Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие методы прогнозирования свойств материала для расчета на прочность элементов реакторов на быстрых нейтронах 10
1.1. Условия работы и прочность элементов реактора на быстрых нейтронах 10
1.1.1. Условия эксплуатации, характерные типы нагружения и предельные состояния элементов реактора 10
1.2. Методы прогнозирования длительной прочности материалов в исходном и облученном состоящих 16
1.2.1. Эмпирические подходы 16
1.2.2. Использование теории Качанова-Работнова 18
1.2.3. Учет влияния нейтронного облучения 19
1.3. Методы прогнозирования циклической прочности 20
1.3.1. Методы прогнозирования циклической прочности без учета ползучести 20
1.3.2. Методы, прогнозирования циклической прочности при наличии ползучести 21
1.4. Обзор методов, описывающих кинетику роста трещины при длительном статическом нагружении 24
1.4.1. Анализ зависимостей, описывающих кинетику роста трещины при ползучести 24
1.4.2. Расчетные методы определения С -интеграла 32
1.5. Анализ существующих методов, их ограничений и постановка задачи исследования .37
1.5.1. Анализ методов прогнозирования длительной прочности 37
1.5.2. Анализ методов прогнозирования циклической долговечности 38
1.5.3. Анализ методов прогнозирования скорости роста трещины в условиях ползучести 41
1.5.4. Постановка задач исследования 42
2. Прогнозирование длительной прочности и пластичности аустенитных материалов в условиях ползучести и нейтронного облучения 43
2.1. Физико-механическая модель межзеренного разрушения 43
2.1.1. Критерий разрушения 43
2.1.2. Уравнение зарождения пор по границам зерен 45
2.1.3. Уравнение роста пор 47
2.1.4. Определяющие уравнения 52
2.2. Определение параметров, необходимых для расчетов по модели 59
2.2.1. Механические свойства в исходном и облученном состояниях 59
2.2.2. Распухание при нейтронном облучении 60
2.2.3. Ползучесть при нейтронном облучении 60
2.2.4. Определение калибровочных параметров модели 68
2.3. Прогнозирование длительной прочности и пластичности аустенитных материалов при различных температурах и условиях облучения 69
2.3.1. Верификация модели 69
2.3.2. Построение расчетных кривых длительной прочности для стали типа Х18Н9 86
2.4. Методы расчета долговечности элементов конструкций 92
2.4.1. Расчет повреждений с помощью силового и деформационного критериев 92
2.4.2. Определение критерия начала второй стадии ползучести 96
2.4.3. Выбор консервативного подхода для оценки повреждений 105
2.5 Выводы по главе 2 106
3. Прогнозирование сопротивления малоцикловому и многоцикловому усталостному разрушению при нейтронном облучении стали типа Х18Н9 109
3.1. Основные положения процедуры построения кривых усталости 109
3.2. Процедура построения кривых усталости при отсутствии эффектов ползучести (Т<450С) 117
3.2.1. Учет асимметрии цикла нагружения 117
3.2.2. Определение параметров в уравнении Коффина-Мэнсона 118
3.2.3. Описание температурных зависимостей параметров а0,2, и sf уравнения Коффина-Мэнсона аустенитных сталей в условиях нейтронного облучении 119
3.2.4. Расчетные кривые сопротивления усталостному разрушению при Т<450С 120
3.3. Процедура построения кривых усталости при наличии эффектов ползучести (Т>450С) 121
3.4.Верификация метода прогнозирования циклической прочности 123
3.4.1. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов (для материала в исходном состоянии) 123
3.4.2. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов (для материала в облученном состоянии) 136
3.5. Построение нормативных кривых сопротивления усталостному разрушению 159
3.6. Процедура формирования циклов при сложном нагружении и объемном напряженном состоянии 165
3.6.1 Процедура определения профиля нагружения и размаха деформаций при нестационарном нагружении 165
3.6.2 Формирование циклов нагружения 168
3.7. Расчет повреждений при взаимодействии усталости и ползучести 171
3.8 Выводы по главе 3 180
4. Прогнозирование кинетики трещин в условиях ползучести и нейтронного облучения 182
4.1. Обобщение имеющихся данных по скорости роста трещин при ползучести для аустенитных сталей в исходном состоянии 182
4.2. Процедура учета влияния нейтронного облучения на скорость роста трещины в условиях ползучести 190
4.3. Определение коэффициентов зависимости скорости роста трещины в условиях нейтронного облучения 195
