Термоциклические свойства кандидатных материалов для первой стенки термоядерного реактора тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

II]

9 Я

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

УДК 539.21:539.12.04

ПАРШУКОВ Леонид Иванович

ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАНДИДАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ ПЕРВОЙ СТЕНКИ ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Специальность 01.02.04 — механика деформируемого твердого тела

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1992

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Научный руководитель — доктор физико-математических наук, профессор ЛИХАЧЕВ В. А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор БЕТЕХТИН В. И.; кандидат физико-математических наук МИХАЙЛИН А. И.

Ведущая организация — Институт металлургии имени А. А. Бай-кова РАН.

Защита диссертации состоится « <_» 1992 г.

Г7 ю

в 4-1_^_ часов на заседании специализированного совета

Д 063.38.21 по присуждению степени кандидата физико-математических наук в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Автореферат разослан «_ /<*_» ___ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.38.21 кандидат физико-математических наук, доцент А. А. ВАСИЛЬЕВ

W;-'-- ;. i3 -

: Обаая" характеристика работы

" • Актуальность гсробломы:

В настоящему времени s строй вступили теркоядернь-'ч реакторы СТЯЮ третьего поколения: в СПА TF7R, в Японии JN-SC, з странах Европы JET, в России Т-13. 0дно8ременно раэрабатыз4»гся проекты международны* реакторов ЙГГОР а ИГЭ?, предназначенные? для осуществления технической демонстрации управляемой термоядерной реакига синтеза: > ■.

; ïïXf + (Т* '-» аНе4 + jH® + 17,53 МэВ (1) ,

В результате■реакции образуется поток быстрых нейтронов( п°с энергией 14 МэВ, заряженных^Нв*- частиц и у - квантов. Продукты реакция оказывает влияние на конструкционные элементы первой стен' кя СГОЭ реакторов.

В связи с вышесказанным первостепенную важность приобретает задача выбора материала, непосредственно соприкасающегося с продуктам« термоядерного синтеза, а также исследования напряженно-деформированного состояния основных силовых элементов ПС ТЯР и оценки их прочности. Актуальность исследований термической усталости термонапряженно-дефорыированного состояния я структуры каыдядатных материалов сбуслов.тенна еав и тем, что они позволяпт глубже понять природу формирования свойств материалов н обосновать, постановку• пяжнернык задач иэхапика.двфернзруецого тьэрдого тола, результаты которых-могут быть использованы при разработке и конструировании эвергетических установок, ^аспытывагвих в процессе эксплуатации поверхностный циклический нагрев, а такие при проектирования и создания металлов и сплавов с кеобходимыми эксплуатационными свой--

-, стмми. '

Целью работа является:

- выбор целесообразных приемов нахождения математических соотношений и постановки краевой задачи для трубчатого и плоского элемента ПС в условиях теплового режима ТЯР, а также решение кск-кретных краевых задач для силового элемента, нматпрувдего ПС, при воздействии на него циклического теплового потока. ; . ,

Основные результаты диссертации, выносимые на закату: Научная новизна работы , В работе выполнены термоцккяическиа исследования кандидатшх материалов для ПС ТЯР на специально созданных для этого электроаа-^ куумных установках С учетом реальных процессов, происходящих и металлах, в рамках теорий терь-опрочкости решены краевые задачи nor' ведения материала ПС "ГЯ? для бесконечной трубы и пластины. Показа-

но качественное совпадение результатов структурно-аналитической теории, основанной на фундаментальных представлениях, с феяомэно-лошческой деформационной теорией. Построена замкнутая система '■ многократно связанных у: двнениА для силовых элементов ПС ТЯР с ' учетом реальных процессов, происходящих в металлах.

Практическое значение работы • •

' Были созданы вакуумные установки, иматируюзше тепловое.воздействие плазмы ПС ТЯР, а также тепловой удар при срыве плазмы. Разработана методика, позьоляиаая впервые провести циклические испытания поверхностных слоев стали ЭП-838.

Даны практические рекомендации по применение исследуемых сталей и улучшению их свойств. Предложено два способа: один, позволявши». улучшить пластические свойства стали без ухудшения прочностных характеристик (защищен авторским свидетельством 13129713. другой, позволявший создать возобновляемый защитный слой а - фазы в поверхностном слое силового элемента.

Предложены инженерные методы расчета конструкционных элемен-моктов ПС и механического поведения кандидатныхматериалов ПС ТЯР.

Получено, хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных по чиспу циклов до разрушения трубчатых образцов в термо- . циклических условиях, приближенных к условиям работы ПС ТЯР Спо остаточным напряжениям и деформациям, а также пс месту зарождения . и.распространения трещин) •

Апробация работы. Отдельные результаты работы докладывались на следующих конференциях: на Всесоюзном семинаре по физике и технологии упрочнения поверхности металлов С1984 г., Ленинград); на научно-технической конференции, по современным методам исследований в металловедении < 1985 г., Устинов);' на 2 Всесоюзной конференции по импульсным источникам энергии для термоядерных исследований и промышленной технологии (1985 г., Пыша);, .на Всесовэ- ... ной конференции по роли дефектов в физико-механичеоирс свойствах • . твердых тел (1985 г., Барнаул); на Всесоюзная конференция по фи- . зихе прочности и пластичности металлов и сплавов (1988 г., Куйбышев) ; на 5-м Всесоюзном симпозиуме по малоцикловой усталости -критерии разрушения и структуры материалов (1988 г., Волгоград);, -на 3 Уральской конференции по поверхности.и новым материалам

г.', Ижевск): на Всесоюзном симпозиуме по новым жаропрочным и харсстовкш материалам (1989г,Москва); на Всесоюзной 'конференции ' по фгзикеразрушгкка (1989 г., Киев); на Всесоюзном симпозиуме' юа прочности материалов ».элементов конструкций ';прн сложном на- ' »Ь^^нюм-'согтовря»19689 г. . Жатомир);-'/: семинаре молодых •.

