Влияние градиента напряжений на разрушение графитовых конструкций при статическом и малоцикловом нагружениях тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

Челябинский государствошгнй технический университет

ИВАШКОВ ИГОРЬ АЛЕКСАВДРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ГРАДИЕНТА НАПРЯЖЕНИЙ НА РАЗРУШЕНИЕ . ГРАФИТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТАТИЧЕСКСМ И ШШОЦИКЛОВШ НАГРУЖЕНИЯХ

Специальность 0I.CS.04 -Механика твердого деформируемого тела"

АВТОРЕФЕРАТ

диссзртащт на сонсяагаа учёкоД степени дендвдата технических неук

На правах рукописи

Челябинск 1993

Работа выполнена в Челябинском государственном техничоск университете. ■

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Чернявский О.Ф.

Официальные оппоненты: доктор технических иаук, профессор

Виргильев Ю.С.,

кандидат технических наук, профессор Ищиш В. А.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский и конструктор ■ институт энергетической техники (НИКИЭ

Защита состоится "22" декабря 1993 года па заседании специализированного совета Д.053.13.01 Челябинского государст: ного технического•университета по адресу: 454080, г.Челябинск проспект им. В.И.Ленина, 76.

Автореферат разослан "{?" ноября 1993 года.

Учёный секретарь ^специализированного совета,кандидат технических.наук,.

доцент М*.

В.М. Кононов

• ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Графитовые материалы находят в последние годы всё более широкое применение в высокотемпературных конструкциях различного назначега'т: электродах (в том число крупногабаритных для сталеплавильных печей), атомных реакторах, химических аппаратах. У конструкционных искусственных графитов произведение <¿8 (коэффициента линейного расширения и модуля упругости) в сотни раз меньше, чем у традиционных металлических материалов. Соответственно меньшими являются и температурные напряжения при одинаковых перепадах температур, тогда как прочностные характеристики графитов отличаются от сталей и сплавов лишь в десятки раз. С ростом температуры до 150&.2000 °С у конструкциошшх графитов улучшаются прочностные и'деформационные характеристики. Эти отличия в значительной мере определяют оптимальную область применения конструкционных графитов -- это конструкции, со сравнительно небольшими механическими нагрузками, но интенсивными тепловыми и радиационными воздействиями, т.е. с существенно неравномерным по объёму распределением тепловых и радиационных расширений.

Известно, что неоднородность напряжённо-деформированного состояния сказывает существенное влияние на поведение- изделий из графита. Разрушение (образование магистральных трещин) может происходить при значительно более высоких значениях напряжений и деформаций, чем при однородном напряжённом состоянии (простом растякенин).

В настоящее вр^мя в расчётах на прочность, регламентируемые нормативными документами, неоднородность напряжённого состояния не учитывается. Это приводит к тому, что графитовые элементы проектируются с большим запасом, что, в свою очередь, монет привести к излишнему расходу графита (довольно дорогостоящего материала), а так-яа к ухудшению рабочих характеристик.. •'

• Работа выполнена в соответствии с заданиями Координационного плана работ на 1980-1984 годы по исследованию свойств -и работоспособности графитовых материалов установки ВГ-400, а такзе по Плену научно-исследовательских работ АН СССР по фундаментальным проблемам машиностроения (раздел П, п.1.1, 1.13.2, раздел У, п.1.7), утверждённому постановлением Президиума АН СССР от 21 мая 1986 г. № 642 (кафедра СМпДЕМ ЧГТУ, на которой выполнялась работа, являлась исполнителем указанных разделов планов).

Цель работы состояла в разработка методик и исследовании механического поведения графитовых материалов при неравномерном рас-

цределении напряжений в условиях статического'и малоциклового на-гружения, что позволило бы выработать приемлемый для указанных условий критерий разрушения графита в неоднородном ноле напряжений.

При этом рассматривались следующие основные задачи.

1. Разработка методики и проведение комплекса испытаний граф! тових образцов различных сечений на чистый изгиб с записью деформг ПИЙ и последующим расчётным определением нелинейных диаграмм раста жения и сжатия, проведение исследований для широкого диапазона грг диентов напряжений.

2. Исследование кинетики деформирования изгибаемых. графитовш образцов на микроуровне (на уровне зерна) для выявления механизма влияния градиента напряжений на разрушение материала.

3. Формулировка критерия прочности графита при неоднородном напряжённом состоянии, проверка его применимости'для различных видов нагружения.

4. Трансформация критерия на сложное напряжённое состояние нг основе проведения испытаний при плоском напряжённом состоянии в случае пропорционального статического нагружешш, подбор критерия, описывающего с приемлемой точностью поверхность разрушения графитг в радках проведённой серии испытаний.

5. Разработка методики и проведение испытаний на малоцикловое 1фучение трубчатых и сплошных образцов в условиях нормальной и повышенных темпераоур для изучения влияния градиента напряжений на условия ыалоциклового деформирования и разрушения, а также с целы исследования закономерностей циклического деформирования в разрушения при плоском напряжённом состоянии.

6. Оценка влияния градиентов напряжений на прочность реальнш графитовых деталей - блоков ядерных реакторов и электродов дуговых электропечей.

