Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изучения проблемы усталостного разрушения
1.1. Феноменология усталостного разрушения 12
1.2. Модели, описывающие усталостное разрушение 18
1.3. Методы и средства испытаний 25
1.4. Акустическая эмиссия в усталостных испытаниях 33
1.5. Свойства сплавов циркония для оболочек твэл 42
1.6. Характеристики вибрации оболочек твэл 46
1.7. Основные задачи исследования 47
2. Методика испытаний 49
2.1. Выбор и обоснование схемы нагружения 49
2.2. Экспериментальные средства 56
2.2.1. Устройства для изучения статических диаграмм деформирования 56
2.2.2. Устройства для изучения динамических диаграмм деформирования 62
2.2.3. Компьютеризованная оптическая система 66
2.2.4. Акустическая система 67
2.2.4.1 .Структурная схема регистрирующей системы 67
2.2.4.2. Регистрация акустической эмиссии 69
2.2.4.3. Регистрация колебаний в измерительной капсуле
2.3 Выводы по главе 2 82
3. Моделирование деформации образцов в статическом и динамическом режимах
3.1 Цель исследований 84
3.2. Исследования в статическом режиме 86
3.3. Исследования в динамическом режиме 109
3.4. Высокотемпературные исследования образцов сплавов циркония 112
3.5 Выводы по главе 3 116
4. Исследование усталостной долговечности циркониевых сплавов для оболочек ТВЭЛ
4.1. Испытательное устройство 119
4.2. Методика испытаний 126
4.3. Исследование усталостной долговечности циркониевых сплавов для оболочек твэл в состоянии поставки 127
4.4 Испытания облученных образцов 135
4.5 Результаты сравнительных испытаний сплавов циркония при воздействии и без воздействия йодного пара 138
4.6 Общие закономерности проявления акустической эмиссии 144
4.7 Выводы по главе 4 145
Заключение 147
Список цитированной литературы 152
- Акустическая эмиссия в усталостных испытаниях
- Устройства для изучения динамических диаграмм деформирования
- Высокотемпературные исследования образцов сплавов циркония
- Исследование усталостной долговечности циркониевых сплавов для оболочек твэл в состоянии поставки
Введение к работе
Актуальность работы
Усталостью материала называется его разрушение под влиянием периодической динамической нагрузки при напряжениях, значительно меньших, чем предел прочности [39]. Например, для стали 45 предел усталости составляет всего около 40% предела прочности.
Исследованиям и диагностике усталостного разрушения материалов посвящено большое количество исследований, однако проблемы остаются далекими от разрешения. Проблема усталости труб тем более актуальна, что, как установлено в последнее время, усталостное разрушение при вибрации труб может наблюдаться при малых уровнях переменных напряжений, чему ранее не уделялось должного внимания. Например, вибрационная усталость является одной из причин преждевременного разрушения трубопроводов в топливно-энергетическом комплексе.
В силу статистического характера усталостного повреждения получение надежных данных и их обобщение являются очень трудоемкой задачей, особенно при испытаниях материалов в экстремальных условиях — при воздействии высокой температуры, агрессивных сред, высоких статических и динамических нагрузок, ионизирующих излучений.
К числу особенно трудных задач следует отнести изучение усталостных характеристик оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) в указанных условиях. Из-за различия коэффициентов теплового расширения двуокиси урана и материала оболочек твэл водоохлаждаемых энергетических реакторов, после длительной эксплуатации возможно возникновение плотного контакта топлива с оболочкой. Поэтому при изменениях мощности реактора в оболочке могут возникать значительные знакопеременные напряжения, способные привести к разрушению последней. Возникающее сложнонапряженное состояние характеризуется наличием осевых и окружных компонент напряжений с наложением статических и динамических составляющих. При увеличении мощности реактора оболочка подвергается растяжению при механическом взаимодействии с топливной таблеткой, а в последующий период снижения мощности, когда контакт между топливом и оболочкой может быть потерян, оболочка в поперечном стать овальной в результате медленного сплющивания, происходящего от разности давлений внутри и снаружи оболочки. Кроме того, вследствие вибрации твэлов может возникать многоцикловая усталость.
Имеющиеся литературные данные о многоцикловой и малоцикловой усталости сплавов для оболочек твэл представляются достаточно разрозненными и плохо согласующимися между собой. Большая часть результатов до сих пор получена при испытаниях на растяжение — сжатие, где эффекты овализации оболочки не учитываются.
Изучение усталостной долговечности оболочек твэл является важным этапом создания и пополнения базы данных о свойствах реакторных материалов и имеет существенное значение при проектировании перспективного ядерного топлива для энергетических ядерных реакторов, работающих в режиме маневрирования мощностью. При этом важно не только знание числа циклов до разрушения оболочки, но и динамика развития усталостных повреждений.
