Синергетический подход к оценке сопротивляемости замедленному разрушению элементов сварных конструкций тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

РГБ Oft

о п млн 1S95 л „

Российская Академия наук Якутский научный центр

ИНСТИТУТ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ СЕВЕРА

На правах рукописи

ЛЕПОВ Валерий Валерьевич

УДК 621.791.75

СИНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ЗАМЕДЛЕННОМУ РАЗРУШЕНИЮ ЭЛЕМЕНТОВ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

01.02.06 - "Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры" АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени., кандидата технических наук

Якутск - 1994

Работа выполнена в Институте физико-технических проблем Севера Якутского научного центра СО РАН.

Научные руководители:

чл.-кор.РАН, академик АН РС(Я), доктор технических наук, профессор Ларионов,В.П. доктор технических наук, Алымов В.Т.

Официальные оппоненты:

чл.-кор.РАН, доктор технических наук,

профессор, Морозов Е.М.

доктор технических наук, Лыглаев A.B.

Ведущая организация:

Ордена Дружбы народов

Якутский государственный университет

им. М.К.Аммосова

Защита диссертации состоится < 16 > нюня 1995 г. в !0 М час. на заседании специализированного Совета К 003.43.01 Института физико-технических проблем Севера ИФТПС ЯНЦ СО РАН по адресу: 677891, г.Якутск, ул.Октябрьская, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ИФТПС ЯНЦ РАН.

Телефон для справок: (8 411) 22 3 56 42 (Уч.секретарь), 4 04 55 (Приемная). Автореферат разослан < 10 > мая 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета,

доктор технических наук rfiOtS62-(_ Н.П.Болотина

1. ОКЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время особенно остро стоит проблема повышения стойкости к хрупкому разрушению элементов машин и конструкций при их эксплуатации в условиях низких климатических температур. В большинстве случаев подобное разрушение связано с растрескиванием сварных соединений под действием статических и усталостных нагрузок, и подчинено закономерностям так называемого замедленного разрушения (ЗР). Одним из основных пределяющих факторов при ЗР сварных соединений и конструкций является концентрация растворенного в металле водорода.

Прямое экспериментальное определение таких величин, как распределение пластической деформации или уровень водорода в зоне иредразрушения, затруднено из-за локальности и сильной взаимозависимости процессов при ЗР. По той же причине до сих пор еще не создано достаточно полной модели явления. В связи с этим для разработки критериев оценки опасности хрупкого разрушения сварных конструкций и построения адекватной модели ЗР представляется целесообразным применение синергетических подходов, методов математического и численно-аналитического моделирования, неразрушающих экспериментальных методик анализа тонкой структуры материала.

Таким образом, в настоящее время актуально создание расчетно-экспери-ментальных методик, которые позволяли бы на основе физического и математического моделирования оценивать сопротивляемость элементов сварных конструкций замедленному разрушению под действием водорода.

Целью данной работы является разработка на основе синергетического подхода научно обоснованных средств оценки стойкости элементов сварных конструкций к замедленному разрушения под действием водорода.

Задачи, сформулированые для достижения поставленной цели :

- исследование методами современного рентгеноструктурного анализа эволюции тонкой структуры материала в области вершины трещины при ЗР; -разработка и численная реализация математической модели связной диффузии с учетом деформационного упрочнения материала и воздействия водорода;

- разработка на основе подходов синергетики критериев, позволяющих оценивать опасность ЗР элементов сварных конструкций под действием водорода на основе комплекса расчетных характеристик материала и условий нагружения. ■

Научная новизна. Для анализа явления замедленного разрушения металлов под действием водорода применен сннергетнческий подход. По данным рентгеноструктурного дифрактометрического эксперимента оценено влияние водорода на изменения , тонкой структуры материала при релаксации напряжений в пластической зоне области предразрушения. Разработана и численно реализована математическая модель связной задачи диффузии водо-

рода в поле гидростатических напряжений, учитывающая разупрочняющее действие водорода на материал согласно активационному механизму. Анализ результатов расчета показал, что: 1) наиболее быстро состояние материала приближается к локальному предельному в области смены знака градиента гидростатических растягивающих напряжений у вершины трещины; 2) расчетная эволюция области предразрушения предусматривает существование, кроме критических, также и пороговых величин нагрузки и концентрации; 3) вогнутость поверхности предельных параметров обуславливает разрушение при нагрузках ниже допустимых. Для оценки поврежденности материала применен двухпараметрический подход, на основе которого разработан критерий оценки времени до разрушения материала в зоне предразрушения элемента конструкции, учитывающий воздействие водорода. Предложен расчетно-экспери-ментальный критерий трещиностойкости, позволяющий производить более точную оценку сопротивляемости сварного соединения хрупкому разрушению.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением новейших синергетических и структурных подходов теории пластичности и механики усталостного и коррозионного разрушения материалов, в т.ч. неоднородных, вычислительной механики разрушения; сравнением с известными численно-аналитическими моделями - по постановке задачи и методам решения, экспериментальными исследованиями - по использованию апробированных методик; строгостью формулировок современных численных методов.