• - 5 -

ученых по инсенррными кетодаии расчетов иа прочность (1989 г., Новгород); иа Международной конференции по исследования и разработке конструкционных материалов для реакторов термояверного ч синтеза С J 930 г.. Дубна); на Всесоюзной конференции по рйдалйпон-коку воздействии на материала териоядеряых р«акторс\СЮТО'г., Ленинград); ка секииарая лабораторий прочности ¡тЦм-vrob НЖММ ЛГУ.

Публикации. Основное.содеркание-работы опубликовано в 31 научцой работе.

Объем работы. Диссертация состоят шз введения, четырех глав,' заключения и списка используемой литературы. Изложена на 111 страница*, содержат 30 рзсункоз я 16 таблиц, список используемой литература - 108 наименований.

Обоснование структуры работы. За »ведение«, которое посвяаено общей характеристике предаете исследования, следует первая глава, косящая обзорный характер. На основании данных научной литературы списаны основные т:ши воздействий плчэия на материал ПС ТЯР. Из приведенного анализа во 2-йпараграфв данной главы в качестве основного исследованного материала выбран кандидатный материал. 3~я параграф пэрзоЯ главы посзямн &вбору основного салрвого элемента ПС ТЯР. а такгэ условиям его иагрупенностн и требованиям оценки его прочности. Во второй главе приведено описание электровакуумных •установок н представлены результата экспериментальных исследований па термспрочностъ трубчатых образцов основного йссяэдуеыого материала и дополютрльных катерпалов для сравнения. Третья глава со-дврдят результата металлофкзвчгскях исследований кандидаток материалов, испытавши циклическая тепловая воздействия.. D четвертей ' глав® описаны подходы к д©$0ри&це«я50-сиясв0му поведению материала гтрз теплогйа циклическом поверхностном нагреве основных силовых элеиеятоа ПС ТЯР. а такгэ приведены расчеты напрлмнно-де^орйиро-ваякых состояния гяементов в неазотеркнчэских условиях. В заклвче -наг с$ормулнрсваан оснсвнне результаты работы, выносимые на зааг-ту. Таким образои, каадая последующая глава двссертаяия логично емзана с предыдущей в продоляает ее, что а оправдывает цел&соо<5* разность гринятоа структуры работы. ■ ' • ,

Содердаяие диссертации * • -"

Во введения дина обвал характеристика предмета. вослеяоваюм н собственно диссертационной работы, приведены основные результаты, выносимые на эшгг}. В первое главе дан обзор теоретических и экспериментальных исследования других авторе» по рассматриваемым в работе проблемам. Три параграфа этой глааа посвяаекы описании ус-

- б -

яоьиа работы и требований, предъявляемым к ПС ТЯР. На оском. оо-. держащихся б них данных"делается вывод о том, что к конструкционный материалам ТЯР предъявляются жесткие, иногда не совместимые друг с другом требования: радиационная стойкость, отсутствие наведенной радиоактивностималость термических напряжений, высокие механические характеристики, технологичность, дешевизна, отсутствие или небблыше потери на перекагничнванне. Материал должен вы-' держивать длительную тепловую нагрузку, нейтронный и ионный по- •токи, быть стойки« к блистероскЗраэоьани», .распылении, свгллингу (распуханию) и т.д. Одним из таких материалов является сталь ЗП-838 С03Х12Г14Н4ЮСМ), апробированная в конструкциях паронагрева-телей на тепловых -электростанциях как заменитель стали типа Х13Н10Т В связи с неопределенностью теклературно-времанных условия работы ТЯР в стадии проектирования целесообразно проводить испытания кандидатных материалов для ПС в выполнять расчеты .силовых элементов ПС с использованием основных закономерностей поведения структуры материалов, наблюдаемых при испытаниях.

Во 2~йглавэ в основном представлены собой результаты экспериментальной части реферируемой работы и исследования термоусталости кандидатных сталей ПС ТЯР. В первом параграфе в качестве основного объекта мсследоьаний выбрана хромомаргакцевая с.аль ЭП-83Э и произведено сравнение ее с другими сталями: 12Х18Н10Т и 10Х9МФ5-Ш. Во втором параграфе описаны установки для терыоциклических испытаний испытания трубчатых образцов, а также методика этих испытаний. В описанных установках используются циклическое электронное воздействие на поверхностные слои трубчатых образцов. Преимущества предложенных устройств по сравнению с известными в литературе состоят в том, что они позволяют с большей точностью имитировать циклические процессы,•происходящие в реальных условиях ПС ТЯР. Третий параграф содержит сравнительны® результата на долговечность дадлдатныя материалов при термоиислических йагружёниях. Установлено, что.сталь ЭП-838 не уступает по термопрочности стал« 12Х1ВШ0Т, а сталь 10Х5МФБ-Ш имеет больший запас прочности от ци-кдического теплового потока. Далее рассмотрены закономерности за- ' р очдения и .развитие терноусталостных трещин хромомарганцевой стали Установлено. что зарождение трещин у исследуемых стал« Я про- ; . к;хо.г*т па поверхности, а их скорость роста, обусловленная веля-«таклЯ сгдарамрий. замедляется при продвижении ее в глубь образ-а^коват^ь.Поверхиоста влияет на направление зарождения трЧьрч, это«'сучае растут по бороздкам, оставаимзя от