Научная новизна. На основе, проведённых исследований прочностных и деформационных' свойств графитовых' материалов в широком диаг-пазоне градиентов напряжений поручены новые данные по сопротивлению деформированию.и разрушении графитов в неоднородном поле напряжений. В частности, установлена зависимость диаграмм деформирования от градиента напряжений и прекращение возрастания предела. прочности при изгибе и разрушаицей деформации с уменьшением высоты образца меньше некоторой предельной величины. Выявлен механизм влияния градиента напряжений на разрушение материала - более медленное развитие локальных микротрещин, связанное с.переходом их

зершин в зоны с иеныпм уровнем нзпряяениЗ, а такге о неоднород-юстыз материала. Установлено, 'что разрушение неравномерно нагру-юнных графитовых образцов удовлетворительно описывается критериям лрочности по среднкм напряяеняям. Анализ экспериментальных дая-шх автора и других исследователей показал, что приближённо, о гчётом разбросов, структурный параметр в этом критерии можно считать инвариантным, т.е. независимым от схемы нагружения, наггравле-шя вырезки образцов, температуры. Определена минимальная величина градиента напряжений, нияе которой влиянием неоднородности напря-:ённого состояния на прочность графитовой детали можно пренебречь.

Разработана методика проведения испытаний конструкционных грантов на циклическое кручение при нормальной и повышенных теипера-■урах. Обнаружено, что закономерности маловдкловоЛ) деформирования г разрушения при кручении в основном соответствуют растянет® и ясатию. В отличие от растяаения-сзатия при кручении в мягком сим-ютричном цикле наблюдается залетное падение числа циклов до раз-)ушения по сравнению с пульсирующим циклом. Кроме того, з случае отгкого симметричного цикла деформационный критерий разрушения дал тачительную ошибку. Установлено, что с приемлемой точностью разру-юние неравномерно нагруженных графитовых образцов при кручении в лучае мягкого пульсирующего цикла может прогнозироваться с по-эдьа критерия средних напряжений.

Практическая ценность и внедрение. Получены конкретные денные | сопротивлении деформированию и разрушению в неоднородном пале наряжений, а также при плоском напряжённом состоянии в условиях ста-'ического и малоциклового нагруяения графитов ГР-280, 1РП2-125, ес-:ользуемых в активной зоне реакторов. Псдучешшэ результаты позволит на стадии проектирования аппаратов более полно и дкффарешягро-;шно анализировать влияние различных .факторов на прочность дета-:ей из графита. Эти данные необходимы такке прп разработке магеиа-ических моделей деформирования и разрушения элементов-графитовых инструкций при различных программах нагрукенпя.

Развитая применительно к графиту методика оценки прочности на ■сновании критерия разрушения по средним напряжениям позволяет расчитывать на прочность произвольно нагруженные графитовые детали. : частности, выполнена оценка прочности реальных элементов конст-дов -д. из графита - блоков ядерных реакторов РШЕС, ВШ и электро-""»ктросталеплавильннх печей.

Разработанные экспериментальные установка:, а тасге методшш испытаний и расчётов позволяют определять характеристики дефорьщр! .вания и разрушения, оценивать прочность графитов и других. аналоги1 них материалов в различшх условиях пагружлгая.

Результаты работы частично вошли п "Нормы расчёта на проч-' ность типовых узлов и детачей из графита урьи-грофитових к ai ai ь-ных роактсров HTP-0I--90" и используются в нгучнс-нсследоватсдьски: и конструкторских организациях ¡ШКИЭТ, ИАЭ им.Курчатова и других при проектировании аппаратов типа ВТГР.

Апробация работы.' Основные положения работы были доложены на межреспубликанской студенчоской неучло-телчглческой конференции "Проблемы пооышешш прочности элементов машиностроительных-конструкции" (г.Пер,-ль, 1983), У Всесоюзной научно-технической конферен-ц1ш" электродной промышленности "Повышение качества и эксплуатационной стойкости углеродной продукция" (г.Челябинск, 1983), Всесоюзной конференции молодых учёных и специалистов "Современные дос-.тилсення в области исследования, производства и эксплуатации углеродных катерл&юв и изделий" (г.Челябинск, 1984), областной научн! практической конференции "Участие молодых учёных и специалистов в реконструкции п модернизации предприятий, во внедрении новой техники и технологии" (г.Челябинск, 1986), конференция "Экспериментальные методы в механике деформируемого твёрдого тела" (г.Калининград, IS37), ХП Юбилейной конферсищии молодых учёных Института машиноведения "Актуальные проблемы машиноведения" (г.Москва, 198Э), УШ Международной конференции-ио механике разрушения материалов (г.Киов, 1993), Всесоюзном совещании по псследовазрш установки ' ■ . ВГ-400 (г.Москва, 1984), ХХХУ1-Ш научно-техшгееских конференция: ЧГТУ (г.Челябинск, I9S3-I992).

Публикации. По теме диссертации опубликовано II работ.

Объём работа. Диссертация состоит из введения, -четырёх глав, обидах выводов, списка литературы (232 наименование) и приложений. .Она изложена на'151 странице машинописного текста, содержит 72' • рисунка и 20 таблиц. • ,

• ■■••'• СОДЕРЖАНИЕ РАБОИ.