4.3.1. Влияние флакса нейтронов и температуры на скорость роста трещины при ползучести 195
4.3.2. Влияние предварительного флюенса нейтронов на скорость роста трещины при ползучести 201
4.3.3. Нормативные кривые скорости роста трещины аустенитных сталей в условиях ползучести и нейтронного облучения 208
4.3.4. Оценка сходимости результатов прогноза процесса роста трещины ползучести 213
4.4. Расчет роста трещины в элементе конструкции по механизму усталости и ползучести 215
4.6. Выводы по главе 4 217
Выводы по работе 219
Приложение 222
Литература 224
- Методы прогнозирования длительной прочности материалов в исходном и облученном состоящих
- Прогнозирование длительной прочности и пластичности аустенитных материалов при различных температурах и условиях облучения
- Процедура построения кривых усталости при отсутствии эффектов ползучести (Т<450С)
- Процедура учета влияния нейтронного облучения на скорость роста трещины в условиях ползучести
Введение к работе
Одним из перспективных направлений развития атомной энергетики является разработка атомных реакторов на быстрых нейтронах, топливом для которых может служить U" с небольшим добавлением U" . Актуальность строительства таких реакторов в настоящее время особенно возрастает, т.к. в
ото 9^S
природе имеется 99,3% U и всего 0,5% U , что при современном уровне работы реакторов на медленных нейтронах и с учетом темпов строительства новых блоков с такими реакторами приведет к исчерпанию запасов U235 через 20-30 лет.
Важным направлением в области разработки реакторов на быстрых нейтронах являются реакторы, где в качестве теплоносителя используется жидкий натрий. В настоящее время «натриевая технология» применительно к атомным реакторам хорошо отработана во Франции и в большей степени в России. В СССР успешно работал реактор БН-350, а в настоящее время в РФ эксплуатируется реактор БН-600, срок службы которого намечено продлить до 45 лет. Уместно отметить, что результат настоящей диссертационной работы во многих аспектах послужили основой для обоснования продления срока службы реактора БН-600. Кроме того, сейчас ведется строительство реактора БН-800, и проектируется реактор БН-1200.
Во Франции в 2010 году будет выведен из эксплуатации успешно эксплуатирующийся в течении 30 лет реактор «PHENIX» - 350 МВт. К сожалению, из-за проблем с парогенераторным оборудованием ранее был выведен из эксплуатации реактор «SUPERPHENIX» - 1600 МВт. Сейчас ведутся интенсивные работы по проектированию нового реактора на быстрых нейтронах. С точки зрения материаловедения принципиальным отличаем Французских реакторов от Российских (за исключением проектируемого БН-1200) является то обстоятельство, что все элементы, подвергающиеся интенсивному облучению являются принципиально заменяемыми. Для незаменяемых элементов Французских реакторов максимальная повреждающая доза не превышает 2
смещений на атом (сна) (флюенс нейтронов 4,4-10 н/см Е>0,1 МэВ), а для Российских реакторов (например для БН-600) на конец срока эксплуатации (45 лет)
повреждающая доза составляет 45 сна (F«100-10 н/см"). Из имеющихся данных
следует, что доза порядка 2 сна не является значимой для аустенитных хромоникелевых сталей, применяемых для изготовления оборудования реакторной установки. В то же время доза 45 сна может оказывать весьма существенное влияние на процессы охрупчивания материала, а также на ускорение накопления повреждений особенно в области температур эксплуатации реактора на быстрых нейтронах 500^550 С.
Анализ условий эксплуатации реактора показывает, что основными возможными механизмами повреждения и разрушения элементов оборудования являются повреждения, обусловленные ползучестью и усталостью активизированные нейтронным облучением. Поэтому для адекватного анализа работоспособности элементов отечественных реакторов, подвергаемых нейтронному облучению, необходимо знать свойства, характеризующие сопротивление материала разрушению (зарождению и развитию трещины) при длительных статических и циклических термомеханических нагрузках по механизмам ползучести и усталости.
Следует также отметить необходимость иметь зависимости, описывающие радиационное распухание материала, приводящее к значительному изменению размеров элементов и, как следствие, к невозможности их нормального функционирования.