Тйкдрчо!? 'сЗфайотхн, Б случае аякфо&агзшх оо'разцов ответственными

-г-

за появление троаин являются окружные напряжения, а направления трещин совпадают с образующей труби. Отмечено также пэявлэпиэ .1 треишн к внутри образца, при этом их развитие идет параллельно по-г.оверхностк воздействия и материал трубы как бы отслаивается. По-• каэано, что термолрочность возрастает в результате полироьки поверхностей воздействия.

Глава 3 посвящена металлофиэическкм иесчрдсБаниям образцов стали 0П-В38 и 12Х18Н10Т, прошедших хермоцикяироьэние и испытания на кручение. В параграфах с первого по Пятый приьедены результату исследований сталей с использованием различных методов: металлографии. дюрометрии, магнитометрии, рентгенографии, фрактографин, ояе-электронкой спектроскопии, ронтгеноструктурного микроанализа. Показано, что скорость ультразвука в образцах не зависит от режимов термоциклирования. если они не приводят к микроразрушениям поверхности образца. Рентгенографические исследования ЭП-83Я показали. что образование о - фазы ла внешних поверхностях образцов, облученных электронным потоком, возможно не только зг счет пластической деформации, но и за счет перераспределения лепфуюаих элементов стали. Оже-анализ показал наличие сегрегаций сери на поверхности излома и на поверхности воздействия образна. Выполнены . измерения остаточных напряжения сталей методом многократных наклонных.съемок. Установлено, что в процессе термоциклических испытаний на поверхности воздействия возникают ос'мгчньм напряжения . растяжения. При анализе фазовой стабильности исследуемой стали при малоиикловой усталости в изотермических условиях установлено.. что магнитные свойства ЭП-838 протерпели существенные изменения. • • Ответственной за эти изменения является а -фаза. Результаты исследования на малоциклевую усталость позволит указать эксплуатационный режим применимости стали ЭП-833. Влияние пластической деформации на у - а превращение в стали ЭП-838 сводится к следующим: механизмам: разрушение барьеров, препятствуюиих испарению № за счет нанрякений, а также образованию большого числа дефектов упаковки, которые приводят в действие механизм у - дефект упаковки а. В результате мэталлофизических исследования изменений сикч-о-структуры образцов показано, что термоииклироь&ние приводит к росту карбидов и вызывает микропластическуг деформацию зерен, проявл.япйуюся в виде линий скольжений и двойников. При терший- " кляромнии идут Дга конкурирующих процесса:'

- нагрев приводит к устранение дефектов, возврату, .псаигоикэлаки л рекристаллизации, т.е. разупрочнению; "

- в, результат»? градиентов температур и н-' пряьениЗ происходит обра-

- Б -

аоваки« нивьс; несовершенств, и стала упрочняете*.

При термоцущичэсхоД обработке мощностью 3 МВт/м* наблюдается рост аерна на внешлей поверхности образца эа счет объединения ск;.ьно искаженных зерен. При повышении мощности электронного потока б поверхностном слое наблюдается измельчение зерна, в котором лучшие зарождаются усталостные треишны, способствующе разгрузке слоя: При этом нарушается теплоотвод, происходит рост температуры, ;ш<?ет место интенсивный рост зерна. 3 параграфе 5 изложены дьа способа, повышаете эксплуатационные свойства стали ЭЛ-833- пэрьыи' способ позволяет улучшать пластические свойства стали без ухудшения прочностных характеристик С защитен авторским свидетельством СССР 13129713, второй способ позволяет создавать .во:!обновляемый заьитьцй ело,', а - фазы Ь поверхностном слсе сило-' во го элемента <.-о сл?дуиьиш преимуществами: хорошими адгезионными • сааЛста&)м.'достаточной теплопроводностью, технологичностью.

Поскольку все иамен&кая имеет место в тонком приповерхностном слсе металла.при теркоииклировании, а действие радиационного фактора ло всему сечении ПС ТЯР, ь главе 4 показаны возможности учета дашн-'х факторов в современны/ теория» прочности.

В глава 4 на оснсванли деформационной теории термопрочности и структурно-аналитической теории прочности наполнены расчеты термо-кгпряаднкого состояния сияо2ых элементов, позволившие подтвердить ряд „экспериментальных данных, прежде всего число циклов до разру-шеаня, падение со временем скорости роста трещин, в глубь образца, области злроадения трещин и их распространение, совпадение, знака я величины остаточных напряжений. В параграф« 1 рассмотрен вопрос о -напряденном состоянии п.частчны как ялемента ПС ТЯР. Полагали, что плоская неогранич«з!тая илдотиьа испы/нвает циклический тепловой С^ток с обеих сторон, а ьа средней поверхности.существует теп-досьеи по закону Кычона. Пластину, предполагали изготовленной,из , однородного. изотропного, стабильного, линеЯио-упрУга-пластическо-': ■ го материал*.'При.этом допускали следующее:." ' '.