Практическая ценность. Разработанные на основе предложенных подходов критерии, модели и экспериментальные методики позволяют производить достоверную оценку стойкости сталей к замедленному разрушению в элементах сварных соединений и конструкций, вызванному наличием водорода, а также обнаруживать новые качественные эффекты, свойственные данному явлению и не выявляемые традиционными средствами диагностики.

Предлагаемые модели и экспериментальные методики применены для разработки Руководящего Документа, устанавливающего требования к принципиальным ' положениям и содержанию разрабатываемых методических рекомендаций по определению остаточного ресурса потенциально-опасных объектов, в части уточнения НДС конструкций с целью учета всех факторов нагружения и воздействия среды, а также использованы при отработке технологии сварки низколегированных высокопрочных сталей в условиях Севера.

По материалам проведенных научных исследованиях получены Акты о внедрении (НТКЦ ГосГорТехнадзора РФ и Харбинского института свайки КНР), которые приведены в Приложении.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлялись на 2-х Всесоюзных симпозиумах: по технологиям производства и свойствам металлических материалов "Синергетика" в мае 1991 (г.Москва) и по примене-

шпо компьютеров в сварке в июне 1991 (г.Ленинград); 4-х Международных конференциях: молодежной "Космонавтака-XXI век" в сентябре 1991 (г.Калининград, Моск.обл.), "Прочность материалов и конструкций при низких температурах" в сентябре 1991 (Винница, Украина), по сварочным материалам и сварочным технологиям в июне 1993 (г. Санкт-Петербург), по применению компьютеров и компьютерных программ в сварке в августе 1993 (г.Эссен, Германия); 4-х конференциях молодых ученых и специалистов ЯНЦ СО РАН - в 1990, 1993, 1994, 1995 гг. и научных семинарах ИФТПС ЯНЦ СО РАН в 1994, 1995 гг. (г.Якутск); на конференции по технологии современных композиционных материалов и семинаре отдела механики деформирования и разрушения ИМАШ РАН в январе 1994 (г.Москва).

Публикации. Диссертация обобщает исследования, выполненные автором в период 1990-1994 годов. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 11-ти публикациях (и 4-х отчетах по НИР).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и выводов, списка литературы (202 наименования), и приложения. Она изложена на 183-х страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков и 10 таблиц. В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение и практическую значимость результатов работы, сертификаты химических анализов и протоколы экспериментов.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность поставленной проблемы, важноегь ее решення в прикладном и теоретическом аспекте. Сформулирована основная цель проводимых работ. Показана новизна и место работы в ведущихся отечественными и зарубежными исследователями разработках по данной тематике. Кратко излагается содержание глав диссертации. 2.1. Анализ основных подходов к моделированию ВО.

Применительно к концепции диффузии водорода в область охрупчива-ния показаны преимущества и недостатки существующих моделей связной диффузии, включая феноменологические, полуэмпирические и численно-ана-литичесхие подходы (Г.П.Черепанов, Лю, В.Т.Алымов, Gerberich W.W., Chen Y.T., V.Leeuveri, Johnson H.H., А.Е.Андрейкив, В.В.Панасюк, и др.). В основу подходов положен эффект Горского "восходящей" (rising) диффузии и соотношения Cottrell C.L.M. Рассматриваются решения связной диффузии МКЭ и с использованием принципов неравновесной термодинамики, предложенные Ainfantis Е.С., Michael В., Hussack I., Novacki W., Sofronis P., McMeeking R.M.

Дан анализ синергетического подхода (Эбелинг В., Хакен Г., Николис Г., И.Пригожин, С.П.Курдюиов) и связь его с концепцией повреждаемости мате-

риала (Л.М.Качанов, В.В.Болотин, Ю.Г.Матвиенко), обоснован выбор критерия оценки времени разрушения (ресурса) при усталостном и коррозионном разрушении (Броек Д., Сервисен C.B., Махутов H.A., Хажинский Г.М., Романив О.Н., Никифорчин Г.Н., Партон В.З., Морозов Е.М., Поль Б., Поше Д., Плювинаж Г., Riesch-Oppermann H., Bruckner A., Bocalrud T., Karlsen A., Ludiard A.B., Васильченко Г.С., Кошелев П.Ф., Левин А.И. и др.). Обсуждаются более общие аспекты синергетического подхода и некоторые положения фрактальной кинетики разрушения (Б.Маидельброт, Пайтген Х.-О., Рихтер П.Х., Pictronero L., Tozatti Е., Gilleraot L.F., Sih G.C., В.С.Иванова и др.).

Рассмотрено применение оптической и рентгеновской фрактографии для изучения поверхностей излома металлических образцов, в том числе при водородном охрупчивании и сероводородном растрескивании (Я.С.Уманский, Ю.А.Скаков, А.А.Шанявский, Л.Р.Ботвина и др.), дан анализ результатов исследования действия водорода на процесс пластического деформирования (Hirth J.P., Tabata Т., Birnbaum H.K., Zhang Tong-Yi, Э.А.Савченков, и др.). Влияние водорода на динамику изменений структуры деформации рассматривается с позиций физической мезомеханики неоднородных структур (В.Е.Панин, В.Е.Егорушкин, Ю.В.Гриняев, Т.Ф.Елсукова, и др.). На рис. I даны деформационные кривые растяжения образца из материала с мягкой (1) и сдвигоус-тойчивой (2) структурой (здесь сто,2> °т> ® " структурно-чувствительные характеристики пластического течения и разрушения; индексом * помечены данные, полученные для образца с водородом). Для интерпретации процесса пластической деформации и разрушения металлов под действием водорода предложена модель ЗР, предусматривающая иерархию процессов изменения структуры деформаций. Схема структурной модели представлена на рис.2.