Обоснование задач исследования. Известно, что в гранитовых, элементах наиболее распространённых конструкций (блоках ядерных реакторов и электродах дуговых сталеплавильных печей) ■ имеет >--а<ш-неодноредное напрягённое состояние. Исследования, поср-

fiffico градиента непряжлшй на деформирование и разрушение графитов, проводили как советские (В.Н.Барабанов, Ю.С.Внргтиьев, Л.Н.Зайцев, Н.А.Лобастов, Д.А.1£апезников и др.), так и зарубежные (J£,Brock-Pehursf, Í1.I. larby, Y. Safo, ЙТопд ) учёные. Проведёшшй анализ эксперюленталышх данных и результатов расчёта показ ел, что большинство исследований имеет ограниченный характер. Систематизации денных, опирающихся на комплекс исследований в игроком интервале градиентов напряжений для различных видов нагрукения, достаточно полного объяснения и обобщении механизмов, реашзутецнхея при разрушении в неоднородном поле напряжений,-практически нот.

Проведённые исследования основывались на результатах, подученных на ряде других материалов (керамика, ыралор,- бетон, чугун, раз-ллчныо сплавы н стага) Н.Н.Давцдепковш, А.В.Караваевк?л, П.Я.Лешо-еым, К.А.Маяьцовым, В.В.Новожиловым, Г.А.Пранцкявичюсом, С.В.Серен-сеном, Л.П.Трапезнтжовым, В.Т.Грощенко, A. BascouB, R f/awooc¿, W.KantzP -7.С. Naso, &> ¿Veuócr, RJ. S/osmcer, Y.M. Whc/ney,

T. Ya ко 6o г у и др.

Деоюршгрование и разпуптеггш графита при чистом гзп.бо. На основе разработашой методики проведет испытания образцов из двух марок реакторного гранта (IP-280 и ГРП2-125) на чистый изгиб. При этом варьировали форму и размеры поперечного сечения с цолыо пелу-чешш разных градиентов напряаешШ. В отличие от других авторов пс-следозания были проведены для широкого диапазона градиентов: испытывали образцы квадратного сечения 25x25 и 16x16 мм; прямоугольного - 16x32, 32x16, 8x12, 12x8 и 12x4 тел; круглого - диаметром 30 ш; двутаврового; таврового,• распололонного оптиглигаю и неоптимально, В процессе испытании а.нксировьяи нагрузи Р и деформация

С U с & ' • п

крайних растянутнх Ср и скатыхсс слоев. Показано, что, поскольку диаграммы деформирования нелинейны, прямой расчёт напряжении по формулам сопротипяешм материалов гложет привести к существенным . . погрешностям. Поэтому диаграммы растяжения и сжатия крайшх слоев в'случае прямоугольного сечения ¿ х Л рассчитывали методом Надал по форэдулем:

6% а(Р+ i/(2t'))(ft(¿cjASp'l/fbhVt ш

Здесь ¿-(Ср + tci/¿\ "штрих" означает дифференцирование но нагрузке. "Для других типов сечений напряжения рассчитывали численными методами. Не обходил се число испытываемых образцов какого сечетгпя определяли в соответствии с разбросом свойств:

^тшн'шт^, . <2>

тае О и- коэффициент вариг да параметра; 6 - необходимая точность; й(<С, к) - 1фктическая точка распределения Стьюдента с к степенями свободы; - уровень значимости.

В результате обнаружено, что диаграммы деформирования растяну тых слоёв при различных градиентах напряжений совпадают (рис.1) , разница состоит лишь в разрушающих напряжениях и деформациях • С увеличением градиента они возрастают (рис.2). Однако при высоте изгибаемого образца меньше некоторой величины не наблюдается возрастание предела прочностг и разрушающей деформации с ростом градиентов. Следует отметить, что данное явление характерно не только доя конструкционных грантов, и для других структурно-неоднородных материалов. Так, прекращение возрастания прочности и разрушающей деформации при изгибе, начиная с некоторой минимальной высоты образца, для бетонных материалов отмечает А.В.Караваев. При достаточно малых образцах (высота вытянутой зоны меньше 6-7 .зёрен) результаты испытаний становятся непредставительными, и разбросы резко возрастают.

Разрушающие напряжения в деформации, как показали испытания, зависят от формы сечения. Так, несмотря на одинаковые градиенты, прочность образцов двутаврового сечения ниже, чем квадратного.

Испытания при силовом и кинематическом растяжении. Евла сделана попытка объяснить возрастание прочности с увеличением градиента только традиционными для ряда материалов причинами - нелинейностью диаграммы деформировали" и жёсткостью нагружающего устройства. Учёт нелинейности диадами влияет на результаты расчёта разрушающих напряжений и деформаций^ но это влияние существенно меньше, чем разница между <э£р и Предполагалось,- что причиной различия в разрушзвдих напряжениях и деформациях при растяжении и изгибе является стеснённость болве нагруженных гфайнлх слоев менее нагруженными внутренними частями. Из-за этого слои работал« в условиях, близких к кинематическое растяжению. Для проверки данного предположения проводили Испытания графитовых образцов диаметром 20 мм на растяжение о различной жёсткостью нагружавдего устройства: а) испытания на ставдартной испытательной машине УМЭ-10Т; б) йены-' , тания на кинематическое растяжение путём подключения параллельно ■ образцу дополнительных элементов большой жёсткости; в) испытания на силовое растякеще. Однако существенных различий в прочностных

и деформационных характеристиках с изменением жёсткости нагрулаю-щого устройства но наблюдается.' Результат находится в некотором противоречии с теоретическими представлениями, а также с экспери-мс 1талышми данными при циклическом и длителыюм пагружешш. Объяснение может быть даю на основании результатов микроиспытаний. Таким образом, пока нет оснований считать, что жёсткость нагружения является основной причиной влияния градиента напряжений на прочность.