К моменту начала работы над данной диссертацией состояние дел в области указанных проблем было следующим. В основном документе, включающим в себя информацию по служебным характеристикам материала и методам расчета на прочность «Нормы расчета на прочность...(ПНАЭ Г-7-002-86)» отсутствуют данные по длительной прочности и пластичности для материала, подвергающегося нейтронному облучению. Методы, позволяющие прогнозировать усталостное повреждение, не являются адекватными и могут давать в ряде случаев слишком консервативную оценку долговечность элемента, а в ряде случаев слишком оптимистическую. Учет нейтронного облучения сводится к введению эмпирических коэффициентов, уменьшающих полученную расчетную долговечность. Величины этих коэффициентов были получены из так называемых пост-реакторных испытаний: вначале образец облучался, а потом облученный образец нагружался, и определялась его длительная прочность. Реально материал
нагружается и облучается одновременно. Накопление повреждений в этом случае может происходить более интенсивно.
Несмотря на отмеченные недостатки Нормативного подхода (Нормы ПНАЭГ) его консервативность обеспечивалась общим принципом: прочность и долговечность элемента конструкции обеспечивается лишь до тех пор пока не зародиться трещина. Иными словами, принималось, что зарождение трещины эквивалентно разрушению элемента конструкции. Очевидно, что для адекватной оценки прочности и долговечности элементов конструкций необходимо уметь прогнозировать кинетику трещины в условиях, характерных для эксплуатации реактора. Как видно Нормативный подход не отражают требуемого уровня знания для оценки прочности и долговечности элементов реакторов тина БН.
В то же время следует отметить цикл работ Киселевского, в которых представлены очень трудоемкие и дорогостоящие внутриреакторные эксперименты по нагружению образцов под облучением и анализ их долговечности и прочности. Необходимо также отметить, что временная база проведенных экспериментов не превышала нескольких тысяч часов, что в сто раз меньше срока службы реактора. Киселевским был выполнен также ряд пионерских теоретико-экспериментальных работ по прогнозированию длительной прочности и сопротивления усталости материала в условиях облучения. Поскольку данные работы выполнялись сугубо с механических позиций, их практическое применение было затруднительным ввиду необходимости определению большого количества взаимосвязанных эмпирических параметров.
К настоящему времени достаточно хорошо развиты методы прогнозирования кинетики трещины при длительном статическом и циклическом нагружении. Эти методы широко используют новый параметр механики разрушения С -интеграл. В то же время отсутствуют методы, позволяющие прогнозировать кинетику трещины с учетом нейтронного облучения.
Из вышеизложенного следует, что для прогнозирования свойств материала элемента реактора типа БН невозможно опираться только на экспериментальные методы и на сугубо механические подходы. Поэтому в диссертации был использован так называемый локальный подход, суть которого заключается в учете физических процессов накопления повреждений в материале, происходящих на
микро и макроуровне, и формулировке криетрия разрушения элементарного объема (например, зерна поликристаллического материала) в терминах механики деформируемого твердого тела. Процесс развития трещины в материале представляется как последовательное разрушение элементарных объемов материала у вершины, движущейся трещины.
В настоящей диссертационной работе разработана физико-механическая модель межзеренного разрушения материала в условиях ползучести и нейтронного облучения. Модель позволяет прогнозировать длительную прочность и пластичность аустенитных сталей при нейтронном облучении. Кроме того, в рамках диссертации разработан инженерный метод построения усталостных кривых при различной скорости деформирования с учетом эффектов ползучести и нейтронного облучения. Разработан также метод прогнозирования кинетики трещины при нейтронном облучении.
На основании разработанных методов, имеющихся и полученных экспериментальных данных построены нормативные зависимости служебных характеристик материала, а также предложен метод расчета накопления повреждений, позволяющий проводить адекватный прогноз прочности и долговечности элементов оборудования реакторов типа БН.
Разработанные методы послужили базой для разработки Руководящего документа «Методика расчета прочности основных элементов реакторных установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. РД ЭО 1.1.2.09.0714-2007» [1], одобренного РОСТЕХНАДЗОРОМ.