Вместе с тем усталостные испытания оболочек, особенно облученных, являются одними из наиболее трудоемких испытаний. Например, при базе испытаний 108 циклов и частоте нагружения 100 Гц требуется около 280 часов на проведение одного эксперимента.
Решение проблемы усталостной долговечности связано с необходимостью проведения большого объема испытаний, в частности облученных образцов при высокой температуре. Требуется набор статистических данных, результаты зависят от множества факторов, в том числе трудно контролируемых, таких, например, как состояние поверхности облученного образца. К числу влияющих на усталость параметров относятся форма и размеры образца, вид напряженно-деформированного состояния, сочетание статических и динамических нагрузок, частота циклирования. Усталостные испытания при малых переменных нагрузках весьма продолжительны. Поэтому желательно проведение усталостных испытаний на малых образцах с помощью высокопроизводительных методик и установок, что связано с необходимостью отработки ряда методических вопросов.
Специфика испытаний облученных образцов, вырезанных из оболочек твэл, не позволяет использовать стандартные методики и образцы [34]. Причинами этого являются как сложность испытаний, так и их высокая стоимость. Например, удовлетворяющие требованиям государственных стандартов испытания гладких цилиндрических образцов на растяжение, в результате которых определяют предел прочности ав, условный предел текучести g0 2, общее 50 и равномерное 5р относительное удлинение, требуют применения образцов, длина которых должна быть не менее 25 мм. Набор сколько-нибудь надежных статистических данных, требующихся для исследования усталости, особенно облученных образцов при высокой температуре, представляется проблематичным и непомерно дорогостоящим в сложившихся экономических условиях.
В связи с большой длительностью и высокой стоимостью указанных испытаний актуальны вопросы сокращения их длительности за счет применения прогнозирующих моделей, использующих наблюдения за изменением параметров, связанных с начальными стадиями усталостного разрушения. К числу таких параметров относятся акустические параметры — резонансные частоты и их изменения, характеристики сигналов акустической эмиссии.
Известны методы изучения развития усталостного повреждения, основанные на анализе экспериментально полученных кривых циклического нагружения (деформирования). Обладая рядом достоинств, в первую очередь наглядностью получаемых результатов, соответствующие методики, вместе с тем, обычно не позволяют зарегистрировать начальный этап зарождения трещин. Изучение динамики их развития также затруднительно из-за совместного влияния пластической деформации и трещинообразования на результирующую кривую циклического деформирования.
В данной работе проведен анализ вариантов методических, аппаратурных и конструкторских решений, имеющих целью проведение исследований при циклическом нагружении в широком интервале температур и величин деформации, как статической, так и динамической. На основании анализа были проведены разработка методики, обоснование режимов, проектирование, конструирование, изготовление и наладка установки и аппаратуры для проведения указанных исследований. Разработанные для испытаний методики и аппаратура ориентированы на испытания материалов оболочек твэл при температуре до 400 С, включая образцы, облученные высоким флюенсом (порядка 10 быстрых нейтронов/см и более).
Малые размеры образцов и примененная методика исследований существенно повышают эффективность испытаний и стоимость облучения образцов.
Одной из существенных проблем при проведении ускоренных усталостных испытаний на малых кольцевых образцах, является определение значений максимальных напряжений и деформаций в цикле. В области пластических и упруго-пластических деформаций необходимо разделение упругой и пластической компонент, что является достаточно сложной проблемой. Еще более сложным оказывается определение напряжений в цикле при наличии пластической компоненты деформаций.
Значительное внимание уделено анализу влияния асимметрии цикла на усталостную долговечность, что связано с реальным нагружением оболочки твэл, подвергающейся статическому деформированию под действием давления осколочных газов под оболочкой и давления теплоносителя, подверженного флуктуациям [105]. Проведена отработка соответствующих методик испытаний, а также измерительных и нагружающих узлов. Кроме того, на основе полученных данных проработаны вопросы создания моделей, описывающих усталостное поведение сплава. При высокой температуре получены результаты, представляющие практический интерес и пополняющие базу данных о свойствах ядерного топлива, причем для их интерпретации привлечены представления, развитые на основе результатов измерений при нормальной температуре.
Проблема усталостной долговечности циркониевых оболочек твэл включает в себя проблему коррозионной усталости [28]. Наиболее опасным, по-видимому, является воздействие на внутреннюю поверхность оболочки осколочных газов — продуктов деления урана, способных при воздействии растягивающих механических напряжений привести к коррозии под напряжением (КРН). Последняя, как известно, завершается коррозионным растрескиванием (КР). Наиболее опасным с точки зрения коррозионного растрескивания считают газообразный йод [74]. Проблема йодного коррозионного растрескивания может усугубляться усталостными явлениями, обусловленными переменными напряжениями при изменении мощности реактора. Совместное воздействие статических и динамических растягивающих напряжений в условиях воздействия осколочных газов — продуктов деления, в первую очередь паров йода, может привести к заметному снижению ресурса оболочек твэл.