Исследование микродеФормаций грарита. йша исследована кинетика дефоршфования гранитовых образцов при изгибо и при растяжении. Деформации замеряли двумя способами: с помощью цепочки тензорезис-торов малой базы (I мм), соизмеримой с размером зерна материала, и методом годограХичсской интерферометрии, позволяющим регистрировать непрерывное поле деформаций. В результате обнаружена сущзствешгая (до 60$) неравномерность распределения микродеформеций по длине образца, увеличивающаяся с возрастанием нагрузки. Макродеформация, замеренная на базе, на порядок превышающей размер структурного аде- • мента, при отом является одинаковой по всей длине. Неравномерность может быть вызвана различной ориентацией анизотропных зёрен относительно приложенной нагрузки, разной жёсткостью наполнг-еля (кокса)' и связующего (каменноугольного пека), а также наличном в графите пор и начальных мйкротрещин. Кроме того, распределение микродеформаций по высоте отклоняется от линейного закона.

С целью выявления закономерностей распределения деформаций по длине для каждого тензодатчика подсчитывали коэффициент-неравномерности •

и,/ =А 6с/ЛА £/)<:, . (3)

гдойбу- приращение деформации ¿'-го датчика на^'-й ступени нагрузки; ~ осреднённое по всем датчикам приращение деформации; кроме того, подсчитывали коэффициент связи •

Здесь ¿.¿о- коэффициент неравномерности на нулевой ступени нагрузки. С их помощью определены три стадии деформирования графита. Пока в материале нет значительных изменении, коэффициенты связи 8 близки ; к единице, примером может служить график, изображённый на рис.3, ГП- 0,32. При этом формирование общей картины микронеоднородпого ; д е форт лго о в алия протекает так, что весь мекрообьём материала ведёт себя как многоэлементная конструкция с практически неизменяющимися связями, ' • ' ■

9

Закономерность распределения деформаций по длине образца нарушается лишь с возникновением существенных изменений в состоянии материала. Характерная для данного этапа черта: б значительно отклоняется от единицы (график,гп- 0,64, выходит за пределы заштрихованного коридора). В случае малоплаетичнего материала это указывает, по-видимому, на образование'и 'интенсивный рост сети разрозненных ыинротрещил, характерный для,, второго этапа деформирования.

При дальнейшем увеличении негрузки на отдельных участках образца коэффициенты и В интенсивно возрастают (рио.З,/т?= 0,96). Наблюдения показывают, что именно'через один из этих участков проходит магистральная трещина. Характерная чля этого картина прододь ных порсмоцений И , полученная методом годографической интерфоро-метрии, приведена на'рис.4. На седлообразную интерферограмму, характер}^ для первых двух этапов, накладывается возмущение I, шз-бышоз локальный нарушением характера деформирования. Непосредственно перед разрушением размер этого возмущения вглубь образца (в направлении оси £/), независимо от градиента напряжений, составляет для графита ЕР-280 около 10 мм. Вдоль продольной оси образцов (осиХ) зола имеет длину 2. ..4 да. Полученные результаты в основном коррелируют с данными акустической эмиссии (В.Я.1Сотосонова, М.Т.Соболевский,¿г. ¡\raLZS , 3. ¿еттИсг*и др.);

Били-определены границы этапов. Обнаружено, что объёмное мик-рорастрескивавио не'зависит от градиента напряжений и начинается при максимальных иакронепряяениях около 0,55-0,65 от предела прочности при растяжении; начало развития микротрещии в локальных зонах такйе по зависит от градиента и происходит при напряжениях, . приблизительно равных Однако дальнейшее развитие этих зон существенно зависит от градиента; Это связано с переходом вершин тре-.щин' в области с меньшим уровнем напряжений и с неоднородности) материала. Таким образом, основным механизмом, определяющим увеличение прочности структурно-неоднородного материала в неравномерном пело напряжений; является белее медленное развитие локальных микротрещин. Отметим, что аналогичный механизм обнаружен для бетона, имеюцего, как и графит, неоднородную бтруктуру. Так, К.А.Мальцевым экспериментально 'установлено наличие локальных зон нарушения сплошности, в крайнем растянутом слое изгибаемой балки, когда напряжения в нём, вычисленные с учётом нелинейности диаграммы деформирования, превышают .