Методы прогнозирования длительной прочности материалов в исходном и облученном состоящих
Существующие эмпирические методы подразделяются на экстраполяционные и параметрические Экстраполяционные методы Данные методы основаны на экстраполяции кривых длительной прочности в двойных логарифмических координатах, полученных путем статистической обработки данных на короткой временной базе. На основе полученной таким способом регрессионной кривой, получают величины, экстраполируемые на заданные временные интервалы. Однако в результате экстраполяции существует опасность возникновения ошибок на временах, превышающих имеющиеся данные по долговечности более, чем в 10 раз из-за возможной смены механизма разрушения. Поэтому Нормы [3] ограничивают экстраполяцию временных зависимостей десятикратным превышением по отношению к полученным экспериментальным данным.
Параметрические зависимости Для определения характеристик длительной прочности при температурах, отличных от тех, при которых проводились эксперименты, используются параметрические температурно-времеыные зависимости. Вводится параметр Р, зависящий от времени и температуры, и принимается, что зависимость длительной прочности от этого параметра а(Р) инвариантна к температуре испытаний.
Наибольшее распространение получили зависимости Ларсона-Миллера (Рлм) Дорна (Рд), Менсона-Саккопа (Рмс) и Мэнсона-Хаферда (Рмх) где С, D, А, Та и ta - константы, tf -время до разрушения [99]. Перечисленные параметрические зависимости являются компактной формой представления результатов испытаний на длительную прочность при различных температурах, напряжениях и временах до разрушения. Применение указанных параметрических зависимостей позволяет построить a(tf) при некоторой температуре Т, на временной базе большей, чем зависимость, экспериментально определенная при более высокой температуре Т2 (Т2 Т]).
В этом случае в качестве критерия разрушения принимают достижение параметром повреждаемости со некоторой величины (обычно со = 1). При этом связь между со и параметрами напряженно-деформированного состояния (НДС) (например, а и єс) носит эмпирический характер, что также не позволяет использовать данный подход в широком температурно-силовом диапазоне.
Подход, предложенный Качановым и Работновым, может быть развит при использовании физико-механических моделей накопления повреждений в материале [6-13, 129], когда под параметром со понимается не абстрактное повреждение, а относительная площадь или объем пор. В частности, в [6] были предложены зависимости, описывающие зарождение пор по границам зерен. Механизм роста пор, вызванный диффузионными процессами и ползучестью, исследовались в [7, 8, 129]. В [9, 10] разработана модель, базирующаяся на описании процесса зарождения и роста пор в элементарных ячейках, позволяющих моделировать разрушение поликристаллического материала по границам зерен. В этой модели поликристаллическое зерно и граница зерна представлены как различные материалы со специальными свойствами. В [11] предложена модель межзеренного разрушения при ползучести в условиях объемного напряженного состояния. На основе представленной в работе модели выполнено исследование влияния жесткости напряженного состояния па рост пор, обусловленный процессами ползучести.
Сразу необходимо отметить, что работ связанных с влиянием нейтронного облучения на ползучесть аустенитных сталей типа Х18Н9 крайне мало, но еще меньше работ по влиянию нейтронного облучения на длительную прочность таких сталей. Относительно большее количество работ по определению ползучести при нейтронном облучении связано с тем, что такие опыты провести значительно легче, чем опыты на длительную прочность при облучении. В первом случае для определения ползучести достаточно подвергнуть испытаниям газонаполненные трубки и поместить их в реактор. При определении длительной прочности дело обстоит значительно сложней, так как в реакторе нельзя допустить разрушение газонаполненной трубки. Поэтому для безопасного проведения экспериментов при определении длительной прочности в условиях облучения разрабатывались и изготавливались дорогостоящие и сложные испытательные машины, такие как «Нейтрон». Установки «Нейтрон» устанавливались в различные типы реакторов (СМ-2, ВВР-М, ИРТ, РБТ) [14].
На основании данных, приведенных в работах [14-18], можно сделать следующие выводы: 1) нейтронное облучение увеличивает скорость ползучести; 2) нейтронное облучение снижает длительную прочность. Влияние нейтронного облучения на скорость деформации ползучести описано во многих работах [14, 19-24]. В этих работах представлены зависимости различного вида, но наиболее простой с точки зрения определения коэффициентов является зависимость, предложенная Рогозяновым и Киселевским[14, 24] где П(Ф, Т) - функция, зависящая от флакса Ф и температуры облучения; f(aeq, Э9С) - функция, описывающая скорость ползучести материала в необлученном состоянии; агс = jdzlq ; deccq - интенсивность приращения деформации ползучести. Учет влияния нейтронного облучения на длительную прочность был предложен в работах Киселевского [14].
