Физические основы прогнозирования разрушения гетерогенных материалов Савельев, Владимир Николаевич

Введение к работе

Актульность. Проблема прогнозирования макроскопического разрушения крупногабаритных конструкций, плотин, тоннелей, массивов горных пород, приводящих к горным ударам и землетрясениям, является, в настоящее время, весьма важной, особенно, в нашей стране. Многие объекты магистральных трубопроводов, технологические аппараты нефтеперерабатывающих заводов, энергетическое оборудование тепловых и атомных электростанций выработали свой ресурс и могут представлять большую опасность при аварийных разрушениях.

Настоящая работа направлена на разработку универсальных подходов к прогнозированию макроскопического разрушения материалов и объектов на основе исследований процесса разрушения на различных масштабных уровнях. В процессе ее выполнения была развита экспериментальная и приборная база для исследования процесса разрушения в лабораторных условиях и на реальных конструкциях. Это позволяет считать выбранное направление исследований актуальным как с научной точки зрения, так и для инженерных приложений.

Цель исследования. Основная цель диссертации - выяснение характерных закономерностей процесса разрушения конструкционных и природных материалов с целью разработки физических основ прогнозирования макроскопического разрушения.

При этом решались следующие конкретные задачи.

1. Разработка методов исследования процесса разрушения конструкционных материалов на различных масштабных уровнях.

2. Изучение кинетики процесса разрушения материалов и выявление его основных характерных стадий.

3. Анализ физических основ и критериев прогнозирования макроскопического разрушения материалов.

4. Исследование влияния масштабного фактора на основные закономерности процесса разрушения материалов.

5. Реализация развитых критериев прогнозирования макроскопического разрушения материалов на реальных объектах.

6. Создание аппаратного акустико-эмиссионного комплекса для исследования разрушения твердых тел и диагностирования реальных конструкций с целью прогнозирования и предотвращения их разрушения.

Защищаемые положения. 1. Разрушение конструкционных материалов является термоактива-ционным процессом накопления и развития микротрещин.

2. Процесс разрушения протекает в две стадии: множественное
накопление микротрещин с формированием локализованного очага
разрушения на первой стадии, и ускоренное развитие очага разрушения
на второй заключительной стадии.

3. Переход от первой стационарной стадии множественного накопления микротрещин к стадии ускоренного развития очага разрушения служит наиболее универсальным предвестником макроскопического разрушения материала.

4. Метод акустической эмиссии является наиболее информативным и надежным физическим инструментом контроля за процессом разрушения материалов на различных масштабных уровнях.

Научная новизна. Впервые детально исследовано накопление субмикроскопических трещин в металлах и показано, что они определяют процесс разрушения и лимитируют долговечность нагруженного образца. Показана применимость двухстадийной модели разрушения для конструкционных материалов. Разработаны физические основы прогнозирования макроскопического разрушения материалов. Детально изучена акустическая эмиссия при образовании трещин, и выявлены количественные связи между параметрами трещин и акустико-эмиссионных сигналов. По закономерностям излучения сигналов акустической эмиссии оценена скорость роста усталостных трещин. Впервые показана принципиальная возможность прогнозирования разрушения реальных конструкций.

Достоверность результатов. Достоверность основных результатов полученных в диссертации обусловлена использованием современных физических методов исследования, большим числом экспериментов, широким ассортиментом материалов, применением ЭВМ как для сбора и хранения информации, так и для ее дальнейшей обработки и анализа. Многие экспериментальные результаты находятся в согласии с подобными результатами, полученными в других научных центрах. Некоторые методики прошли согласование в Госгортехнадзоре России, имеются лицензии на проведение соответствующих работ на объектах, подконтрольных Госгортехнадзору России, получен патент.

Практическая значимость. Полученные результаты впервые позволили сформулировать физические основы прогнозирования разрушения и предложить конкретные прогностические признаки готовящегося макроскопического разрушения. Осуществлена адаптация метода акустической эмиссии для использования его на объектах газовой промышленности. Проведено техническое диагностирование многих

объектов газовой, нефтехимической и энергетической промышленности. Разработана и изготовлена акустико-эмиссионная система для технического диагностирования объектов газовой промышленности.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

VII Всесоюзной конференции по физике прочности и пластичности металлов и сплавов, Куйбышев, 1973;

IV Всесоюзной конференции "Физика разрушения", Киев, 1980;

Всесоюзном совещании "Физические основы микромеханики разрушения", Ленинград, 1980;

II Американо-советском симпозиуме "Разрушение композитных материалов", США, Пенсильвания, Лихайский университет, 1981;

VIII Всесоюзной конференции по усталости металлов, Москва, 1982;

-1 Всесоюзной конференции "Акустическая эмиссия материалов и конструкций", Ростов-на-Дону, 1984;

Ill Всесоюзной конференции по акустической эмиссии, Кишинев, 1987;

III Всесоюзной научно-технической конференции "Использование современных методов в неразрушающем контроле", Хабаровск, 1987;

Конференции по методам оценки трещиностойкости, Челябинск, 1989;

Всесоюзной школе-семинаре "Физические основы прогнозирования разрушения горных пород", Фрунзе, 1987, Иркутск, 1988, Ленинград, 1991;

III Международной деловой встрече "Диагностика-93", Ялта, 1993;

-1 международной конференции "Актуальные проблемы прочности", Новгород, 1994;

-1 Международной конференции "Энергодиагностика", Москва, 1995;

57-ой Конференции и технической выставке EAGE, Шотландия, Глазго, 1995;

XVI Международном тематическом семинаре по диагностике оборудования компрессорных станций, Одесса, 1996;

-14 Российской научно-технической конференции "Неразрушаюший контроль и диагностика", Москва, 1996;

7-ой Международной деловой встрече "Диагностика-97", Ялта, 1997

Юбилейной конференции "ЦКТИ-70", Санкт-Петербург, 1997.

Г>

- VII Конференции стран СНГ по проблеме "Радиационная
повреждаемость и работоспособность конструкционных материалов",
Белгород, 1997;

1 Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности" им. В.А. Лихачева и XXXIII семинаре "Актуальные проблемы прочности", Новгород, 1997;

Семинаре "Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования", Санкт-Петербург, 1997;

8-ой Международной деловой встречи "Диагностика-98", Сочи, 1998;

9-ой Международной деловой встречи "Диагностика-99", Сочи, 1999;

19-м Тематическом семинаре "Диагностика оборудования КС", Калининград, 1999;

Международном симпозиуме WHEC "Гипотезы III, Водородная энергетика, теоретические и прикладные аспекты", Санкт-Петербург, 1999;

35-м Международном семинаре "Актуальные проблемы прочности", Псков, 1999.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 57 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Содержание диссертации изложено на 174 страницах машинописного текста, текст содержит 5 таблиц и 83 рисунка. Работа состоит из введения, 6-ти глав и заключения. Список цитируемой литературы включает 212 наименований.