/

(Неоднородность НД<3=> распределения [ Н^ ^Локализация деформации ■*• неоднородность механических свойств

[решеточный дислокационные мезоуровень макроскопичес) 3

восходящая диффузия

Активация решетки

и

Искажения упругого пол

Изменение напряжений сдвига

Облегченное

и размножение Г Р«««в™ трения дислокаций

Изменение поля поворотов И СДВИГО!!

Изменение структуры^

Изменение механических характеристи! материала

Рис.2.

На основе анализа современного состояния исследований ЗР дана постановка задачи и обосновано применение необходимых для ее решения средств. В частности, указывается на необходимость: 1) создания Модели связной диффузии, учитывающей воздействие водорода на материал в соответствии со структурной моделью; 2) совершенствования существующих методик эксперимента; 3) построения критериев, позволяющих на основе известных параметров материала и нагруженля оценивать время до разрушения элемен I л конструкции в условиях повышенной опасности водородного растрескивания. 2.2. Дифрактометрия зон повышенной дефектности материала.

Обоснована целесообразность применения методов рентгеновской диф-рактометрии для анализа тонкой структуры материала в области неоднородной пластической деформации (МА.Кривоглаз, В.Н.Селиванов, Е.Ф.Смыслов, Б.К.Барахтан; М.Н.Георгиев, В.Н.Данилов, Д.А.Молодое, и др.).

Приведены соотношения, применяемые для определения изменения межплоскостных расстоянии в определенных направлениях по смещению рентгеновской интерференции, и тем самым остаточных макронапряжений, характеризуемых однородной деформацией решетки в упругой области (М.А.Кривоглаз, Я.С. Уманский, Ю.А.Скаков и др.). Дан .йюлиз вклада в уширение линии ■ дифракции различного типа дефектов (Я.С.Уманский, Ю.А.Скаков и др.). Показано, что при малой концентрации дефектов распределение интенсивности имеет узкие колоколообразные максимумы, интегральная интенсивность которых меньше, чем интенсивность правильных отражений идеального кристалла (М.А.Кривоглаз), а ширина пропорциональна концентрации дефектов.

Показано, что рентгенодифрактометрия поверхности образца в области вершины трещины позволяет экспериментально оценить параметры механики разрушения (рис.3). Применяя известную связь величин Л-интеграла, раскры-

-7-

тия вершины трещины 6 и эффективной пластической деформации е* в интересующей области: Л » 1-5-сг3 и 1-сг8-с* |1, где I - зависящий от показателя-упроч: ния и структурного состояния материала параметр, и учитывая, что для сталей исследуемого класса изменение физического уширения Д(3 связано в основном только с плотностью дислокаций, находится связь ^интеграла (К{ в упругом случае) непосредственно с уширением: р. Полученные зависимости физического уширения от расчетного Л-интеграла для высокопрочной мартенситно-стареющей малоуглеродистой стали даны на рис.4.

трубка детектор1 Рис.3.

1.03' Линия <220}

1.0 Т1Н11ШИ11111111111111111Н11[11Н11Н111111П1

0.2 0.4 0.6 0.8

Рис.4.

2.3. Разработка и описание математической и численной модели ВО.

' Рассматривается задача связной диффузии водорода в поле неоднородных напряжений по модели Коттрела (более простая постановка задачи дана в работах БоГгошз Р., МсМеект§ К.М., А.Е.Андрейкив, Е.М.Морозова):

где С - концентрация водорода; Б - коэффициент диффузии; М - мольная доля, (1° н ц® - химический потенциал водорода в растворе с гидростатическим растягивающим напряжением и без напряжения соответственно.

Начальные условия (НУ) определяют распределение водорода по расчетной области X в момент времени то, а граничные - условия на ее границе Б:

1) Н.У.: С(х,,г0) = С0(х.), х. еХ, г0

Г.У.: С(х,,г)|5 =С5(т), х- еХ, ГеП

или (2)

2)

= 0, х. еХ,

где Е - сумма по сторонам I элемента, С05(п,х^) - направляющие косинусы нормали, V - коэффициент в уравнении (I) при [сС/Лс^, 5 - граница рассматриваемой области X, П - расчетный временной интервал. Здесь. 1) - НУ типа Дирихле, а 2) - типа Неймана.

На основе проекционно-сеточных методов рассмотрен общий подход к решению краевых задач математической физики (Г.И.Марчук, В.И.Агош-ков), построен соответствующий КЭ-аналог для задачи (I) в двумерной постановке (подходы Стренч Г., Фикс Дж., Зенкевича О., Моргана К. и др.):

Начальные условия: С(Х,0) =Со(Х). Здесь [Р] - матрица проницаемости; [Е>] -матрица диффузии; [Е] - матрица градиентов гидростатических напряжений, определяемая на каждом временном шаге из решения соответствующей упруго-пластической задачи; {С},% {С};-ц, {Р};+| - вектора концентраций и внешних источников на текущем и следующем шагах расчета соответственно.