Прогнозирование длительной прочности и пластичности аустенитных материалов при различных температурах и условиях облучения
В соответствии с вышеизложенным были определены параметры модели для расчета длительной прочности и пластичности стали типа Х18Н10Т. Константы в уравнении (2.32) ас, пс и тс были определены на основании данных, приведенных в [3, 76] (см. таблицу 2.1). Значения предела текучести при различных температурах для исходного состояния рассчитывались согласно уравнению [65] Результаты расчетов представлены на рис. 2.7 и 2.8. Там же приведены экспериментальные данные по длительной прочности и по пластичности [79]. Из сопоставления расчетных и экспериментальных данных (рис. 2.7 и 2.8) можно заключить, что предложенная модель дает адекватные прогнозы, как по длительной прочности, так и по длительной пластичности. Облученное состояние. Зависимости длительной прочности и пластичности были рассчитаны для различных величии флакса нейтронов Ф, который варьировался в диапазоне от 7-Ю до 7-10 н/см -с (Е 0,1 МэВ). При расчете использовались данные, представленные выше, а также данные, полученные на основании обработки результатов экспериментов с облучением.
При этом вместо параметров a;nt и Db5b использовались параметры ар и D5b, рассчитываемые по формулам (2.10) и (2.24). Значения параметров, зависящие от облучения, принимались следующими. В уравнении распухания (2.48): av=l,78-10"3; mv=l,88; F0=M022 н/см2; r=l,804-10 5 С"2; Tm=470C. В уравнениях (2.8) и (2.26), отвечающих за зарождение и рост пор m = 3,2; dFo5 =9,2-10" мм /Дж-с. В уравнении скорости ползучести (2.41) параметры, отвечающие за ускорение ползучести за счет нейтронного облучения, принимались следующими: Ф =2,98-10 н/см с; Qa,=77,48 кДж/моль. С целью верификации представим расчет длительной прочности в виде изохронных кривых а(Ф) (рис. 2.9). Из рис. 2.9 видно, что при Ф 7-Ю11 н/см2с облучение незначительно влияет на длительную прочность (снижение длительной прочности не превышает 10%). Этот прогноз достаточно хорошо подтверждается экспериментальными результатами, представленными в [80-82]. Параметры, входящие в уравнение зарождения и роста пор по границам зерен, необходимые для расчета по физико-механической модели, мало различаются для сталей одного класса. Поэтому эти параметры принимались такими же, как и для стали типа XI8Н10Т в соответствии с подразделом 2.3.1.1.
Параметры, входящие в уравнение скорости ползучести были получены в результате обработки кривых ползучести сталей Х18Н9 и 304, представленных в [3, 76], и приведены в таблице 2.2. Значения параметров Ф и Q0 приняты такими же, что в разделе 2.3.1.1. Значения предела текучести при различных температурах для исходного состояния рассчитывались согласно уравнению [73] где Т - температура, С. Константы ар и тр мало различаются для сталей одного класса. Поэтому эти параметры принимались такими же, как и для стали Х18Н10Т в соответствии с уравнениями (2.59) и (2.60). Исходное состояние. В соответствии с физико-механической моделью и на основе найденных параметров был выполнен расчет зависимостей длительной прочности и пластичности стали типа Х18Н9 при температурах 500, 550, 600 и 650С для материала в исходном состоянии. Данные зависимости, а также экспериментальные данные по сталям Х18Н9 [83-86] и SUS 304 [92, 87] представлены на рис. 2.10 и 2.11. С целью сравнения прогнозных зависимостей и экспериментальных данных по длительной прочности стали типа Х18Н9 была проведена обработка результатов экспериментов методом наименьших квадратов и построена зависимость длительной прочности на основе уравнения регрессии, записываемого в виде где Fexp =Fexp(tf) - зависимость длительной прочности, МГІа; tf - время до разрушения, ч; с0, с,, с2 - параметры, определяемые методом наименьших квадратов. Значения параметров с0, с15 с2, определенные на основе экспериментальных данных при температурах 500-К 50С (рис. 2.12), приведены в таблице 2.3.