• вкеаийв ¡термос га свободны от нагрузок, т .{.ьутри хластины нет источников тепла,

- скорость цзчедедил'температуры такова, что инерциальные

рре^еброгяхо маян,- з^пеообка:-! средой через бокову» поверхность мал» -. тгпдоьаде-ле'яиз»: ыухра лдяехкнн, вызываем** ее-Деформациями; ь/'Улаг «к. по,1:« т«»йс-ратур внутри .чае,

— «лТерк^л плес/г/л^ к «пастичер.мг'н«:ышаец, -лдк! д^рнму.м шестика остается, плоской (это ере

является наиболее сильным. Строго говоря, без специального обоснования оно годится лишь для шшщдрической поверхности). .

- переход материала из упругого состояния в пластическое'осуществляется при достижения антенсивности касательных напряжения предела текучести,

- характеристики материала является постоянна*¡1. а предел текучести с^ зависит от температуры,

- модуль сдвига С и коэффициент упрочнения Ф удовлетворяют соотнопению 'в > 5,

'-. влияние ползучести но учитывается, •

- в пластине реализуется плоское напряженное состояние. Полагали, что поля напряжений я деформаций, воэнккаюаие в пластике. удовлетворяют уравнению равновесия, условнг совместности Деформации и уравнению состояния уттруто-ляастическлй среды. Эту систему уравнений дополняли граничными а нулевыми начальными усло->

виями:

■ о/ <Кг,Шг=0 , С2),

где - Я - толщина пластины, о- - коадонента тензора напряжений.

Для определения уравнения состояния использовала ургв'гонио Дпгомз-ля-Неймана н аналог известной гипотезы единой кривой, обобщенной на неизотермичрскнй случай. Определявшее уравнение принимали в вида:

(¡3 С д \а\ « <т,СТ)

Б у д + (1- сгьСТ) ЯдпСдЭ 1ог| е ^ ^(7)

где дСг.О-еШ - а (ТСг.О-То)

сСО - компоненты тензора деформаций,

а - коаф{мииент линейного расширения.

Предположение о несвязанности задача термопластичности позволило для определения поля температуры в пластине воспольэовягс>ся уравнением распространения тепла. Оно имело вид:

. <7Г'Л.=а(Д,Т/а2г) (4) ■

Начальное условие: температура пластины То.-

Граничные условия: '

X (ТГ'-Эг^^иУ,

<ко=

п1 +Ь<КСп+1)1

о о.

С5).

гЛ <1<Ы. +Ь

е е

ч-от/А^-као-тск.ш

где: Т - исковая теипература, а - коэффициент теыперптуро-лроаэдности. X. -коэффициент теплопроводности, К - коэффициент теплоотдачи, То - температура теплоносителя, 1 - время полного цикла,1 Ь -время паузы, <г - текувдь время, V - моадооть теплового воздействия.

Предлокенная система расчета описьоала малые упруго-пластические деформации бесконечной пластины при циклических тепловых воздействиях.

За втором параграфе рассмотрен нестационарный одномерный процесс теплопроводности ь бесконечной трубе с использованием структурно-аналитической теории. Граничные уопоьня на внутренней и 'ввевнеЯ цвверхноотях трубы выбирали независящими от угла ц> и координата г ь цилиндрической системе координат. Очевидно, что искомые поля темлератури, напряжений и деформаций не являлись функциями отих переменных. В атом случае уравнение теплопроводности записывали в виде»:-', - .

. ¿т/а-ърсггт/аг)/3г / СБЗ

Гранича ьи* усязьля выразили следующий образом: '

-Л ГгсКО, .•;-.

■■.... го пиьа<{ги1н

бси>

с о

о о

А ¿Т/<5г|Г4?дК(То-ТСаЛ)> , ' \ /

где, как и'ранее; X - .искомая температура, а - коэффициент темдбратурэг.роьодиости. ,Х коэффициент теплопроводности, ^ * коз^иидент теплоотдачи, а, с,г -йобтветственно внут-р?иг:»Я. внешний и Тен.увдй радиусы .трубы. То - температура; теодо-иосйтеда, К».'-* врекя полного цикла, Ь ~ вреьм паузи. С - .текуце® - мсс»чость ^впловога йоэдаЛствиЛ'

- 11 -

Facc?iorp9Ha несвязанная задача. Выписана основная система уравнений напряшшо-доформируемого состояния, расскатривадмого элемента ПС из однородного изотропного материала. Очг йкпичает урезпенив. равновесия:

• der /dг ♦ Ca. - aJ/r^G . (7)

Г г р

С граинчгакя условякя:

*rtr:oS° . <8)

af - радпалькиэ нзпряаения, с^ - охругакэ вапрязкиая.

а такгэ {ktodaeiraua закон Гука для случая плоской де§оркацкв:

<уг « \ ct+ г

V"х V 2 " вр (9)'

<rg » X Cj ♦ 2 м

гдэ X а и - козйящгеаты Яша, - относительное нгизна-гтзо оЗьома. о. - ссевиг» наярягвпал.

