Однако с учётом данных рис.8 можно сделать вывод, что при одном и том хв напряжении скорость ползучести у неоСлучённого образца больше (при равенстве т скорость ползучести в соответствии с выражением (4) однозначно определяется диаграммой циклического деформирования), чем у облученного.

На примере этих данных отчётливо виду преимущества предложенной методики испытаний и представления экспериментальных результатов, когда скорость ползучести в любом цикле определяется с учётом диаграммы деформирования в этом же цикле и влияния условий испытаний. Анализ же скорости ползучести при постоянном напряжении без учёта циклических диаграмм деформирования (т.о. без учета циклического упрочнения или разупрочнения под облучением) и влияния нейтронного потока может приводить к несовпадающим результатам. Видимо, этим частично объясняется противоречивость литературных данных о ползучести под облучением.

0СН0ЕШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

I. Разработана техническая теория циклической ползучести конструкционных металлических материалов, при выборе переменных параметров которой и установлении функциональных связей между ними нашли отражение уравнения технических теорий ползучести и обобщённое деформационное уравнение. Согласно предложенной теории циклической ползучести скорость ползучести в произвольном цикле нагружения равна произведению скорости пластической деформации на траектории диаграммы знакопеременного деформирования с постоянной скоростью и степенной функции отношения напряжений: действующего при ползучести и на траектории диаграммы циклического деформирования. Такии образом, задача описания скорости ползучести сводится к определению обобщённых диаграмм цикличес-

кого знакопеременного деформирования и показателя степени, с которым отношение напряжений входит в уравнение циклической ползучести.

2. В соответствии с разработанными уравнением для скорости циклической ползучести и способом испытания на ползучесть для определения показателя степени (чувствительности к скорости деформирования) достаточно произвести совместную обработку циклической диаграммы деформирования и кривой ползучести при одних и тех же значениях пластической деформации, что повышает достоверность определения харлктеристик циклической ползучести и позволяет существенно сократить трудоёмкость проведения экспериментов.

3. Скорость ползучести при циклических испытаниях определяется с высокой точностью, так как и диаграммы деформирования и кривые ползучести получаются на одном и том же образце в идентичных условиях. Кроме того, использование в уравнении циклической ползучести отношения напряжений позволяет учесть деформационное упрочнение и циклическую нестабильность материалов, а также сформулировать уравнение циклической ползучести как в истинных напряжениях и деформациях, так и в нагрузках и перемещениях.

4. Для материалов, на кинетику сопротивления циклическому деформированию которых в определённых температурных диапазонах влияет периодическое включении испытаний на ползучесть, предложены способы определения при испытаниях и учёта в уравнении циклической ползучести предыстории нагружения (степени структурной нестабильности).

5. Разработанный метод нахождения параметров уравнения циклической ползучести по ограниченному числу нагружешй образца и установленная экспериментально' независимость чувствительности к скорости деформирования и степени структурной нестабильности от числа циклов нагружения позволили, осуществляя периодические изотермические испытания на ползучесть, впервые получить температурные зависимости параметров уравнений ползучести для большой группы конструкционных материалов (вольфрам, молибден, молибденовые сплавы, нержавеющие аустенитные стали и др.) в диапазоне температур 20-1500 °С и для аустенитной стали при реакторном облучении. Для удобств» пользования при прочностных расчётах диаграммы циклического деформирования представлены в виде аппроксимирующих уравнен:® обобщённых (разработан высокоточ-

иый метод их аппроксимация), а параметры уравнений ползучести в виде графиков.

6. Обоснован и экспериментально подтверждён способ определения условной температуры вязко-хрупкого перехода тугоплавких материалов по результатам малсциклового ¿сформирования образца при постоянной амплитуде пластической деформации, принимаемой в качестве допуска на переход из пластического в хрупкое состояние, и постепенно понкг.аииейсл температуре. Этот экспресс-метод особегао перспективен при оценке влияния флюенса нейтронного потока на вязко-хрупкий переход материала при оценке работоспособности изделий, подверженных облучению, и вцутриреакторных прочностных испытаниях элементов конструкций.