¿ПЛа

0 г

е ч

/ 1 [ ' 1ь'ьпа''¿г

Г0{г>астъжена:)

_______ **

с,м <;оз щ2- щв цга о,гч 4гз <;« Рис.1. Диаграммы деформирования растянутых слоёв при изгибе (графит ГР-280)

Разрушение

ч в г

^ I » о ю 12 1ч -к 13 го

Рис.3. 'Изменение коэффишейта £> с возрастанием натруски (т- П/Пв)

so loa isa гао eso Рис.2. Зависимость предельной растягивающей деформации от градиента-деформаций (графит ГР-280)

верхлости образца (графит ГР-280, 16x32 ш,/77 = 0,95)

Полученные результаты позволяют объяснить данные по жёсткости нагружешзя. Дело в том, что испытания с различной жёсткостью нагружающего устройства не совсем адекватно отражают работу материала при неоднородном напряжённом состояшш. Поскольку локальные зоны имеют малый размер (не более 10% от дуншы образца), изменение жёсткости зоны практически не сказывается йа жёсткости всего образца; В случае изгиба картина иная - каядый участок работает как бы вместе со своим кинематическим элементом в виде ыенео нагруженных слоев.

Критерий прочности по. средним напряжениям следует непосредственно из результатов микроиепытагий. Согласно этому критерию разрушение (образование макротрещин) происходит, когда напряженно, ос-реднённоо по некоторому структурному параметру П}0 (точнее, по площади части сечения, имеющей высоту /г?*), достигает предела прочности при равномерном растяжении:

(5)

_ ' ГПс

Параметр /??0 характеризует представительный объём и имеет порядок размера нескольких зёрен материала. Физический смысл его состоит в том, что для начала разрушения максимально напряжённый объём должен содержать определённое число неблагоприятно ориентированных зёрен. Величину /Д> можно определить приближённо, исходя из денных' по структуре материала. Рассмотрим растягиваемый образец круглого сечения. /77. в данном случае является минимальным диаметром образца представительного объёма. Учитывая, что минимальная прочность зёрен на отрыв примерно на порядок 'ниже максимальной (коэффициент вариации при этом равен81,8^), по формуле (2) можно получить минимальное число зёрен в сечении¡/тя и рассчитать через средний размер зерна с?: ...

/7?в — \4Jnun ¿7. <6>

Так, для 10$ наз'дёц250. Тогда имеем: для граТк-

.та ГР-280 -д.— 0,7 1т,т,- 11 т;'для графита1РП2-125 -а!- 0,3 — 5 ш.

Однако такой способ определения структурного параметра не всетаа обладает достаточной точностью.' Более точно величину т» можно определить из базовых экспериментов. В данном случае за базу были приняты испытания на изгиб образцов 25x25 мм. Тогда для графита ГР-280 имеем:/??Р= 9,8 ш, что практически совпадает с ранее полученным значением. По критерию (5) был выполнен расчёт прочности образцов различных сечений. Результаты расчёта с погрешностью не

более Ъ% согласуются с экспериментом. В частности, критерий прогнозирует влияние формы сечения на прочность образца. Это связано с тем, что площэди, по которым производится осреднение напряжений, различны. Отметил, что если Еысота растянутой зоны меньше структурного параметра, объем образца не является представительным, и мы находимся за границами применимости критерия. В связи с этим качество экспериментальных данных, получаемых в случае крупно- и срсдггезернястнх графитов на образцах диаметром 6 мм, которые регламентируются Нормами прочности реакторного оборудования, понижено. Целесообразно использовать образцы диаметром не менее 2гпв. Однако в некоторых случаях, если отличие ещё не слишком существенно, критерий мо:хет быть использован в качестве первого прибликешш. Напря-яения при этом осреднямтся по всей высоте растянутой зоны, а разрушающее напряжение оказывается независимым от высоты изгибаемой балки, что соответствует экспериментальным данным, приведёщшм на рис.2. Таким образом, паралетрШо является инвариантным по отношению к размерам и форме поперечного сечения. Из проведённого численного анализа экспериментальных данных "Норм расчёта на прочность типовых узлов и деталей из графита уран-графитовых канальных реакторов" следует независимость параметра в первом приближении от направления вырезки образцов (для графитов, изготовленных методом гидростатического прессования) и температуры.

Определена минимальная величина градиента напряжений (зависящая от структурного параметра), штаз которой влиянием неоднородности напряжённого состояния на прочность графитовой детали мо:хно пре- ■ небречь: •

^ те/т,. . (7)

Так, например,- .расчёт на прочность блоков реактора РЕД-ЮОО мояно вести без учёта влияния градиента \де = Б Вообще следует отметить, что данный подход с использованием.критерия средних напряжений предназначен как бы ¿ля промежуточного случая - напряжения вычисляются б предположении сплошности материала, а расчёт на прочность ведётся с учётом неоднородной структуры матерзгала. При малых градиентах и больших объёмах для оценки прочности достаточно традиционного метода - по напряжении в точке. При высоких градирнтах-и малых объёмах напряжения необходимо рассчитывать'по модели, явно . учитывающей структуру материала.