В связи с этим актуальной является задача определения усталостной долговечности оболочечных материалов при циклическом нагружении в условиях воздействия паров йода. При этом значительный интерес представляет наблюдение динамики развития усталостного повреждения в указанных условиях.
В принципе можноо смоделировать деформацию оболочки, используя чередование внутреннего и внешнего избыточных давлений, но на практике это намного сложнее, чем испытания, выполняемые с использованием изгиба, что и было применено нами в ходе исследований.
Проблемы усталости возникают и в других отраслях топливно-энергетического комплекса [26, 58, 59, 61, 86, 87], например в трубопроводах высокого давления в газопроводах, а также полиэтиленовых труб низкого давления в газораспределительных системах. Преимуществами последних по сравнению со стальными трубопроводами являются высокая коррозионная стойкость, хладостойкость (полиэтиленовые трубы сохраняют эластичность до -40 С), возможность намотки на барабан, возможность укладки труб без рытья траншей, регулировки потока путем сдавливания трубы и ряд других. При применении полиэтиленовых труб для протяжки в стальных трубах стоимость строительных работ снижается в 1,5 ... 2 раза по сравнению с прокладкой новых стальных газопроводов. Соединение полиэтиленовых труб может проводиться плавлением торцевых участков под действием токов высокой частоты или с помощью электроплавких фитингов. Однако особенностью полимерных материалов, в частности полиэтилена, является изменение их механических свойств под напряжением со временем, поэтому для пластмассовых труб необходимы испытания на длительную прочность и усталость при воздействии частых изменений внутреннего давления. Актуально изучение усталостных явлений и в металлических трубах надземных газопроводов, установленных на опорах и подвергающихся значительному воздействию ветровых нагрузок [62].
Цель и задачи исследований
В соответствии с изложенным, были сформулированы следующие основные задачи исследования: определение стратегии создания методик и устройств для высокопроизводительных и экономически эффективных усталостных испытаний материалов труб в экстремальных условиях; создание и обоснование методик упомянутых испытаний на кольцевых образцах, вырезанных из реальных твэльных труб; обоснование и применение комплекса акустических методик, обеспечивающих проведение усталостных испытаний на кольцевых образцах; разработку испытательных узлов и капсул для проведения усталостных испытаний образцов, вырезанных из оболочек твэл, в том числе облученных, при воздействии высокой температуры и агрессивной среды йодного пара; проведение исследований усталостной долговечности материалов труб, в том числе облученных оболочек твэл.
Методы исследований
Значительные возможности исследования свойств материалов в условиях воздействия высокой температуры, ионизирующих излучений и коррозионных сред предоставляют акустические методы, разработанные в МИФИ. Опыт разработки и применения соответствующих методик, приборов и установок обобщен в частности в [9, 60, 81 и др.]. Их преимущество заключается в возможности исследования широкого круга физических свойств материалов и их изменения при воздействии указанных внешних факторов.
Для подобных исследований развиты акустико-эмиссионный метод и акустический спектроскопический метод, являющийся развитием резонансного метода и использующий регистрацию большого числа спектральных пиков образца и характера их изменений под действием возмущающих внешних факторов и внутренних дефектов. Кроме акустического метода, при отработке методик использованы оптические методы, которые привлекались для изучения деформационных характеристик образцов и контроля состояния образцов до, во время и после проведения экспериментов.
Научная новизна работы
С научной и практической точек зрения новыми являются: методики и устройства для изучения диаграмм деформирования при изгибе цельных и разрезных кольцевых образцов в их плоскости в статическом и квазистатическом режиме в области упругих и упругопластических деформаций с применением оптического и акустического методов; экспериментальное обоснование разработанных ранее теоретических положений об использовании изгибных деформаций, характеризующихся неоднородным распределением по образцу, при усталостных испытаниях кольцевых образцов; методики регистрации и обработки акустических сигналов с целью их классификации по источникам происхождения; методика определения динамического предела текучести материала образцов в режиме циклического нагружения; герметичная капсула для испытаний облученных образцов материалов оболочек твэл при высокой температуре в агрессивной среде, когда наблюдение за образованием трещин в образцах и контроль условий эксперимента осуществляются акустическим методом; результаты высокотемпературных усталостных испытаний материалов оболочек твэл как в состоянии поставки, так и облученных большим флюенсом быстрых нейтронов, в нейтральной среде и среде йодного пара.