7. Разработанные способ испытания на циклическую ползучесть и установки обеспечивают определение комплекса прочностных характеристик с высокой точностью за один зысокотемлерзтур»ял1 (до 2000 °С) эксперимент или одну реакторную кампанию. Способ иегты-тания на малоциоовую усталость и мнл'ообраэцояая установка для его реализации позволяют определять за один реакторный эксперимент зависимость числа циклов до разрушения от величины деформации и флюенса нейтронов и однввременно регистрировать кинетику напряжённо-деформированного состояния, что по сравнению с известными способами увеличивает информативность и достоверность получаемых результатов, а также сокращает временные и финансовые затраты на трудновоспроизводише высокотемпературные и внутри-реакторные испытания.

Высоксэффектившв способы испытаний при малоцикловом упруго-пластическом деформировании (на ползучесть, малоциклолую усталость и определение температуры перехода материала из пластического в хрупкое состояние с учётом флюенса нейтронов) защгсдены авторскими свидетельствами. Высокотемпературные и внутриреактор-ные установки обеспечивают проведение испытаний в больном диапазоне скоростей деформирования, автоматическое нагружение и поддержание параметров испытаний и их запись; конструктивные элементы установок и системы нагружения, нагрева и измерений содержат оригинальные технические решения, защищенные авторскими свидетельствами.

8. Проведённые экспериментальные исследования на большой группе тугоплавких материалов (вольфрам, молибден, молибденовые спла-

вы), аустекигных нержавеюяих сталей, никелевых и алюминиевых сплавов в условиях высоких температур до 1500 °С, подтвердили удовлетворительную точность разработанных уравнений циклической ползучести и позволили создать банк данных (характеристики малоцикловой усталости и поцикловое сопротивление знакопеременно&у упругапдастичесхоиу деформированию при изотермическом кагружении, температурные зависимости сопротивления деформированию на стадии циклической стабильности и параметров уравнений ползучести), яал.чвдихся базовыми при проведения прочностных расчётов ответ-стсе^гых эл-кентов конструкций энергетического машиностроения.

9. Зпервно в практике пнутрирескторнкх испытаний материалов создана методика определения комплекса прочностных характеристик за один эксперимент. При внутрирэйхторнкх испытаниях аустенитной стали 16-15 с 0,2 % бора получены температурные зависимости сопротивления знакопеременному упругопластическому деформированию

и характеристик циклической ползучести при отсутствии облучения; при облучении до флюенссз ~ МО^ нейтр./см^ и 0% = = 2*10 нейтр./см^ (плотность потока тепловых нейтронов У = =* 0-10^ нейтр./см~-с и быстрых V' = 5-Ю** нейтр./см^-с); и при отсутствии потока нейтронов после облучения до указанных фляенсов к Установлено: I/ что после набора флюенса сопротивление циклическому деформированию увеличивается, а скорость ползучести уменьшается; 2/ прч налички потока нейтронов скорость ползучести больше, чем при его отсутствии,например, в 6,4 раза при Г =64 Ша и Т= 695°С. Скорость ползучести удовлетворительно описывается разработанным уравнением. Разработанная методика позволяет достаточно достоверно оценить влияние облучения на сопротивление ползучести.