Коьзтоненты дффсрмтшип в представляла а вадо суккы упругой еу. тепловой <т воупругсЯ с" составлявши*: вр. <

гдэ сг, ¿р. ег -'кслтсй>5кту тензора деформация. Рзлеэ эдрагаяя гяяяоиевти гюетсЭ де§ор)вшяя через ввр«ковевия, -

ef « du^fr, ер «u/r . СИ),

' • _ где'.ч.тармямкае Преястаа&иаа» ito>aroi?enra упругой. дефоркацка через разность иэгду полиса. гаракяяоЗ ь пгргие-гпгяз, тепгсгсЗ а квуяругоа двформа- • аей, подставляли в закон Гула. Напрягения, получении нз закона Гука. подстааляли в уравнение равновесна. В результате получала ураваен2» равпов^сяд, внражецпоэ через пврокецеивя. в которой тепловая .< .:еупругая деформация входят как парвиетры. Окончательное соотнес;tree теэло вид:

dCt/TdCur51/Mr»X>a^) dCe^ «J)/Tir ♦

Уравнение (12) дополняли гравачнюа С 8) а нулевыми начальными --условиями.

Данную задачу реваяи мэтодои птерашШ по нижбследута&аиу алгоритму счета. Решая уравнение теплопроводности, находили температурное поле В рассматриваемой труде на первом шаге итерации. Определяя тепловую деформацию к подставляя ее в уравнение (12), находили поля перемещений и напряжений. Далее.' зная напряжения, обращались к формулам расчета компонент неупругой деформации, ьыброп-ным на основе физических представлений, известных в физике прочности. При этом считали что ползучесть в активная деформация по-ликрмсталлических тел происходят за счет скольжения по определенным кристаллографическим плоскостям. Выражение для скорости сдвиг , связанной с ползучестью принаняли в виде:

/31 =>А е-<и/кТ,Ст, 51дпСт ))п$1дЖт, ) (13).

31*. 21 . ■ II ... 31

где . и, п - постоянные, зависшие от материала и его , структуры.

Закон активной пластической деформации записывали следуваш

образом: ' .

.'П^&и'-Ъ ИСт„-«1др1г,|0.Л

где А^ - постоянная, ииесадя смысл величины обратной коэффициенту деформированного упрочнения сдвига: т£ - кристаллографический предел текучести.' Для решаемых задач использовали простейший аахоя для предела текучести: -

г" ) - « Т - КкСт"-т°)п '(15).

гда дд, К^кокстангы материала. Величину т определяли, используя преобразование:

где л1к - направлякша косинусы, переводящие лабораторный базис, в котором задан тензор сг|к , ь локальный, где задан

ТвНЗРр Т '. - и"

. Переходя х деформациям в понятиях ыеханихи сплошной среды, срлменяли ориентацнонныа споооо усреднена*., О соответствии со сда-пглшым предположвннемполучалй:

АЛ&Л (17)'

где <« - углы, задание взаимную ориентации систем ло-в&дьиыхбазисоъ с инженерной састевов ксюрднаат.

Звдисв неупругой дефорюции на инженерном уровне позволило

- 13 -

определить ораеитироышшз ыакропалрязгягз правку в янжвнсраае кяРря^ЁНяя

; À к

где h0.rp- константы материала. Отсвда находила эффективное напряжение:

ff,k 3 ff.k- P.V

где -<r k - иапряаение в обычном смысле. Лалеэ производили расчет напряженного состояния по уравнэнию С12) при прежнем температурной поле с,новыми кеупругими деформациями до тех пор, пока разность между расчетными величинами предыдуцей итерации не отличалась от текуаей на определенную величину. Затеу осуществляли переход к другому температурному поло, шторой'Получалось spa роаоини уравнения т«плОг.ровй/Ыоотя на слздузагм временном ваге.

Таким образом, удалось записать эаыхнуту» систему ккогократно связанных уравнений, построенных с учетом реальных физических процессов-, происходящих в металлах. Она позволила решить поставленную нигенернул задачу.

Далее была составлена система уравнений, описываюаая поля напряжений й деформаций для бесконечной пластины с аналогичным видом нагруяения, рассмотренным в первом параграфе данной главы. Поля. описиваюдие налрявеино-дефоркарованно® состояние, товдестввнно удовлетворяли .уравнения» сплбшности я равновесия. Уравнение в декартово 9 смстекэ координат, с использованием ранее принятых обозначений а предполоаений для пластины, связываоаее напряжения с деформацией. записывали в виде:

erCz.t) «ЕД1-10 U -cH(z.O) С20),

. где и - ксэффациснт Пуассона, Е - модуль Юнга, iHCz,t) - неупругая деформация.

Учитывая условие на свободных концах, находили связь кедду полной деформацией в ноупругой.

с »14i iVcz.Udr . (2П

О .

Методика определения еи. описанная выше при анализе налря-ssmioro состояния трубы, позволяла замкнуть систему уравнений для ; данного элемента ПС. Приэедеяньл» sum уравнения были реа&иы ыето- . методом итераций при машинном счете.

3 параграф» 3 сделал вывод о качественной совпадения результатов расчета напряженного состояния для плоского силового элемента ПС по структурно-аналитической теории, осдаваявой на фуадам«н-

Р . ЗДООяап* » *

(18).