Практическая значимость работы
В результате выполнения работы созданы и экспериментально обоснованы методики и средства для усталостных испытаний и их обоснования, представляющие практический интерес при последующих испытаниях материалов на усталость, в том числе испытаниях в экстремальных условиях: комплекс экспериментальных средств для испытаний на усталость кольцевых образцов, вырезанных из труб, включая высокотемпературные испытания облученных образцов циркониевых сплавов из оболочек твэл ядерных реакторов; методика измерения температуры без применения термопар по величине изменения резонансной частоты системы, обусловленного температурной зависимостью модуля упругости образца; методика определения момента дефрагментации образца по возникновению акустического сигнала ударного характера при проведении испытаний в герметичной камере; методика контроля жесткости защемления образца в захватах по отсутствию специфических сигналов, возникающих при появлении люфтов в узлах защемления; методика контроля наличия среды при испытаниях в герметичной камере (например, наличия йодного пара при испытаниях на йодное растрескивание), посредством регистрации акустических сигналов;
Кроме того, определено влияние характера начальных циклов на диаграммы последующих циклов; получены характеристики усталости материалов оболочек твэл, в частности облученных, при температуре до 400 С.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 14-й и 15-й научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» в 2002 и 2003 гг. соответственно, на научных сессиях МИФИ 2002 и 2003 гг. (секция «Научно-инновационное сотрудничество Минатома РФ и Минобразования РФ», а также на семинарах в МИФИ, ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, ГНЦ «Курчатовский институт», ИМЕТ им. А. А. Байкова, МГТУ им. Н. А. Баумана.
Публикации
По материалам, вошедшим в диссертацию, выпущено 8 отчетов, сделано 4 доклада на конференциях, опубликованы 4 статьи в рецензируемых журналах.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.
На защиту выносятся разработанные и полученные лично соискателем: методика усталостных испытаний кольцевых образцов материалов в экстремальных условиях, основанная на анализе характеристик колебаний измерительной системы, содержащей исследуемый образец в качестве упругого элемента, и возникающих при испытаниях акустических сигналов; методика изучения диаграмм деформирования при изгибной деформации в статическом и квазистатическом режиме с применением акустического и оптического методов; комплекс экспериментальных средств испытаний на усталость кольцевых образцов, вырезанных из труб, включая высокотемпературные испытания облученных образцов из циркониевых сплавов для оболочек твэл; методики и средства регистрации, обработки и классификации акустических сигналов, возникающих при усталостных испытаниях кольцевых образцов материалов в экстремальных условиях. результаты усталостных и коррозионно-усталостных испытаний образцов, вырезанных из оболочек твэл, в частности образцов, облученных флюенсом 2,2-1022 быстрых нейтронов на кв. см, при температуре до 360С.
Акустическая эмиссия в усталостных испытаниях
Испытуемый образец выполнен в виде кольцевого отрезка оболочки твэ-ла с разрезом, полученным при помощи двух поперечных пропилов у конца оболочки. На свободном конце разрезанного кольца с внутренней и внешней его стороны закреплены постоянные магниты из самарий — кобальтового сплава, обладающего большой коэрцитивной силой. За счет взаимодействия с переменным магнитным полем возбуждаются изгибные колебания образца. Внутри оболочки для возбуждения магнитного поля размещен длинный стержень из магнитной стали, который служит сердечником соленоида, находящегося у другого конца трубы. При пропускании через обмотку соленоида переменного тока в стержне возбуждается переменное магнитное поле. Частота переменного напряжения, подводимого к соленоиду, выбирается равной резонансной частоте колебательной системы «образец — магниты». Резонансные колебания образца создают в нем переменные механические напряжения, максимальные в плоскости сочленения образца с несущей оболочкой. Тело оболочки одновременно является звукопроводом, передающим сигналы акустической эмиссии из зоны испытаний (активной зоны реактора) пьезопреобразова-телю, закрепленному на конце оболочки вне активной зоны. Вместо длинного отрезка оболочки может использоваться короткий отрезок длиной от нескольких сантиметров, сочлененный с трубой из другого конструкционного материала, например конструкционной или нержавеющей стали.
Система возбуждения колебаний обеспечила получение предельной амплитуды колебаний образца около 2 мм при внешнем диаметре трубки 9,15 мм и толщине стенки около 0,7 мм. При этом уровень механических напряжений достигает 200 МН/м , что превышает предел текучести материала. На указанной частоте число циклов нагружения за 1 час испытаний составляет около 0,9 106, что позволяет в течение месяца непрерывных испытаний получить 6,5 10 циклов. Электромагнитное возбуждение колебаний образца заданием тока, содержащего постоянную и переменную составляющие, обеспечивает возможность регулировки статической и динамической составляющих нагрузки в интервале значений, достигающих предела текучести и превышающих его. Таким образом обеспечивается возможность регулировки асимметрии цикла. Температура образца может регулироваться путем выбора соотношения между частотой и амплитудой колебаний за счет тепловыделения при циклической деформации. Основной недостаток установки — использование длинной трубы-образца, что оправдано для испытаний непосредственно при облучении в реакторе, но нецелесообразно в других условиях.