Полученное семейство двухслойных разностных схем на временном шаге (3) содержит как частные случаи явную разностную схему (<э = 0), неявную схему (со = I), центрально-разностную схему (<о = 1/2) и, наконец, при со = 2/3 уравнение, которое соответствует применению метода Галеркина при конечно-элементной аппроксимации уравнения (1) по временной координате.

Решение механической задачи соответствут подходу теории пластического течения с учетом нелинейного упрочнения материала за пределом текучести (Сираторн М., Миесн Т. и др.). Область дискретизации разбивается на отдельные блоки, с раздельной обработкой матриц жесткости. Это позволяет решать задачи большой размерности на ограниченном объеме оперативной памяти. Гидростатические напряжения з тагах определяются методом сопряженной аппроксимации (Сегерлинд Л.). Для достижения сходимости решения предложено последовательно использовать итерационные процедуры передискреш-зацим - сгущенке сетки и изменение функции формы элемента (соответствуют методам уменьшения погрешности решения в т.н. /г ир -версиях МКЭ).

Численная реализация модели связной диффузии-конвекции в поле гидростатических напряжений материала с упрочнением осуществлялась методом контрольного объема (Патагагар С.). Построен простейший конечно-разностный (КР) аналог нестационарного нелинейного уравнения диффузии вида:

(

—£/|,м—Ям-«

(4)

/

где соответственно

^ * К Т ^ к/» ' Бв

»

Здесь Ре - аналог критерия Пекле в задаче связной диффузии-конвекции, Н(-) -функция Хевисайда. Схема обнаружила достаточную устойчивость при соблюдении обычного критерия для явно-неявных КР-схем. Действие водорода на ¡-том шаге по времени учитывалось введением величины локального предела текучести (соответствующего напряжению начала пластического течения материала), зависящего от концентрации согласно активационного уравнения: /

сг'(х,о= сгу0

' л/С,

1 -

«р( -л/С^)

(5)

)

где Оу, Оуо - соответствуют номинальному и локальному напряжению начала пластического течения в металле с уровнем водорода С, а Ссг - постоянная материала. Поле напряжений и деформаций вблизи вершины трещины (х > 2р) описывалось в расчете решением Хатчинсона-Райса-Розенгрена (НЯЯ).

На рис.5, показано, что расчетный уровень водорода достигал локальной "критической" величины наиболее быстро в области, соответствующей перегибу кривой гидростатического напряжения, или смене знака его градиента. Более глубокий анализ, учитывающий реальное распределение напряжений, показывает, что область соответствует минимуму кривой градиента (х~25).

Дальнейшие расчеты для данной области показали, что выше определенного уровня нагрузки (в эксперименте К^ь) развитие процесса охрупчивання приводит к тому, что уровень локальной концентрации водорода, изменешпо-щийся в зависимости от величины градиента гидростатических напряжений и условий, контролирующих динамику десорбциц со свободных поверхностей, может превысить критическое значение, снижающееся тем быстрее, чем выше уровень нагрузки. Это и определит более короткое время до разрушения.

Модель, кроме этого, предусматривает существование и некоторого порогового номинального содержание водорода С^, ниже которого явление ВО не обнаруживается. В результате релаксационных процессов уменьшается уровень локальных напряжений, и критическое напряжение образования трещины снижается тем быстрее, чем более высоким было начальное содержание водорода'в образце. При Со=С[1, критическое напряжение (или соответствующий критерий ЛУМР или НЛМР) в области предразрушения падает сильнее, чем локальное напряжение, что обуславливает достижение предельного состояния, и образование или скачок трещины. Поверхности расчетных текущего и предельного (критического) состояний представлены на рис.6.

рис.5.

Л

Рис.6.

Пространственная линия пересечения этих поверхностей соответствует параметрам процесса, определяющим то множество состояний области пред-разрушения, достижение которых приводит к локальному акту разрушения.

1С

2.4. Результаты локальной ренгенодифрактометрии.

Рентгеноструктурные методы позволяют определять локальные характеристики тонкой структуры материала, усредненные по площади пятна излучения и глубине в несколько десятков мкм, для образца практически любой толщины и формы. Тем самым обеспечивается локальность анализа и усреднение его по микронеоднородностям. <<отя ввиду малой рентгеновской рассеивающей способности наличие водорода напрямую определить не удается, однако происходящие в материале структурные преобразования изменяют профиль дифракционной линии, обработка которого и позволяет решить эту задачу.

Примесные атомы в слабых растворах внедрения или замещения можно рассматривать как один из 2-х известных типов дефектов, приводящих к смещению атомов из узлов решетки и (или) к изменению рассеивающей способности. Расчет статических смещений, значительно упрощается, если рассматривать задачу в фурье-представлении, и использовать метод флуктуационных волн (М.А.Кривоглаз). Это связано с тем, что в случае концентрированных растворов статические смещения приобретают некоторые дополнительные особенности, связанные с флуктуациями параметров корреляции и порядка.