-и -

талъных представлениях, с результатами феноменологической деформационной теорией, не сояеркааей сведений схЗ элементарном акте до-формироеакин твердого тела. Устгнсвлено, «то для пластины достаточно использовать деформационную теорию ках манео трудоемкую, нэ требуюаую больиого машинного »рамени в отличие от структурно-аналитической теория. Тзкал теория, однако, не позволяет учесть все многообразие процессов, происходящие в ПС ТЯР. Показано таксе, что температура я уровень напряжений в трубе всегда выше, чем температура и уровень напряжений в соответствующих слоях пластины. Из расчетных результатов следует, что пластина является более предпочтительной для ситового элемента ПС ТЯР. чем труба, а амплитуда НАгтрявениа неоднородна по толокне я максимальна в поверхностных слоях. '

Данные расчеты характера распределения полей напряжений показали, что наибольшие изменения а образцах происходят- на коротком интервал» времени; включением э себя время нагреве к несколько первых секунд охлаждения. В связи с этим следует указать на способ снигения термических капряхвкхй за счет управления температурным полем ПС. Данное управление легко осуществить пропусканием электрического тока для пэдогреаа пластин в моменты отсутствие плазменного онура а ТЯ?.

Кинетика иапря1»кий позволяет определить зону кавбояыза термсхапряхенхА. реализуемых при термониклированна образцов. И на основе этих яачшх либо создать в такой зоне дополнительныг поверхностны« слой. спосо<Зствува*£ пони женив термояапряквння, либо соотьетствуюаеЗ обработке« соэмтьостаточяое поле надрЯЕеиай врспивопояоиюг« эн&ка.

Дяя оценки'циклической поарекдаемости. возник«раей вследствие изменения температуры, использовали состноиение Коффям-Шнсопа. опязьааше» малоцихлоэую усталость. Основываясь ва этом, получила ^¿лисимость числа циклов до раэрулеви* от сладуюяих факторов: формы образца, «го толщены, материала ж. »юаности теплового потока.

,Вывоцм по работе' 1. Созданы две вакуумные установки со схемой непосредственного электронного нагрева..которые имитируют т*плс&ое воздействие плазмы иа ПС ТЯР. и такие тепловое удар пра врыв* плазмы. Система иаг-ружекня даниых устаяовок поэволяет проведить термоциклические испытан*« поверхностных слое» труб. •

3. Исследовано структурно-фазовое поведение хромомарГанцевоС стали ЭП-В38 дм ПС ТЯР под действием электронного потока, создающего в

материале циклические температурные градиент«. Показана возможность использования хромоыарганцовоЯ стали ЭП-838 в качестве материала ПС ТЯР. Устаь-злены возможные причины образования трещин:ше-•роховатость поверхности; пояьляюаиеся термонапряжения; фазовые преврааення; изменение размеров зерен. Показано, что а условиях эксплуатации .ПС ТЯР: матрица в целом остается аустенитной, полировка повыэают термостойкость поверхностных слоев, разноэернис-тость зависит от параметров теплового воздействия, разрушение сит нехрупкий характер, деформация происходит в основном за счет полос скольжения.

3. Хрсыомаргаицевая сталь ЭП-833 не уступает по термопрочности

• хромоникелевой стали 12X1SH1ОТ, а сталь ферритчого класса ЮХЗНФБ-Ш имеет больший запас прочности при теплосыенах. i. Решены краевые задачи механического поведения материала ПС ТЯР для бесконечных трубы и пластины в условиях циклического поверхностного нагрева в рамках двурс теорий прочности: деформационной, • учитыэао&ей температурную зависимость предела текучести, н более фундаментальной структурно-аналитической, построенной на основе физики процесса пластического деформирования в сложны:: условиях нагружения. в

5. Установлено, что структурно-аналитическая теория дает результаты качественно совпадавшие с результатами, предсказываемые деформационной теорией для термопластических задач. Из этого можно

. сделать вьтод. что учет сложных физических процессов в ПС ТЯР вполне возможен при ее инженерно* расчете, поскольку структурно-аналитическая теория допускает формулировку задач, имеввдх широкое физическое содержание.

6. Показано, что изменение напряженно-деформированное состояние в исследуемых образцах (труб? пластина1 неодинаково изменяется при териоциклировании по толщине.. Иаксималькыэ вариации напряжений имеют место в поверхностных слоях.

7. Показано, что тревдны, образующиеся при циклических тепловых воздействиях на внешней поверхности мсследуеиого образца, останавливаются в своем росте по коре их 'продвижения в глубь образца.

. 8. Установлено, что пластина является более предпочтительным силовым элементом ПС ТЯР, чем труба.

9. Предложен способу снижения тврмонапряжений. за счет управления

,. темпэ&атурным полек в ПС., а также-способы по создания садя., лоня-'жаше^о термонапряжеьи ft, млн остаточного поля напряжет^ прэтяво-шлоиного знака. Прогнозируемое напряженное состояние слловых элс-

" кзнтов совпадает.о экспериментально оцредеЯенним данныыя по оста-

- Iß -

точным напряжениям и числу циклов до разрушения.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Паршуков Л. И. Исследование твердости стали ЭП-838 поело термо-циклирования//Фиэика и электроника твердого тела,. Илевск. 1982. С. 1D4.