Наиболее полно удовлетворяющими целям данного исследования являются методики и установки, указанные в [12, 22, 23, 57]. Здесь с целью уменьшения затрат времени и средств на такие испытания, использованы кольцевые образцы высотой 1 ...5 мм, вырезанные из штатных оболочек. При этом возбуждаются колебания образца либо в его плоскости, либо перпендикулярно ей. Для выбранных схем нагружения проведены расчеты напряжений и деформаций в образце как для упругой, так и упруго-пластической областей. Применение подобного подхода позволило начать испытания на малоцикловую и многоцикловую усталость циркониевых сплавов, облученных флюенсами до 2-Ю22 быстрых нейтронов/кв.см на базах до 107циклов при температуре до 360 — 380С, в частности в химически агрессивной среде йодного пара, способного инициировать коррозионное растрескивание оболочки твэл. Последние из указанных разработок послужили основой для развития работ в данном исследовании. В данной работе для исследования динамики образования и роста трещин привлекается метод акустической эмиссии (АЭ), основанный на регистрации упругих волн, возникающих в объекте исследования при его пластической деформации, а также при зарождении и распространении трещин. Будем понимать под акустической эмиссией (АЭ) возникновение в среде упругих волн, вызванное изменением ее состояния под действием внешних или внутренних факторов. Такое изменение всегда происходит дискретно, хотя бы на микроскопическом уровне. Поэтому АЭ — явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, и возможность ее регистрации при протекании большинства процессов определяется чувствительностью аппаратуры. АЭ возникает как в микропроцессах, обусловленных движением мельчайших элементов структуры твердых тел, так и в макроявлениях, связанных с разрушением агрегатов и конструкций [21, 25]. АЭ может проявляться двояко. Если число элементарных событий, приводящих к возникновению упругих волн, велико, а энергия, освобождаемая при каждом событии, мала, то АЭ-сигналы воспринимаются как слабый непрерывный шум, получивший название непрерывной АЭ. Из-за малости энергии, освобождаемой при единичном акте, энергетическое состояние тела меняется незначительно. Поэтому вероятность осуществления следующего такого акта практически не зависит от наличия предыдущего. Вследствие этого физические характеристики непрерывной АЭ меняются со временем сравнительно медленно, что дает возможность описывать данный вид эмиссии как квазистационарный процесс.
Если состояние твердого тела далеко от равновесного, возможны процессы лавинного типа, при которых за малый промежуток времени в процесс вовлекается большое количество элементарных событий. Энергия возникающей упругой волны может на много порядков превосходить энергию упругих волн при непрерывной АЭ. Число отдельных энергетических скачков при этом существенно меньше, влияние каждого предыдущего акта на последующий становится существенным, и процесс возникновения упругих волн уже нельзя рассматривать ни как непрерывный, ни как стационарный. Подобная эмиссия, характеризующаяся дискретностью и большой амплитудой регистрируемых событий, получила название дискретной.
В значительной степени разделение АЭ на два вида условно, так как возможность раздельной регистрации АЭ-импульсов зависит от характеристик аппаратуры, включая преобразователь сигналов, а также свойств объекта, порождающего АЭ. Например, демпфируя преобразователь и объект и уменьшая таким образом постоянную времени затухания их свободных колебаний, можно существенно (на порядки) уменьшить длительность фронтов регистрируемых импульсов и, устранив их наложение, формально перейти от регистрации непрерывной АЭ к регистрации дискретной, хотя физическая сущность явления АЭ не изменится.
Устройства для изучения динамических диаграмм деформирования
После установки образца в зажимных устройствах (захватах) определяется исходное (нулевое) положение стрелки 11 относительно неподвижной шкалы 12. При этом нить 7 провисает под действием силы тяжести. Отодвигая тележку с весами вправо, добиваются натяжения нити при отсутствии смещения стрелки шкалы весов. При необходимости на правую чашу весов укладывают разновес порядка 10 мг. Полученное состояние считается исходным. После этого на правую чашку устанавливают добавочный груз ступенями от 10 до 200 мг. После каждого изменения груза перемещением тележки добиваются уравновешивания весов. В положении равновесия момент, создаваемый грузом на чашке, уравновешивается противомоментом, создаваемым нитью, зацепленной за стрелку весов.
Этот момент обусловлен упругой реакцией образца и моментом, создаваемым силой тяжести при отклонении стержня 6 от вертикального положения.
Следовательно, момент, действующий на образец в месте его защемления, равен разности моментов, создаваемых грузом и силой тяжести. Если известна толщина и ширина образца, а деформация происходит в упругой области, максимальные напряжения рассчитываются по известным формулам.