Процедура построения кривых усталости при отсутствии эффектов ползучести (Т<450С)
Согласно уравнению (3.2) асимметрия цикла нагружения влияет на долговечность Nf. Поэтому в общем случае для определения Nf при известной величине Ає необходимо знать коэффициент асимметрии цикла напряжений R Cimin/amax, где о"т;п, сттах - соответственно минимальное и максимальное напряжение в цикле. При изотермическом нагружении в случае знакопеременного упругопластического нагружения, когда ЕАє 2а0;2 (пластическое деформирование происходит в каждом полуцикле нагружения), amin«-amax и, следовательно, R=-l. Под параметром a0j2 понимается предел текучести, зависящий от F, Тобл и Тис„. Для случая EAs 2a0)2 асимметрия нагружения будет зависеть не только от характера циклической эксплуатационной нагрузки, но также и от статического напряженного состояния конструкции, определяемого такими факторами, как остаточные технологические (в основном сварочные) напряжения и напряжения, вызванные неоднородным распуханием материала. Очевидно, что расчет коэффициента асимметрии с учетом указанных факторов весьма затруднителен. Поэтому, проводя консервативную оценку, будем предполагать, что атах всегда равно пределу текучести ст0,2- Тогда amin=a0,2 - ЕАє, т.е. имеет место цикл o"min - "о,2 - min- В этом случае коэффициент асимметрии цикла нагружения будет максимально возможным в каждом цикле нагружения и может быть рассчитан по формуле [93, 94] Следует отметить, что в общем случае атах может несколько превышать ст0,2 (в случае упругопластического деформирования в нулевом полуцикле), но это превышение незначительное, т.к. обычно пластическое деформирование в конструктивных элементах не превышает 2-3%, а деформационное упрочнение аустенитных сталей уменьшается с увеличением дозы нейтронного облучения [65]. Приведем подробный анализ выбора параметров уравнения Коффина-Мэнсона, следуя [65]. Определение параметров уравнения
Коффина-Мэнсона Согласно выполненным оценкам по данным, представленным в [65], предел прочности ав во всех случаях, характерных при эксплуатации РУ БН-600 (при Fsl-1023 н/см2 с Е 0,1 МэВ), не превышает 700 МПа. Тогда согласно [3] т=0,5. Согласно [3] те рассчитывается по формуле где а_1 - предел выносливости при симметричном цикле нагружения. Согласно (3.6) тс увеличивается при увеличении ці. При прочих одинаковых параметрах, входящих в (3.2), с увеличением гае долговечность уменьшается. Проводя консервативную оценку долговечности, определим тс при максимальной величине \\), используемой при расчете долговечности, 1 =0,5. Учитывая, что ов/о\ 1=2,5 (при ств 700 МПа) при і/=0,5 по формуле (3.6) получим те=0,083. Примем значение те=0,08. Зависимость Е(Т) в табличном виде представлена в [3]. На основании обработки этих данных методом наименьших квадратов получена зависимость где Т - температура в С. Отметим, что модуль упругости Е в общем случае зависит от облучения. Но консервативно примем, что модуль упругости не зависит от облучения. Процессы ползучести при высоких температурах начинают протекать при напряжениях значительно ниже предела текучести. Поэтому при циклическом нагружении возможны 2 случая: либо неупругая деформация (пластическая деформация плюс деформация ползучести) растет монотонно, и в этом случае усталостное повреждение отсутствует, либо наблюдается гистерезис неупругой деформации (упругий цикл практически невозможен, т.к. непрерывно происходит неупругое деформирование за счет ползучести). При наличии гистерезиса неупругой деформации влияние асимметрии нагружения (по напряжениям) на долговечность, скорее всего, незначительно. Это связано со следующими обстоятельствами. При упругом циклическом нагружении увеличение параметра R приводит к увеличению ширины петли гистерезиса микропластических деформаций и, следовательно, к увеличению темпа накопления усталостных повреждений [96]. При наличии неупругих макродеформаций вклад в повреждение микропластических деформаций становится мал и, следовательно, влияние R становится незначительным. Поэтому при расчете кривых усталости при наличии эффектов ползучести в уравнении (3.2) может быть принято R=-l. Определение параметров уравнения Коффина-Мэнсона. Согласно [3], при расчете на длительную циклическую прочность следует принять Нормативные кривые для металла сварных швов рассчитываются по уравнению (3.19), где ф5 принимается равным 0,7. Значения gf и Re определяются в соответствии с формулами (3.1) и (3.4) соответственно. Расчет кривых As(Nf) по уравнению (3.21) проводится для различных скоростей деформирования Зависимость s[r(F, Тобл) .рассчитывалась по формуле (3.14). В качестве єг принималась величина критической деформации необлучснного материала с учетом деградации его свойств за счет термического старения. Согласно [97] величина \/ за счет термического старения не снижается ниже 0,4. Тогда консервативно принимая, что ху=0,4, согласно формуле (3.15) имеем ЄҐ=0,5 1. Зависимости acr(tf) и 8J-" (tf) при различных уровнях Ф, Тобл и F, рассчитанные на основании физико-механической модели межзеренного разрушения [54, 61, 62], представлены для аустенитных сталей на рис. 3.5 и рис. 3.6 соответственно. На рис. 3.7 и рис. 3.8 приведены зависимости асг( )и Sf{) для различных уровней F, рассчитанные на основании формул (3.1) и (3.4) при є/Ц),51 с учетом данных на рис .3.5.