Выражая трансформанты Фурье уширенного рентгеновского профиля через функцию распределения микродеформаций кристаллической решетки по области усреднения в виде степенного закона (показатель г в котором зависит от типа распределения дислокаций), и учитывая их связь с такими характеристиками дислокационной структуры, как параметр корреляции Р и плотность дислокаций р, последнее выражается через г и среднеквадратичную микродеформацию на базе одного межплоскостного расстояния. Анализ получаемых зависимостей позволяет сделать вывод о том, что увеличению г соответствует сужение центральной части профиля с одновременным '[расползанием" по подошве. Экспериментальные профили свидетельствуют о более^скоррели-рованном поведении дислокационных структур в деформированных наводоро-женных образцах, тогда как па профилях, соответствующих ненаводорожен-ным образцам, возникают скорее "треугольные" профили, достигающие той же степени корреляции лишь при значительно более высокой степени деформации. Из анализа также следует, что независимо от вида распределения дислокаций (т.е. параметра г), уширенис р ~ р. Кроме того, одной величине плотности дислокаций соответствует уширения монотонное снижениер с уве' личенисм г. Соответственно, для одной величины уширения р плотность дислокаций р пропорциональна параметру корреляции г.

В эксперименте плоские образцы исследовались "in situ" при нагружении на Зх-точечный изгиб. Насыщение водородом производилось в высокотемпературной камере высокого давления при параметрах: t = 450-550 С; р = 100-150 атм; время наводораживания расчитывалось для каждой загрузки отдельно из

расчета получения концентрации водорода в центре образца не ниже 75% от содержания его в поверхностном слое. Продувка осуществлялась азотом.

Наводороженные образцы, по сравнению с эталонными, обнаруживали более сложное поведение как,интегрального уширения линии дифракции,, так и отдельных составляющих фурье-разложения. Тем самым физическое ушире-ние в процессе релаксации деформации несколько увеличивалось, а параметр решетки имел максимум, В контрольных образцах физическое уширение после нагруження практически не изменялось, параметр решетки слабо падал. На рис.7 показана схема сьемки дифракционной линии в вершине трещины (лампа типа 1.8БСВ28-Сг, линия {211} a-Fe, диапазон углов 20 = [154-158°]), На схеме И - источник излучения; Д - детектор (сциитилляционный счетчик). На рис.8 представлены обобщенные, каждая по трем образцам, кривые изменения по времени относительного уширения и параметра решетки для соответственно наводороженных деформированных, наводороженных недеформи-рованных и отожженных ненаводороженных деформированных образцов (согласование кривых по времени производилось в момент приложения нагрузки).

Анализ экспериментальных результатов объясняет динамику релаксационных процессов в окрестности вершины концентратора: простое смещение

Схема сьемки

|Р

1

7Г

Источник

----Дс 5«м

<

Детектор

Рис.7.

Р/1>о 1.6 1.4 1.2

d/d0 1.0003 1.0002 1.0001 1.0000

[Н]= о е ^0 w пл

— [Н]

[Н "ref 0

ÍHJ* 0 W» ¡

0 СПЛ=0 ^

[HJ =0 cn;f 0 l

—>—i—I—I— —I—i—I—I— —)-1-i-1-i-

10 15

t, с\й!.

Рис.8.

пика пластических деформаций к вершине трещины (локализация) изменяет интегральные характеристики локальной дифрактометрии таким образом, что достигается максимум уширения; в свою очередь необратимые изменения тонкой структуры, обусловленные водородом, накапливаются независимо от ре -лаксацнонных процессов - водород выступает в качестве катализатора необратимой повреждаемости материала. Для количественного анализа таких опосредованных изменений гребуется более чувствительное оборудование.

2.5.Синергетический критерий водородного охрупчивания.

На основе понятия поврежденное™ может быть сформулирован синерге-тический критерий, учитывающий совместное воздействие на характеристики материала водорода и пластического упрочнения.

Рассмотрим функциональную закономерность накопления повреждений вида в общем виде, пригодном для описания процессов повреждения и разрушения в условиях физико-химического воздействия среды. При этом уравнения задачи связной диффузии и упругопластичности, содержащие дополнительные функции, будут образовывать вместе с основным уравнением накопления повреждений общую систему относительно некоторой векторной меры ^(t):

d^/dt = f ( Vf, q ), (6)

где ^(t) - вектор-функция, включающая все необходимые параметры процесса. По мере выработки ресурса вектор в области Í2 будет приближаться к границе Г, соответствущей предельным состояниям. При этом накопление повреждений в различных точках распределенной системы будет неодинаковым, так что меры повреждений - функции как времени, так и координат.

Приняв в качестве меры повреждения относительную величину степени пластической деформации ер (определяемую, решением связной диффузионно-механической задачи) имеем (6) в виде:

где £ - параметр внешнего нагружения, С - номинальная, начальная или концентрация водорода на поверхности (в данном случае как !;, так и С в процессе накопления повреждений могут не изменяться); предельное состояние разрушения достигается при 8p=scr(£,C). При этом граничные условия для (6): 1) ¥(0) = Ч'о; 2) Ч'СГ) = С(Т)], где первое при f0 > 0 учитывает

начальную поврежденностъ, а второе определяет ресурс Т, как наименьшее положительное решение уравнения.