По известной нагрузке на чашке весов вычисляли момент, действующий на стрелку весов и соответствующую ему силу натяжения нити. По силе натяжения нити вычисляли изгибающий момент на образце с учетом длины подвижного стержня.
Перемещение подвижного стержня измеряли с помощью шкалы 10, пересчитывая перемещение в угол поворота стержня. При больших углах отклонения вводили соответствующие геометрические поправки в расчет момента. Отсчеты по шкале проводили с помощью видеосистемы с точностью около 0,1 мм. Минимальное регистрируемое изменение нагрузки на чашу весов составляло около 10 мг, что соответствовало моменту 4,95 -10-4 Н -м.
Первоначально весы уравновешивали с целью исключения влияния массы нити на начальный отсчет. Для этого на чашку весов устанавливали груз около 20 мг, который обеспечивал отсутствие провисания нити без заметного (за пределами точности регистрации отсчета) изменения исходного положения стрелки 11. Затем при заданной температуре проводили ступенчатое (малыми ступенями, начиная от 0,1 г на чашке весов) нагружение образца, причем при каждой нагрузке уравновешивали весы, перемещая тележку, на которой они были установлены.
После этого по шкале проводили измерение отклонения подвижного стержня 6 от положения равновесия. Очевидно, что нагружающий момент, создаваемый гирями на чашке весов, уравновешивается моментом, возникающим за счет упругого противодействия образца, и моментом, создаваемым возвращающей силой, обусловленной силой тяжести, при отклонении подвижного стержня от вертикали. Для учета последнего момента проводили дополнительные измерения, в которых исключалась упругость подвеса (образца). Образец заменяли нитью длиной около 8 мм и проводили измерения, аналогичные описанным выше. Очевидно, что в данном случае момент, создаваемый грузом на чашке весов, компенсируется только возвращающим моментом, создаваемым отклоненным подвижным стержнем нагружающего устройства. Таким образом, была получена зависимость компенсирующего момента от угла отклонения стержня, и этот компенсирующий момент вычитался из момента, создаваемого грузом на весах при последующих измерениях на исследуемых образцах.
Полученные значения момента, действующего на образец, пересчитывали на 1 мм ширины образца, благодаря чему получали нормированные данные. Формулы для пересчета регистрируемых величин — нагрузки на чашку весов Р и величины отклонения стрелки Aw получим, исходя из соотношения (2.6). Обозначим через L расстояние от середины защемленного сечения образца до отсчетной шкалы (рис. 2.6), Z,, — расстояние от той же точки защемления до точки приложения силы, L2 —длину половины коромысла весов, L3 — длину рычага от точки опоры коромысла весов до точки приложения усилия сопротивления нагружающей образец системы. В этих обозначениях связь между величиной перемещения подвижного захвата образца у{1) и приложенной к нему поперечной нагрузкой Р0 в упругой области деформирования дается следующим соотношением, непосредственно следующим из (2.6): 1. Так как отсчетная шкала является прямолинейной, а деформация об разца характеризуется углом поворота подвижного захвата, вместо значе ния An в расчетные формулы следует подставлять An cos q , причем Ф = arctg AnjL. Альтернативой является использование отсчетного устройства в виде диска с нанесенной на него круговой шкалой с делениями в градусах, что и было использовано в ряде экспериментов вместо линейной шкалы. 2. При неизменном положении шкива 8 большое отклонение подвижного захвата приводит к появлению заметной компоненты силы, действующей вдоль стержня захвата. Поэтому изгиб образца становится сложным, и для расчетов следует пользоваться более сложными формулами. Альтернативой является вертикальное перемещение шкива по мере увеличения угла отклонения захвата таким образом, чтобы угол между стержнем подвижного захвата и нитью, передающей усилие был близок 90. Небольшими отклонениями этого угла от 90 можно пренебречь, поэтому контроль взаимной перпендикулярности стержня и нити проводился визуально. 3. По мере увеличения угла отклонения стержня подвижного захвата от вертикали возрастает момент силы тяжести, стремящейся вернуть стержень в вертикальное положение. Этот момент может быть рассчитан или определен экспериментально. В последнем случае момент силы определяется аналогично тому, как указано в пп. 1 и 2. Рассмотрим результат конкретного измерения. Исследовался при комнатной температуре образец из сплава Э635 шириной Ь = 1,086 мм (1,086-10-3 м). Получена диаграмма, из которой следует, что на линейном участке диаграммы деформирования среднестатистическое значение отношения Р/Ап = 3\25 Н/м. Значения параметров установки: /, = 183,5 мм, Z, =32,5 мм, Л2=62,4мм, Ьъ =39мм. В ходе измерений при изменяющейся или заданной высокой температуре (до400 С) на измерительную часть устройств, надевался внешний полый омический нагреватель, намотанный на трубчатом каркасе из изоляционного материала (обычно плавленого кварца). С целью обеспечения однородного температурного поля в зоне измерений, торцы нагревателя закрывались асбестовыми крышками с прорезями, обеспечивавшими свободное перемещение нагружающего стержня. Опыт работы показал, что можно ограничиться только верхней крышкой, надетой на неподвижный стержень. В этом случае сильно ограничивается конвективный теплообмен с внешней средой, и удается обеспечить неравномерность температурного поля на образце, не превышающую 3 — 5 градусов.