2. Волков В. А., Лихачев В. А.,' Иванов Л. И., Муртаэин И. А., Оьечкин Л. В.. Паршуков Л. И. Температурные циклические испытания аусте- :

. ниткой стали ЭП-838//4иэика к электроника твердого тела. Ижевск. 168*. С. 33-49.

3 Волков В.А., Лихачев В. А., Муртазик И. А., Паршуков Л. И. Разрушение поверхности трубчатых образцов, вызванное циклическим нагру-. жением электронным потоком//' Физика и технология упрочнения поверхности металлов: 3 Всесоюзный семинар: Т«з докл. Л.. 1984.

0.15-18.

4 Елсуков Е.П. , Муртаэин H.A.. Париуков Л. И . Овечкин Л.В. Влияние циклического воздействия потока электронов на структурные превращения в сталях// Всесоюзная конференция по взаимодействию атомных частии с твердым телом: Тез докл. Минск. 1834.Часть 3.

С. 115-11В.

5 Баянкин В.Я.. Муртазин H.A.. Паршуков Л.И., Шабанова И.Н. Исследование методом РЭС поверхности стали ЭП-838, прошедшей термоциклические нагружения электронным потоком.// Всесоюзное ервеаа-ние по рентгеновской и электронной спектроскопии: Тез. докл. Ир. куток. 1984. С. 21.

Б. Волков В. А., Паршуков Л. И., Саламдто» Е. И., Фасхутдинов Р. Н. Термоциклическке испытания стали ЭП-838 электронным потоком// Всесоюзная конференция по инкристаллитноЯ хрупкости стали и сла-1юв: Тез. докл. Ижевск. 1984. С. 191. 7. IfoBOKUijKOBä А. К., Муртаэин К. А., Паршуков Л. И. Эффекты воз- . действия потока электронов на поверхностные слои хромомарганце-вой стали// Импульсные источника энергии для термоядерных исследований и промышленной технологии: 2-я Всесоюзная конференция: Тез. докл. В.Пышма. 1383. С. 124-125. 8 Новоксюнова А. Н.. Муртаэин И. А.. Паршуков Л. И Влияние мрохова-тости на поверхности на термическую усталость хромомарганцевой стали.// Роль дефектов ъ физико-механических свойствах твердых тел Всесоюзная конференция: Тез. докл. Часть 2. Барнаул, 1S8S. С. 33 • i

9. Волков В.А.. Муртазин И.А.. Паршуков Л. 11 , Новокаонова А.Н. Остаточные напряжения в хромомарганцевой стали, обусловленной

циклир/юзшм воздействие»»- потека электронов// Всесоюзный нэуч-но-технический симпозиум по псвшзенной.износостойкости и уста. лостаэй прочности деталей машин, обработанных концентрирован му/л потоками энергии Тез. док. И., 1985. С. 76-78. ' 10. Бэянкин В. Я., Гильмутдинов Ф.З. .Елсуков Е.П., Кадикова А. X., Муртаэин И-А., Новокиюнова А. К., Овечкин Л. В., Паршу ков Л.'Л , Рац Ю.В., Хломов В. Ф., Шабанова И. Н. Локальный анализ приновех-■ костных слоев хромомарганцезой стали, испытавшей циклическое " воздействие потока электронов/'3-я Всесоюзная научно-техническая конференция по локальным рен'тгеноспектральным исследованиям и их применениям: Тез. докл. Устинов.; 1985. С. 265-266. 11. Кадикова А. X., Муртаэин И, А., Новокшонова А. И., Паршуков Л. И., Рац Ю. В. Разрушение труб из хромомарганцевой стали, обусловлен. ибо циклическим нагружением электронным потоком//Научно-техии-ческая конференция по современным методам исследований в металловедении: Тез. докл. Устинов. 198S С. 44-46. ■12. Кадикова А. X., Муртаэин И. А., Нсвокшоноьа А.Н., Паршуков Л. И., Рац В. Термостойкость хромомарганцевой стали, испытывавшей циклическое воздействие потока электронов// Всесоюзная конференция по.физике прочности и пластичности металлов и сплавов: Тез. докл. Куйбышев, 1930. С. 2G2-2B3.

13 Муртаэин И. А., Паршуков Л. И., .Долговечность труб из аустенитной и ф^рритной сталей, испытавших циклическое воздействие потока электронов// 5-й Всесоюзный еимппзиум по малоалкновой усталости - критерий разрушения и структуры материалов: Тез. докл. Волгоград. .1083. С. 98-100.

14 Баянкин В. Я. , Плсуков Е. П. * Кадикова А.Х., Муртаэин H.A., Овечкин Л. В., Паршуков Л. II,, Рац К. В. , Шабаноьа И. Ь\ Локальный анализ поверхностных слоев хромомаргзнценей стали, испытавшей циклическое воздействие пот 'а электрсчор// Ibв. АН СССР Серия Физическая, 1986. Т. 50.' N 9. С. 1721- 1724.