Предполагая, что. микроповреждения различных типов подчиняются общей функциональной закономерности накопления повреждений вида d^/dt ~ -A (E/lF)n (где SK - меры сплошности материала от силового, химического, и т.п. повреждений соответственно, А > 0; п > 0), и выполняются все ограничения, накладываемые на кумулятивный процесс накопления повреждений, то по норме вектора | Ч* | (евклидовой или другой) можно судить о принадлежности вектора Ч* допустимой области, и вектбрное пространство с элементами ЧР представляет собой, в' сущности, пространство качества, с областью значений в первом положительном ортанте этого пространства, и областью допустимых значений Д'примьпсающей к началу координат части первого ортанта. Одно из условий кумулятивное™ процесса накопления повреждений определяет необратимость процесса У ио норме, однако это может и не означать прибли-

-Í4-

жение к предельному состоянию - границе Г области допустимых значений В частности, при вогнутости границы вектор может, покинув Г2, вновь вернуться в нее, что позволяет описывать такие процессы, как скачкообразный рост трещины, не вводя локальных координат.

Преобразуя (7), получим следующее выражение для определения ресурса по псевдонорме псевдоповрежденностей:

(8)

В качестве управляющего параметра Е, могут быть использованы любые известные критерии, отражающие напряженно-деформированное состояние в окрестности концентратора напряжений. Например, для учета пластического поведения материала может быть использовано раскрытие 8 в вер1нине трещины (СТОЮ), или Л-интеграл, а в хрупком приближении - КИН. В выражении (В) как ^(1), так и С(0 предполагаются независимыми параметрами нагружения, определяемыми экспериментально. В то же время они могут быть найдены из решения связной задачи диффузии для наиболее опасной области по известным величинам нагрузки и концентрации водорода. Задача упрощается, если предположить, что механические характеристики, определяющие вместе с величиной силового нагружения напряженно-деформированное состояние материала, определенным образом зависят от концентрагуии водорода. Так, параметр не будет оставаться постоянным при различных значениях С. Приняв - К^, по известной зависимости предельного КИН от содержания водорода, представляющей собой линейное приближение актива-ционнай зависимости прочности материала от величины концентрации твёрдого раствора (5), получим уравнение для определе- ния ресурса Т в виде:

* п

1-ехр (-л!с7,)

& 1-ехр (ТСХ^-ТС^)

(9) ^ *

Из • соотношения.. (9) (вычисленный по нему ресурс показан -на рис. 10, .р отличие от зависимости ресурса без учета

связности

на

Рис.9.

Рис.10.

рис.9), следует, что с увеличением^ Кгаах ве-

личина Т уменьшается сильнее, чем с ростом С, и максимум концентрации водорода в локальной зоне у вершины Konueinpaiopa будсч падать. Энн вывод согласуется и с известными экспериментальными данными.

Критерий (9) позволяет оценивать степень поврежденное! и и ресурса элементов конструкций с концентраторами напряжений при статическом и усталостном нагружении в условиях воздействия внешнею водорода или при наличии в металле диффузионно подвижного.

2.1. Критерии оценки стойкости сварных соединений к водородному растрескиванию на основе испытаний Имплант. ч

Критерием при оценке трещиностойкости сварных соединений на основе испытаний Имплант обычно служит т.н. параметр трещинеctohkociи D, определяемый из критического напряжения имплант-образца пСПП1р и получений! о стандартным методом предела пропорциональности образца с надрезом сгп1:

JJ _ CTnl ~ аcrimp (IOJ

a't

Однако применение различных видов образцов-вставок затрудняет применение критерия (10), не учитывающего концентрацию напряжении у острия надреза. Поэтому предлагалось оценивать трещиностойкость V) на основе применения в формуле (10) вместо напряжений величины КИН (R.Karppi), что. тем не менее, не позволяет учесть зависимость трещиностойкости от; концентрации водорода в металле шва [Н]. В процессе образования холодных трещин при замедленном разрушении сварных соединений это один из определяющих факторов, поэтому необходимо, при определении предела прочности надрезанного образца учитывать условия предварительной подготовки сварочных материалов и особенности нагружения для конкретного устройства. Это в целом определяет уровень содержания водорода в металле шва.