10. Полученные зависимости и экспериментальные данные используются при прочностных расчётах и оценке несуаей способности ответственных элементов ядерных реакторов и, в частности, оболочек ТВЭЛов из различных материалов в физико-энергетическом институте РАЙ (ФЭК), Подольском научно-исследовательском технологическом институтс,НШ1 неорганических материалов и при проектных расчётах каналов плазмохимических реакторов в МИХМе, а также при решении материалезодчееких задач(сравнительная оценка прочностных характеристик малоциклового деформирования) в процессе создания жаропрочных сплавов и термостойких материалов космической техники в

НИИ твердах сплавов и ЛШграфкте. Высокоточные устаног-кк для проведения высокотемпературных прочностных испытания внедрены в ПНИТИ, i'iWIH, НМИграфит и внутриреакторная устанэвхн на HFT-2000 (г.Москва). Кспольгзование эксперименталысгс результатов, полученных зависимостей, способов испытаний и установок ь вышеназванных организациях подтверждена актами, внесения.

II. Из рассмотрения основных результатов исследований можно сделать вывод, что выполнено теоретическое обобаение и решена крупная научная проблема описания кинетика виеокотеипературн^-х процессов циклического упруго-пластического деформирования,ползучести и релаксации напряжений; экспериментального исследования закономерностей деформирования и разрушения в условиях высоких температур (до 2000 °С) и реакторного излучения; накопления банка данных по прочкоспшм характеристикам большой группы тугоплавких конструкционных материалов (вольфрам, молибден, молибденовые сплавы, графит), нержавеющих сталей, никелевых сплавов и др., в целом результаты исследований шею? ванное народнохозяйственное значение для повышения надёжности расчётов на прочность ответственных элементов ядерных энергетических установок.

Содержание работы отражено в следует их основных- публикациях (монография, статьи, Авт. свид.):

1. Чечко В. 11. Высокотемпературные и вцутрире&кторные малоцикловые испытания материалов.Я.:Энергоатоыиэдат,156б, 96 с.

2. Кульбах A.A.,Чечко В.Н. и др. Установка для испытаний

I« кручение при температурах до 2э00°С.- Заводская лаборатория, 1969,}? 5, с.623-624.

3. Милосердии Ю.В.,Чечко В.Н. и др. О методике проведения циклических упруго-пластических испытаний кручением тугоплавких материалов при нормальных и высоких температурах.- Проблемы прочности,1970, № 12,с.51-57.

4. Чечко В.Н.,Милосердии D.B.,Кульбах A.A.Модернизированная установка для испытаний малогабаритных образцов на крученио.-В кн.: Методы исследования 1угоплавних материалов. Д.:Атомиэ-дат,1970,с.91-103.

5. Чечко В.Н.»Семенов Б.Д. Некоторые особенности методик и установок для малоцикг.ових высокотемпературных испытаний.-

В кн.:Труды Всесоюзного рабочего симпозиума по вопросам мало-

цикловой усталости. Каунас,1971,с.14-16.

6. Милосердии В.В..Чечко E.H..Семенов Б.Д. К методике ис-слс-дорания циклической ползучести.- Проблею! прочности, 1972, № 4, с.3ь-37.

7. Милосердии. D.B.. Чечко В.Н. .Семенов Б.Д. Ускоренный метод определения параметров уравнения ползучести.- В кн.: Методы и средства исследования материалов и конструкций, работающих под воздействием радиации.М. :Атомкг(дат, 1973, с.29-30.

8. Чечко В.Н. .Семенов Б.Д. ..Мартынов А.М. Малоцикловая усталость молибдена при нестационарном нягружении. -Там же,с.115-П6.

9. Фридман д.м..Барабанов В.Н.,Чечко В.Н. О методике определения предельного напряжения сдвига для графита.- В кн.: Конструкционные материалы на основе углерода.М.:Металлургия, 1974, с.110-113.

10. Уллосердин D.В.,Семенов Б.Д..Чечко В.Н. Определение температурной зависимости чувствительности материала к скорости деформирования по результатам циклических испытаний одного образца,- В кн.:Техника радиационного эксперимента.М.:Атомиздат, 1974,с.10-12.

11. Милосердии D.B..Чечко В.Н..Семенов Е.Д. Исследование циклической ползучести и релаксации тугоплавких материалов при высоких температурах.- В кн.: Труды Всесоиэного симпозиума по малоцикловой усталости при повышенных температурах.Челябинск,1974, с.123-123.