15. A.C. К 1312971 С СССР) Способ обработки трубчатых изделий прех-ыудественно из хреномарганцевой стали. - Булдзкова Т.А., Нахтя . Н. А., Муртаэин И. А. ,.Паршучов Л.'Л. , Поляков В. А .16. Демина Е. В. . Нуртазин И. А . ГГвр'иутсв Л. И. Влияние цикли-* ческих теплосмен на повреждаемость аусгенитной хромочгарганцеьой стали, предназначенной для использования в термоядерном реакто- • ре. 'ФХОМ, 1937. N5, С. 32-35. ./17 HüBOKMOhORA А. Н., Муртаяин II А. . Яаршукйв Л.И. Структурная стабильность хремомар нце«*сй «ггали ЭП-93Я при тер«с1ЦикяЕровавяи с .... нягреьец-9дектрон>ши пучкеч// Kst. AK СССР. ¡%гвдлы, 1997.,"?5

18 Гклы./гдинов 4.3., М>ртазин И. А., Паршуков 7. И. Узменени.л ст^уктурно-фазовсго состояния и разрушения поверхностных слота'' аустенитиой хромомарганцевой стали. стимулированные циклирупцим . пстоксч электронов^'/' Структурно-фазовые превращения в металлах., ' Проблемы прочности и пластичности. Свердловск, 1987. С.30-4П.

19. Ефан^ь В. П., Муртазин Л. И., Паршуков Л. И. Рентгеновская текно-поверхностных слоев аустенитшх и ферритно.1 сплеЯ. испы-циклическое воздействие потока электронов// Поверхность и ноьнэ материалы: 2-я Уральская конференция: Тез. докл. Ижеeck. 198S. С. 131.

?.0. Гильмутдинов 0. 3.. Муртазин И. А., Овечкин Л. В., Паршуков Л. И,. Изучение поверхностных фольг из аустенитной стала ЭП-838, испытавших териоциклировакие и изотермический нагрев// Уральская конференция по поверхности и новым материалам: Тез. докл. Ижевск, 1938 С. 112.

21. Демина Е. В., Нуртазин И.А.. Паршуков Л. И. Исследование свойств' стали ЭП-839, прошедшей териоциклировакие электронным потеком// ■ Конструкционные материалы для реакторов термоядерного .синтеза..

М. : Наука. 1588. С. 202-205.

22. Валицкий В. В., Ковалев В. И., Муртазин И. А.. Паршуков Л. И. Разрушение груб из аустенитных и ферритней сталей, испытавших циклическое воздействие потока электронов// Всесоюзный симпозиум по новым жаропрочным и жаростойким материалам: Тез. докл Часть

2, М. , 1989. С. 27.

23 Волков В. А., Каднкова А. X.. Нуртазин И. А., Паршуков ■ Л. И. Формоизменение вольфрамовой проволоки при термоциклировании ее электрическим током// Всесоюзный симпозиум по новым жаропрочным и жаростойким материалам: Тез. докл. Часть 2, М.. 1589. С. 02-93.

24. Лихачев В.А.. Муртазин И. А., Паршуков Л.И. Разрушение сталей при ил циклическом поверхностном кагреве// Всесоюзная конференция по физике разрушения: Тез. докл. Киев. 1989, С. 163.

23. ВалкцКиЧ В. В., Лихачев В. А., Муртазин И. А., Паршуко? Л. К. Экспериментальное и теоретическое исследование долговечности трубчатых изделий при циклическом нагружеяия их потоком электронов-'/ Всесоюзный симпозиум по прочности материалов и элементов конструкций при сложном напряженном состоянии; £ез. докл. Жито' мир. 1S39. С. 20.

20 Вамшкий В.Е.. Муртазин H.A.. Парад ко 6 Л''Л. Расчет напряженного ссс.тоснцЧ дяеыентов nçpgoa стенки термоядерного реактора// дународная конференция по исследованию. и разработке кояструкц/.-

- 19 - .

ояных материалов для реакторов термоядерного синтез ч; Тез. Докл. Дубна. 1990. С. 23. '

•27. Муртазин И:А.. Пгршуков Л.И.. [Плбаиов Б.П. ТерАчЛяа*усталость я разрушение какдидатных материалов для первой столки термоядерных реакторов/'^' Радиационное воздействий и? материалы термоядерных реакторов: Всесоюзная конференция: Тез. докл. Л., 1390, С. 81-82, ' ;

28. Лихачев В.Д., Муртазин И.А., Паршукоэ Л. И. Напряженно-деформируемое состояние пластины к трубы, подвергнутых циклическому поверхностному нагреву/.' Радиацяоннст воздействие на материалы термоядерных реакторов; Всесоюзная конференция; Тез. докл.' Л., 1SS0. С. 92-93. ' : ■ ''

29. Муртазин И. А., Париуков Л. И., Еибгпов Е. П. Электровакуумная ; установка для термоциклических испытаний// Радиационное воздействие на материалы термоядерных реакторов: Всесоюзная конференция: Тез. докл. Л., 1990. С. 39. '

30.. ВалицкиЯ В. В., Лихачев В. А., Нуртазнн И. А., Паршукоэ Л. Н. Расчет термоиапряхунного состояния я долговечности пластины, кспытывапаей циклический поверхностный нагрев// Проблемы ггроч-нос-п*. 1990. W 7. С. 119-124.

31. Лихачев В. А., Ковалев В. Н., Муртазин И. А., Паршукоэ "1, И Использование структурно-аналитической теории для расчета термической усталости элементаs конструкций термоядерный реакторол// Матераалы с нозка функциональными свойствами. Новгород, 1990. С. 81-82. •'' -- '