Для учега неоднородности напряженного состояния в вершине надреза имплант-образца и влияния водорода на характеристики материала предложен критерий, основанный на вычислении разности КИН, соответствующих минимальным разрушающим напряжениям при испытаниях Имплант, полученных -для стандартно применяемых технологических мер (уровень водорода [Hj), и для мер, обеспечивающих минимальное содержание водорода [H]rain;

Ь-ЦЩаш

Хотя применение (II) в случае водородной хрупкости осложнено отсутствием апробированных и хорошо отработанных методов оценки Kj (в отличие от обычного разрушения), в настоящей работе предложены расчетные модели и экспериментальные методики, позволяющие определять основные показатели процессов деформирования и разрушения при ВО, в том числе

КИН, с учетом неоднородности материала сварного соединения и изменения деформационных характеристик материала под действием водорода. 2.8. Применение разработанных модельных и критериальных подходов

Большинство случаев наступления предельного состояния (исключая не поддающиеся контролю неблагоприятные воздействия и следствия чрезмерного физического нзноса деталей и поверхностей) относятся к постепенному накоплению в материале рассеянных микроповреждений, которые в дальнейшем вызывают зарождение и развитие макроскопических трещин. Анализ ряда случаев хрупкого разрушения крупных'высоконапряженных объектов и конструкций показал, что причиной их послужил неустойчивый рост трещин, развивающийся в условиях ограниченной пластичности материала. Очаги таких трещин, содержащиеся в материале до начала эксплуатации, обусловлены несовершенством применяемых технологических процессов, в т.ч. сварки.

Важная роль в обеспечении безопасности технических обьектов принадлежит прогнозированию индивидуального остаточного ресурса, особенно для . обьектов после длительного срока эксплуатации, выработавших свой назначенный ресурс. В настоящее время в ряде отраслей промышленности находится в эксплуатации большое количество работоспособного оборудования, часто после аварий и ремонта, что ставит его в разряд потенциально опасных.

Исходя из анализа методических разработок, существующих в различных отраслях промышленности, а также зарубежного опыта, в качестве концепции прогнозирования индивидуального остаточного ресурса конкретной конструкции предложен подход "безопасная эксплуатация по техническому состоянию", который предусматривает проведение для выработавшего свой назначенный ресурс объекта: 1) анализа технической документации; 2) оперативной (функциональной) диагностики технического состояния; 3) экспертного обследования с целью получения информации о реальном техническом состоянии объекта; 4) анализа эксплуатационных повреждений и параметров технического состояния для выяснения текущего технического состояния объекта, уровня и механизмов его поврежденности, фактической нагруженностн; 5) уточненных расчетов и экспериментальных исследовании НДС и характеристик материалов для дополнительных данных об уровне номинальных и местных напряжений и деформаций с учетом фактических свойств материала; 6) уточнения характеристик материалов на образцах, вырезанных из элементов конструкций, образцах-свидетелях или их имитаторах. По peзyльтataм уточненных расчетов НДС и характеристик материалов уточняются механизмы повреждений, ПТС, устанавливаются определяющие ПТС и критерии предельных состояний.

Осуществляется выбор метода прогнозирования: вероятностный, детерминистический, полудетерминистический, по уточненному расчету в соответ-б ствии с измеренными нагрузками, и т.д., и производится оценка остаточного

ресурса как прогноз на основе всей совокупности информации об объекте путем экстраполяции поведения объекта в будущем и установления оптимального момента прекращения эксплуатации, или проведения следующей инспекции в случае не непрерывного мониторинга.

• На основе данных по оценке технического состояния объекта и его остаточного ресурса принимается решение либо о возможности дальнейшей эксплуатации объекта в соответствии с назначенным или остаточным ресурсом, либо о снижении рабочих параметров, ремонте или демонтаже.

Разработанные в работе модели и критерии как самостоятельно, так и в составе специализированной экспертной системы, позволяют оценить текущее и предельное состояние объекта, его поврежденность и индивидуальный остаточный ресурс с учетом водородного охрупчивания.

В рассмотренных моделях первостепенное значение имеет четкое задание ' начальных и граничных условий, параметров внешнего воздействия и характеристик материала. Наиболее широко применяемые статистические методы требуют обоснования статистической устойчивости данных, в большинстве же реальных процессов наблюдается значительный разброс основных параметров по комплексу расчетных характеристик, к тому же данные могут не обладать статистической однородностью. В таких случаях применяют подходы, не опирающиеся на вероятностные модели. Из таких подходов в настоящее время наиболее разработана теория нечетких /размытых/ множеств (ТНМ).

* Одной из главных причин развития ТНМ явилось стремление формализовать экспертные оценки и приближенные суждения. В этом смысле ТНМ представляет собой весьма полезный аппарат для формализации априорной информации й дальнейшего ее использования при обработке данных. В частности,

" на основе ТНМ разрабатывалиь общие подходы к разработке экспертной системы (ЭС) для оценки поврежденное™ сварного соединения.

Реализация подобного методического подхода возможна только с применением конкретных моделей для оценки статической, усталостной н водородной поврежденности металлов и конструкций, а также модели расчета изменения в процессе охрупчивания локального напряженно-деформнрованного состояния и связанного с ним распределения водорода.

В настоящее время компьютеры находят применение в математическом моделировании различных физических процессов, используются для определения напряжений и деформаций, при технологическом планировании производственного процесса в целом: базы данных обеспечивают легкий доступ к технологическим параметрам, а экспертные системы помогают при выборе параметров процесса, проведении прогностического и стоимостного анализа.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Двухпараметрический подход в рамках концепции повреждаемости и на основе эволюционного уравнения сннергетических систем применен для оценки технического состояния и ресурса сварных конструкций.

2. Для объяснения различного характера изменений деформационных характеристик материала под действием водорода предложена структурная модель, основанная на иерархии структуры деформации.

