Введение к работе
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 предразрушения, 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 выявлаемые 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 свагжи 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-
нию компьютеров в сварке в июне 1991 (г.Ленинград); 4-х Международных конференциях: молодежной "Космонавтика-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.
Похожие диссертации на Синергетический подход к оценке сопротивляемости замедленному разрушению элементов сварных конструкций