Высокотемпературные исследования образцов сплавов циркония
В данном исследовании система регистрации акустических сигналов являлась многоцелевой [16, 20]. Она отрабатывалась использовалась для: регистрации акустико-эмиссионных сигналов, сопровождающих образование и развитие усталостных трещин в исследуемом образце; контроля работы нагружающей системы, в первую очередь качества защемления образца в захватах по характерным сигналам, возникающим при появлении люфта в захватах; измерения декремента колебаний измерительной системы; контроля температуры испытаний посредством измерения резонансной частоты колебательной системы; контроля среды в измерительной капсуле по акустическому шуму кипения. Особенностью измерений в рассматриваемых условиях является необходимость выноса акустического датчика из зоны действия повреждающих факторов. Это вызвано в частности тем, что допустимая рабочая температура пье-зоэлементов относительно невысока, а радиация снижает эффективность преобразователей [78]. Поэтому для исключения воздействия температуры на преобразователь используется волновод в виде тонкого стержня. Основы расчета подобных звукопроводов рассмотрены в [9, 101] и здесь подробно не обсуждаются. Заметим только, что звукопроводы работают в волноводном режиме, когда их диаметр намного меньше длины упругой волны, что позволяет избежать искажений сигналов за счет геометрической дисперсии скорости звука в звуко-проводе. Из соображений конструктивной жесткости диаметр звукопровода выбрали равным 5 мм, при котором невелик теплоотвод из области нагрева образца. Некоторые подробности работы системы при регистрации тех или иных сигналов приводятся ниже.
В соответствии с поставленными задачами разработана и применялась аппаратура, общая структурная схема которой отражена на рис. 2.12 [19]. Реализован двухканальныи вариант регистрации при одном единственном пьезопреобразователе. Каналы разделены по частотному признаку. Для регистрации акустической эмиссии используется высокочастотный канал, в котором подавляются низкочастотные компоненты сигналов, которые не связаны с повреждением образца. В низкочастотном канале наоборот подавляются высокочастотные компоненты.
Первая из перечисленных задач — регистрация акустической эмиссии — решается посредством регистрации акустических сигналов на высоких частотах, в интервале от 50 до 1000 кГц (нижняя ветвь схемы на рис. 2.12.), остальные — регистрацией сигналов в области сравнительно низких частот, не превышающих 20 кГц (верхняя ветвь).
Сигналы акустической эмиссии, возникающие в исследуемом образце, возбуждают колебания волновода, которые регистрируются акустическим датчиком— пьезопреобразователем (рис. 2.12). Волновод обеспечивает работу преобразователя в нормальных условиях. За основу была принята схема регистрации акустических сигналов, описанная в ряде работ, в частности в [3, 10], где вопросы создания акустико-эмиссионной аппаратуры для работы в условиях высокой температуры и ионизирующих излучений освещены подробно.
Сигналы с преобразователя поступают на предварительный усилитель (рис. 2.13), имеющий высокий коэффициент усиления и малый уровень собственных электрических шумов, затем — на фильтр верхних частот, устраняющий низкочастотные сигналы и шумы, связанные с работой установки. После фильтрации производится преобразование частоты сигналов с целью переноса их спектра в низкочастотную область для обеспечения возможности обработки сигналов с помощью относительно низкочастотных и недорогих интерфейсов. Преобразование частоты сигналов сопровождается их частотной фильтрацией и амплитудной демодуляцией (детектированием) с целью получения огибающей акустико-эмиссионного процесса. При этом сохраняются амплитудные и временные соотношения между акустико-эмиссионными сигналами, несущие основную информацию о характере протекающих в материале процессов, а регистрация сигналов существенно упрощается за счет применения стандартных решений, хорошо известных в технике компьютерной обработки акустических сигналов.
При обработке сигналов на ПЭВМ проводился амплитудный, временной и частотный анализ акустико-эмиссионных сигналов Последний вид анализа имел второстепенное значение, так как при преобразовании частоты, фильтрации и демодуляции сигналов их форма по сути дела стандартизуется и не несет существенной информации. Однако, как показывает практика, в некоторых случаях изменение формы сигналов и соответственно их частотного спектра оказывается полезным для более четкой и надежной идентификации совокупности акустических сигналов.