12. Чечко В.Н.,Семенов Б.Д.,Аверченков S.A. Определение температуры перехода материалов в хрупкое состояние при испытаниях

на кручение,- Пробл'.чм прочности,1975, № 4, с.118-119.

13. Семенов Б.Д.,Чечко В.Н. Расчёт распределения напряжений при знакопеременном кручении сплошных образцов из материала, чувствительного к скорости деформирования.- В кн.:Техника радиационного эксперимента.М.:Атоыиздат,1975, с.31-34.

14. Семенов Б.Д.,Чечко В.Н. Исследование влияния предварительной термообработки на результаты малоциклового деформи-

. рования молибденового сплава ТСМ-4. - Там же, с 95-97.

15. Милосердии Ю.В.,Чечко В.Н..Семенов Б.Д. Исследование высокотемпературной релаксации напряжений в тугоплавких материалах при знакопеременном кручении.-Проблемы прочности,1975, № 12, с.78-80.

16. Чечко В.Н.,Кульбах A.A. и др. Установка для проведения

мало цикловых испытаний в вакууме при высоких температурах.-Заводская лаборатория,1977, » 12, с.1516-1517.

17. Милосердии Ю.В.,Чечко В.п. и-др. Биутриреакторнкс установки для исследования релаксации, ползучести и усталости при малоцикловом нагружения.- В кн.: Радиационные эффекты изменения механических свойств конструкционных материалов и методы их исследования.К.:Наукова думка,1577, о.156-100.

18. Милосердии Ю.В., Семенов ».Д.,Чечко 3.11. Методика ускоренного определения характеристик ползучести я релаксации конструкционных материалов при малециклоаом нагружемим в процессе облучения.-Там же, с.119-126.

19. Сеьганов В.Д.,Чечко В.Н. Исследование закономерностей но-изотермического циклического деформирования тугоплавких металлов.- В кн.: Техника радиационного эксперимента .Л.:Атош;здат, 1977, с.46-48.

20. Берестов А.В., Чечко З.Н. Расчёт привода установок малоциклового деформирования.- Там же, с. 63-С6.

21. Берестов А.В..Семенов В.Д.,Чечко В.К. Влияние небольших колебаний нагрузки в процессе ползучести на получаемые результата.- В кн. :Тех»сика радиационного эксперимента.М.:Атомиздау, 1973, с.23-29.

22. Чечко В.Н. Применение ыалоцикловъсс испытаний для ускоренного определения прочностных характеристик элементов конструкций ядерных реакторов.- В кн. :Труда Ш Всесоюзного симпозиума по малецикловой усталости элементов конструкций. Пкпанга,1979,

с.100-105.

23. Чечко В.Н. Виутриреакторнче исследования сопротивления ыалоциаловог<у деформированию и ползучэзти аустенитнсй стали 16-15 с 0,2 % бора,- Атэмкяя энергия,¡932, т.53, вын.З, с.187-198.

24. Чечко Б.Н. и др. Установка для механических испытаний в вакууыа при высоких температурах,- Авт. свид. У 429312.Б.И.,1974, № 19. .

25. Чечко В.Н. и др. Высокотемпературная камера для испытания материалов.- Авт. еввд. № 491871, Б.И.,1975, № 42.

26. Чечко В.Н. и др. Способ испытания материалов на ползучесть.-Авт. свщ. № 532032.Б.И.,1976, й> 33.

27. Чечко В.Н. и др. Способ определения температур!! перехода материалов из пластического в хрупкое состояние.- Аит.свид.

-40» 596859, Б.й-,1978, * 9.

28. Чачко Б.Н. Способ испытания материала на ыалоцикло-вую уст&дссть б условиях ядерного реактора и многообразцо-»ая установка для его осуществления.- км. свид. 9 978006, Б.И., 1982, * 21.