Деформационные и прочностные свойства грасЕпта пои плоском ка-пряд&пюм состоянии. С целью траюфориации критерия средних папря-'

гений на сложное напряжённое состояние были проведены испытания при плоском напряжённом состояний в области двухосного растяжения-сжатия в случае пропорционального статического нагружения. Для испытаний использовали установку CJI0H-2, разработанную на кафедре сопротивления материалов ЧГТУ для металлов, которая позволяет проводить совместное нагружонке осевой силой и крутящим моментом. Испытания проводили для следующих соотношений главных напряжений: |е>з|/б", = 0 (растяжение), I (сдвиг), 3, 9 и <=*> (сжатие). В результате получено, что для графита, как структурно-неоднородного материала, в общем характерно отсутствие единой кривой деформирования в интенсивностях нацряжений и деформаций. Это объясняется, по-видимому, влиянием шаровой части тензора напряжений. Однако разница между интенсивностями напряжений при какой-либо интенсивности деформаций для различных кривых (за исключением тех, где значительно преобладает снимающее наряжение, и при этом |6э|/<${? 6-7) составляет не более 10-15£. Это обычно не выходит за рамки разброса свойств графита по объёму детали. Поэтому во многих случаях, если отношение \($3\/6i не превышает 6-7, в расчётах можно принять существование единой кривой. Построенная по экспериментальным данным поверхность разрушения для графита IP-280 с высокой точностью описывается модифицированным 1фитерием энергии деф9рмации, предложенным & ty:

6V=V-ь+U&), (8)

гдеф -6j , если 6^0; = /<о£с . если 6j<Q\.Jt- коэффициент Пуассона. Би предложен один из вариантов видоизменённого 1фитерия средних напряжеттий для более общего случая сложного напряжённого состояния: ' ■

ё^-^ыу/т^. ' о)

Здесь Уц- объём, по которому производится осреднение.

Деформирование и разрушение- графита при циклическом 1т>учении. В выполненных ранее'работах практически не исследовалось циклическое кручение. В данной работе исследования прбводшш с -целью изучения влияния градиента нацряжений на условия деформирования и разрушения при циклическом нагружении. Разработана методика, позволяющая проводить испытания на мапоцшювое кручешю трубчатых и сплошных образцов. При этом испытательная установка была модернизировав на на повышенные _ температуры. Нагрев образца осуществляли с помощью карбидокремниевого нагревателя КЭНБ, помещаемого вовнутрь

образца. Для уменьшения окисления в полость образца подавали инертный газ - аргон. Кроме того, с стой же целью, а также для большей равномерности температурного поля по длине внешнюю поверхность обра ща изолировали асбестовой нитью. Испытания проводили при температурах 20 и 700 °С в мягком пульсирующем и симметричном, а также в жёстком пульсирующем и симметричном циклах.

Обнаруженные три кручении закономерности циклического деформирования и разрушения - циклическое разупрочнение, изменен "о петель гистерезиса по мере развития процессов рассеяшого разрушения, циклическая ползучесть и циклическая релаксация при мягком и жёстком погружении, соответственно, падение малоцикловой прочности о увеличением температуры - в основном соответствуют растяжению и сжатию.

Разрушение образца в мягком пульсирующем цикле' удовлетворительно описывается деформационным критерием квазистатического разрушения: полная (с учетом накопленной) разрушающая деформация примерно равна предельной деформации ^а при статическом нагруже-шш. Различие величин ^^ и но превышает 25%, что соответствует разбросам деформационных характеристик при однократном нагру-жении.

Некоторые отличия от растяжения-сжатия наблюдаютс~ в мягком симметричном цикле. При больших размахах наблюдается непрерывное уменьшение "наклона петли.гистерезиса. У отдельных образцов обнаруживается незначительная циклическая ползучесть, направление которой но зависит от направления первого нагружения. Однако величина полной односторонней деформации в момент разрушения не достигает разрушающей деформации при статическом погружении, составляя лииг (0,75-0,9)^ . Отметим, что'данное отклонение является систематическим: для всех образцов, как правило, меньше . Таким образом,, в отличие от растяжения-сжатия'в данном случае деформационный критерий, по-видимому, неприменим. Кроме того, заметно пада-. вт число циклов до разрушения по сравнению с пульсирующим циклам, чего не наблюдается при линейном напряжённом состоянии.

Шла сделана попытка оценки малоцикловой прочности при плоском напряжённом состоянии по данным растяжения-сжатия. Получено, тго предельное напряжение при кручении для случая мягкого пульсирующего цикла, как и статическая прочность, с удовлетворительной точностью может быть рассчитано через соответствующую кривую при линейном напряжённом состоянии с помощью модифицированного критерия энергии деформации.

Установлено, что с приемлемой точностью разрушение неравномерно нагруженных графитовых образцов при циклическом кручении (как и при статическом) может прогнозироваться с помощью критерия прочности по сродним"напряжениям. Критерий в этом случае имеет вид:

д = / & и V/]а V=д<?Л со

где дСыг- эквивалентный'размах напряжений, вычисляемый по критериз (8) (вместо величин главных напряжений в формулу необходимо подставить их размахи); дб^- размах напряжений при растяжении, соответствующий данному числу циклов до разрушения Л^/ (снимается с кривой малоциклового разруше'.г.ш при растяжении). Выполнимость критерия проверена для сплошных образцов в случае шгкого пульсирующего цикла (рис.5). Отменил, что структурный параметр имеет то же значс-¡ше, что и при статическом изгибе.