3. Разработана и численно реализована математическая связная модель восходящей диффузии водорода в поле механических напряжений, с учетом вызванного водородом изменения деформационных свойств материала.

4. По результатам модельного расчета связной диффузии в одномерной постановке показано, что превышение уровня водорода над локальным "критическим" за наиболее короткий промежуток времени достигается в области смены знака или минимума градиента гидростатических напряжений; существует определенный пороговый уровень нагрузки и некоторая пороговая величина содержания водорода, ниже которых ВО не обнаруживается; время до разрушения определяется изменением как текущих, так и предельных параметров.

5. Разработана экспериментальная методика исследования процесса накопления микроструктурного и твердорастворного упрочнения материала в вершине трещины, позволяющая на основе анализа разультатов рентгеновской дифракции определять степень деградации механических свойств.

6. Результаты анализа данных рентгеновского эксперимента показали, что для насыщенных водородом образцов физическое уширения в процессе релаксации напряжений увеличивается, а параметр решетки претерпевает максимум примерно через 70-100 часов наблюдления; в контрольных образцах уширение линии практически не изменяется, а параметр решетки, характеризуя слабо выраженную релаксацию напряжений в области вершины трещины, в период наблюдения (около 450-500 часов, или ~20 суток) уменьшался.

7. Предложено оценивать склонность сварных соединений и конструкций к замедленному разрушению при испытаниях имплант-образцов по расчетно-

, экспериментальному критерию грещиностойкости на основе коэффициентов интенсивности деформации из решения связной задачи диффузии водорода,

8. Исходя из подхода "безопасной эксплуатации по техническому состоянию", примененной в качестве концепции прогнозирования остаточного ресурса потенциально опасных конструкций, предложено применять разработанные модели п критерии ЗР в составе специализированных экспертных систем для оптимизации сварных соединений и конструкций на уровне технологического проектирования, с учетом стадий создания и дальнейшей эксплуатации при

/ обеспечении высокой степени безопасности.

Основное содержание дисертации изложено в работах:

1. Ларионов В.П., Алымов В.Т., Михайлов В.Е., Лепов В.В. Оценка склонности к водородному растрескиванию материалов на основе критических параметров в решении связанной задачи диффузии. // II Всес.симпозиум по новым технологиям' получения и свойствам металлических материалов-"Синергетика": Тез.докл.- T.II.-M.: 1991, С.46-47

2. Михайлов В.Е., Слепцов О.И., Лепов В.В. Взаимное влияние концентрации водорода и н.д.с. на распределение его в зоне предразрушения. // Всесоюзном научно-технич.семинар "Мат.методы, САПР и ЭВМ в сварке": Тез.докл.-Ленинград: ЛПИ, 1991.- С.18-20.

3. Ларионов В.П., Алымов В.Т., Михайлов В.Е., Лепов В.В. Проблема водородного охрупчивания и трещиностойкости конструкций летательных аппаратов. // Межд.конф."Космонавтика - XXI век", 1-5 сентября 1991 г., Москва: Тез.докл.- М.: ИПК, 1991,- С.26.

4. Михайлов В.Е., Лепов В.В. Взаимосвязь пластической деформации и водорода при замедленном разрушении стали. // Всес.конф. "Прочность материалов и конструкций при низких температурах", 12-14 сентября 1991 г., Винница: Тез.докл.- ВПИ, 1991,- С.34.

5. Анализ повреждающих факторов и причин разрушения элементов конструкций ЖРД. /В.А.Новиков, И.Е.Васильев, В.В.Лепов, Л.Н.Колосова. Отчет по НИР.- М.:ИМАШ им.Н.А.Благонравова, 1992.- 142с.

6. Михайлов В.Е., Лепов В.В. Численное связное решение задачи диффузии водорода в вершине трещины. //Тез.докл. Межд.конф. свар.материалам и свар, технологиям,- С.-Петербург, 1-2 июня' 1993.- С.182-183.

7. Mihailov V., Larionov Y., Lepov V."V. The Delayed Fracture Simulation. //Wöhrend der Int.Fachmes "Schweioen & Schneiden" 1. Schvveihtechnische Soft.-Tagung statt.-Essen, 1993,-P.45-56.

8. .Михайлов В.E., Лепов В.В. Влияние водорода на кинетику деформации и разрушение металлов. //Научно-практ. конференция молодых учен, и аспирант.: Тез.докл.-Якутск: ЦНТИ, 1994,- С. 15.

9. Лепов В.В. ГИС-подход в моделировании физических процессов в материалах, //Тез.докл. Конференция научной молодежи "ЭРЭЛ-95", 13-14 апреля 1995,- Якутск: ЦНТИ, 1995,- С. 179.

10. Лепов В.В. Левина К.51. Фрактальность процесса замедленного разрушения. //Там же,- С. 180.

11. Лепов В.В., Сивцев М.Н., Афонин С.А. Оценка трещиностойкости и ресурса сварных соединений.//Там же.-С. 181. у

12. Сивцев М.Н., Лепов В.В., Афонин С.А. Деформационные свойства ¡низколегированной стали при имитации сварочных термоциклов. //Там jkÉ.-Ой183.

- 21) - -J V