Исследование усталостной долговечности циркониевых сплавов для оболочек твэл в состоянии поставки
В принятой схеме испытаний трудно поддаются расчету некоторые элементы и узлы, затруднено точное описание связи между напряжениями и деформациями. Для обоснования методики необходимо было решение ряда задач, рассматриваемых ниже. Основными вопросами экспериментальной отработки методики являлись следующие.
Определение влияния ширины образца на результаты испытаний. Важность соответствующего исследования связана с тем, что при уменьшении ширины (высоты) кольцевого образца применение расчетных формул для определения напряженного состояния образца является проблематичным из-за краевых эффектов, искажающих картину рассмотренного распределения напряжений. 2. Определение вида диаграмм нагружения при заданном виде деформирования и определение максимальных напряжений в цикле. 3. Нахождение зависимости диаграмм циклического деформирования от номера цикла. 4. Определение динамического предела упругости и установление его связи со статическим пределом упругости и другими общепринятыми характеристиками деформирования. Логичным является подход, при котором для описания характера деформирования образца в динамическом режиме, предварительно изучается статическая диаграмма деформирования при той же схеме нагружения, что и при усталостных испытаниях. Для получения статических диаграмм деформирования нами использованы устройства, описанные выше, в которых моделировалось нагружение кольцевых образцов как на натурных образцах, так и на укрупненных их моделях. Исследованные материалы и образцы. При отработке экспериментальных методик использовались кольцевые образцы, вырезанные из труб различного назначения. 1. Модельные образцы относительно больших размеров, на которых мо делировалось поведение кольцевых образцов из оболочек твэл при выбранной схеме нагружения. В качестве модельных образцов использовали кольца (раз резанные и не разрезанные), вырезанные из полиэтиленовых труб для газопро водных линий низкого давления. Основанием для такого выбора явилось то, что данный материал имеет малое значение модуля упругости, что позволяет обойтись относительно малыми нагрузками (в пределах 10 Н), что существенно упрощает конструкцию испытательной установки. Основная часть исследова ний проведена на образцах, вырезанных из трубы с внешним диаметром 63 мм и толщиной стенки 7 мм. Часть экспериментов проведена на образцах из той же трубы, у которой внешний диаметр был уменьшен до 61,2 мм с целью большего соответствия геометрическим соотношениям (отношению толщины стенки к диаметру) у оболочки твэл. Результаты исследований на таких образцах имеют и самостоятельное значение, так как были получены данные о физико-механических свойствах труб, важных для газовой промышленности. 2. Модельные образцы, вырезанные из труб, свойства металла в которых достаточно хорошо известны. 3. Образцы, вырезанные непосредственно из оболочек твэл, изготовленных по штатным технологиям из сплавов Э110 и Э635, к которым прилагались сертификаты производителя. Методика определения статических диаграмм деформирования на кольцах, вырезанных их полиэтиленовых труб, состояла в следующем. 1. С целью проверки данных, получаемых на разрезанных образцах, про водили измерения на цельных (неразрезанных) кольцах. В этом случае требова лись относительно большие нагрузки, с целью достижения которых исследуе мый образец подвешивали на неподвижной опоре с помощью прочной нити. К нижней части образца крепили нить, к которой подвешивали сосуд. В него до ливали в дозированных количествах воду, что позволяло задать контролируе мую и плавно изменяющуюся нагрузку. Изменение формы и линейных размеров образца регистрировали с помощью видеокамеры. Полученные изображения обмеряли с помощью специализированных программ обработки изображений. 2. В случае разрезных колец образец закрепляли в верхнем неподвижном и нижнем подвижном захватах. При этом схема нагружения полностью соот ветствовала той, которая была реализована в серии испытательных капсул для исследования усталостной долговечности материалов оболочек твэл. Определение остаточных напряжений в трубах. В качестве первого теста образцов, вырезанных из полиэтиленовых труб, проводили оценку величины внутренних «окружных» напряжений в исходной трубе. Суть методики состоит в том что из кольца удаляется часть материала и измеряется величина зазора в образовавшемся разрезанном кольце (рис. 3.1). Очевидно, что при отсутствии внутренних напряжений величина зазора будет равна ширине удаленной части образца. Если в исходном образце имелись растягивающие окружные напряжения, то зазор после изъятия части материала окажется меньше ожидаемого, и наоборот.
Для расчета величины внутренних напряжений воспользуемся методикой, согласно которой определяют (или задают) уровень внутренних напряжений в разрезном кольце посредством расклинивания последнего с помощью вставки известных размеров, помещаемой в область разреза. Такой метод применяется, например, при проведении испытаний на коррозионное растрескивание [52]. Основные соотношения, описывающие взаимосвязь характеристик деформированного таким образом разрезанного кольца, имеют вид (в упругом приближении):