'2 4 ъ го ча юо гоо чоо юоо гхомсо

Рис,5. Кривые малоциклового разрушения при кручешш сплошных и . . трубчатых образцов (графит ГР-280, 20 °С, мягкий пульсирующий цикл): I - трубчатый образец, 2 - сплошной образец (эксперимент), 3 - сплошной образец (расчёт)

Экспериментальная проверка и практическое применение критерия средних напряжений. Для установления границ применимости критерия инвариантность структурного параметра была проверена для других видов нагружения", в частности, поперечного изгиба, когда напряжения изменяются по' двумя осям, и -нагружения цилиндра внутретппл давлением. Кроме того, рассматривались случаи более высоких градиентов -- растяжение образца с нарушением геометрической однородности и иа-груяенио Фела с тр'ещиной. Если напряжения изменяются по двум или' 'трём осям,-необходимо уточнить вид области . В качестве гипотезы был предложен один из вариантов, согласно которому она имеет вид

эллипсоида. Болыпая полуось данного эллипсоида, очевидно, равна т*. 1оскольку с увеличением максимального градиента напряжений разруше-тее становится более локализованным, другие размеры (полуоси /71« и тг) примем зависимыми-от отношений градиентов в разных направлениях: .

Здесь максимальный градиент напряжений; градиенты по

хвум другим осям. Отметим, что если градиент напряжений в одном из направлений незначителен, эллипсоид вырождается в эллипс. В результате получено, что критерий средних напряжений позволяет с удовлетворительной точностью прогнозировать разрушение ттри перечисленных видах нагруяения. Таким образом, структурный параметр можно считать константой материала, не гэвисящей от схемы нагругения. Приближенность этого подхода очевидна, но тем не менее он позволяет более обоснованно подойти 'к оценке прочности.

Следует отметить, что применение критерия к телу с нарушением геометрической однородности и с трещиной позволило расширить границей его применимости. Поскольку градиенты высоки, напряжения в точке разрушения, строго говоря, не могут быть рассчитаны по критерию средних напряжений. Однако, поскольку осреднение производится по представительному объёму, критерий позволяет с достаточно высокой точностью прогнозировать интегральные прочностные характеристики, гакпе как номинальное разрушающее напряжение и коэффициент интенсивности напрякешгй К:с • Кроме того, из критерия вытекает зависимость А/с от длины, трещины, т.е. аналог^-кривой для пластичного материала.

С использованием критерия сделана оценка прочности реальных графитовых деталей - блоков ядерных -реакторов и электродов дуговых электросталеплавилышх печей. Показано, что учет градиентов напря-кений позволяет белее точно прогнозировать йомент образовать макротрещин.

Критерий средних напряжений включён в "Нормы расчёта на прочность типовых узлов и деталей из графита уран-графитовых канальных реакторов НГР-01-90". . „

о

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Й ВЫВОДЯ. 5 . ' . ••

I. На основашш проведёшшх испытаний образцов из двух марок . реакторного графита на чистый изгиб с варьированием формы и раэме-.

ров поперечного сечения установлено, что диаграммы деформирования растянутых слоев при различных градиентах практически бовпадыот, разница состоит лишь в разрушающих напряжениях и деформациях.

2. Проведённые расчётные и экспериментальные исследования по казали, что в отличие от ряда других материалов повышение прочности графитов с ростом градиентов'напряжении не макет быть объяснен! только влиянием нелинейности диаграммы деформирования и жёсткости испытательных систем.

3. На основании исследования микродеформауш драрита с помощью кепочки тонзорезисторов малой базы, соизмеримой с размером зерна, а также методом голографической интерферометрии установлен! что основным механизмом увеличения прочности структурно-неоднородного графитового материала'с ростом градиента напряжении является более медленное развитие локальных микротрещин, связанное с переходом их вершин в области с меньшим уровнем напряжений. Замеры локальных зон микротрещин на образцах прямоугольного сечения показали, что разрушение (образование ыакротрсщины) происходит, когда абсолютный размер зоны достигает предельной величины, равной некоторому структурному параметру.

. 4. Установлено, что разрушение изгибаемых графитовых образцо] удовлетворительно описывается критерием прочности по средним напр; жениям, согласно которому разрушение происходит, когда напряжение, осреднённое по структурному параметру, достигает'предела прочноси цри равномерном растяжении. Кроме того, проведённый анализ экспер; ментальных данных, полученных автором и другими исследователями, показал, что цриближённо, с учётом разбросов, структурный параметр можно считать константой материала, не зависящей от схема нагруже-ния,- направления вырезки,- температуры.

' 5. Установлено, что при высоте растянутой зоны изгибаемого о< разца меньше структурного параметра, но больше суммарной длины 6-1 зёрен,' не наблюдается возрастания предела прочности и'разрушающей деформации с ростом градиента,- •

'6. Определена .мйтшальная величина градиента напряжений, ниже которой влиянием неоднородности напряжённого состояния на цроч-ность графитовой детали можно пренебречь. Она рассчитывается чере; структурный параметр. . .

7» Проведены -испытания при плоском напряжённом состоянии в области двухосного растяжения-сжатия. Построенная по экспериментальным данным поверхность разрушения для графита ГР-280 с доста-

точно шсокоц точностью описывается модифицированным критерием энергии деформации.

8. Разработана методика и проведены испытания на малоцикловоэ кр. чоние в условиях нормальной и повышенных температур. Обнарунен-шзе при кручении закономерности циклического деформировашш и разрушения в основном соответствуют растяжению и сжатию. В отличие от линейного напряжёьюго состояния при кручении в мягком симметричном цикле наблюдается заметное падение числа циклов до разрушения по сравнению с пульсирующим циклам. Кроме того, в данном случае деформационный критерий дал значительную ошибку.

9. Установлено, что с приемлемой точностью разрушение неравномерно нагруженных графитовых образцов при циклическом кручении мажет прогнозироваться с помощью критерия прочности по средним напряжениям. При этом переход от растяжения к кручению осуществляется посредством модифицированного критерия энергии деформаций.

10. С использованием критерия средних напряжений сделана уточ-нё1шая оценка прочности реальных графитовых деталей - блоков ядерных реакторов и электродов дуговых печей. Результаты работы частично вопли в "Нормы расчёта на прочность тппоеых узлов и деталей из графита уран-графитовых канальных реакторов HIP-0I-90" и используются на предприятиях НйКИЭТ, ИЛЭ им.Курчатова, ОКЕМ г.Нижний Новгород при проектировании аппаратоз тша ВНР. .

*

Осношшо результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ивапков И.А. Методика испытаний и расчёта конструкционного графита при изгибе //Проблемы повышения прочности элементов машиностроительных конструкций: Тез.доют./Можреспубликанская студенческая научно-техническая конференция, Пермь, февраль IS83 г.- Пермь, 1983,- С.54-55.

2. Механика деформирования графптировшкых материалов при изгибе /В.Г.Артельных, В.П.Качаэв, И.А.Ивезков и др.//Повшенпе качества и эксплуатационной стойкости 'углеродной продукции: Тез.докл.

и сообщ./У Всесоюзная конференция электродной промышленности, Челябинск, сентябрь 1983 г.- Челябинск, 1983.- С.130-13^.

3. Исследование влияния жёсткости нагружения на деформационные и прочностные характеристики графита /И.А.Ивашков, И.В.Кожевников, А.Ю.Постников, А.0.Чернявский //Современные достижения в области исследования, производства и эксплуатации углеродных материалов и изделий: Тез.докл. и сообщ./Всесоюзная конференция моло-

дых учёных и специалистов, Челябинск, май 1984 г.- Челябинск, 1984. - С.67-68. .

4. Исследование 'механики деформирования графитовых материалов при изгибе /И.А.Ивашков, И.В.Кожевников, А.Ю.Постников, А.О.Чернявский //Современные достижения в области исследования, производства и эксплуатации углеродных материалов и н~лелий: Тез.докл.и сообщ. /Всесоюзная конференция молодых учёных и специалистов, Челябинск, май 1984 г.- Челябинск, 1984,- С.72.

5. Деформационные и прочностные характеристики графита при силовом и кинематическом нагружснш /И.А.Ивашков, И.В.Кожевников, А.Ю.Постников, А.О.Чернявский //Прочность чалшн И аппаратов цри переменных нагрукениях: Тематический сб.науч.тр./Под ред. Д.А.Гох-фольда.- Челябинск: ЧШ1, 1985.- С.87-93.

■ 6. Ивашков И. А., Ботов С Л1., Нккавдров В.В. Деформирование и разрушение конструкционных графитов при сломом неоднородном напрядённом состоянии //Участие молодых учёных и специалистов в реконструкции и модернизации предприятий, во внедрении новой техники и ■ технологии: Тез.докл.и сообщ./Областная научно-практическая конференция, Челябинск, октябрь 1986 г.- Челябинск, 1986.- С.14.

7. Ивашков И.А. Влияние градиента напряжений на деформирование и разрушение графитовых материалов //Прочностные и деформационные характеристики машин и конструкций: Мсквуз.сб.науч.тр./Под ред.В.Л. Колмогорова,- Пермь: 11ПИ, 1988.- С.56-65.'

. .8. Пешков И.А., Калагина С.М. Влияние градиента напряжений на разрушение графитовых материалов //Актуальные проблемы маипшоведе-ния: Тезисы докгг./ХП Юбилейная конференция молодых учёных Института ..машиноведения, Москва, январь 1989 г.- М., 1989,- С. 100.

;9.-Ивашков И.А., Калагина С.М..Влияние градиента напряжений на разрушение графитовых материалов //Прочность машин и аппаратов при . перемешшх нагружениях: Тематический сб.науч.тр./Под. ред.О.Ф.Чернявского.- Челябинск: ЧПИ, 1989,- С.61-69.

10. Ивашков* И.А. Влияние градиента напряжений на разрушение графитовых материалов //Прочность машин и аппаратов при переменных нагруяениях: Тематический сб.науч.тр./Под ред. И.Я.Березина.- Челябинск: ЧГТУ, 1991.- С.63-67.

TL.TvasMov I.A. Stress gradient effect on graphite ~fT>orterio'£s fracf¿/r>e//Fracture mechanics: successes алс/ proSPems ■ Confection oferfafraefc/fighth Inlenncrfonarf Conference on fracture, ¿Jtraéne,K'e^jt/ne

... Ш8Г ■