Процедура учета влияния нейтронного облучения на скорость роста трещины в условиях ползучести
Анализ условий эксплуатации реактора показывает, что основными возможными механизмами повреждения и разрушения элементов оборудования являются повреждения, обусловленные ползучестью и усталостью активизированные нейтронным облучением. Поэтому для адекватного анализа работоспособности элементов отечественных реакторов, подвергаемых нейтронному облучению, необходимо знать свойства, характеризующие сопротивление материала разрушению (зарождению и развитию трещины) при длительных статических и циклических термомеханических нагрузках по механизмам ползучести и усталости.
Следует также отметить необходимость иметь зависимости, описывающие радиационное распухание материала, приводящее к значительному изменению размеров элементов и, как следствие, к невозможности их нормального функционирования.
К моменту начала работы над данной диссертацией состояние дел в области указанных проблем было следующим. В основном документе, включающим в себя информацию по служебным характеристикам материала и методам расчета на прочность «Нормы расчета на прочность...(ПНАЭ Г-7-002-86)» отсутствуют данные по длительной прочности и пластичности для материала, подвергающегося нейтронному облучению. Методы, позволяющие прогнозировать усталостное повреждение, не являются адекватными и могут давать в ряде случаев слишком консервативную оценку долговечность элемента, а в ряде случаев слишком оптимистическую. Учет нейтронного облучения сводится к введению эмпирических коэффициентов, уменьшающих полученную расчетную долговечность. Величины этих коэффициентов были получены из так называемых пост-реакторных испытаний: вначале образец облучался, а потом облученный образец нагружался, и определялась его длительная прочность. Реально материал нагружается и облучается одновременно. Накопление повреждений в этом случае может происходить более интенсивно.
Несмотря на отмеченные недостатки Нормативного подхода (Нормы ПНАЭГ) его консервативность обеспечивалась общим принципом: прочность и долговечность элемента конструкции обеспечивается лишь до тех пор пока не зародиться трещина. Иными словами, принималось, что зарождение трещины эквивалентно разрушению элемента конструкции. Очевидно, что для адекватной оценки прочности и долговечности элементов конструкций необходимо уметь прогнозировать кинетику трещины в условиях, характерных для эксплуатации реактора. Как видно Нормативный подход не отражают требуемого уровня знания для оценки прочности и долговечности элементов реакторов тина БН.
В то же время следует отметить цикл работ Киселевского, в которых представлены очень трудоемкие и дорогостоящие внутриреакторные эксперименты по нагружению образцов под облучением и анализ их долговечности и прочности. Необходимо также отметить, что временная база проведенных экспериментов не превышала нескольких тысяч часов, что в сто раз меньше срока службы реактора. Киселевским был выполнен также ряд пионерских теоретико-экспериментальных работ по прогнозированию длительной прочности и сопротивления усталости материала в условиях облучения. Поскольку данные работы выполнялись сугубо с механических позиций, их практическое применение было затруднительным ввиду необходимости определению большого количества взаимосвязанных эмпирических параметров.
К настоящему времени достаточно хорошо развиты методы прогнозирования кинетики трещины при длительном статическом и циклическом нагружении. Эти методы широко используют новый параметр механики разрушения С -интеграл. В то же время отсутствуют методы, позволяющие прогнозировать кинетику трещины с учетом нейтронного облучения.
Из вышеизложенного следует, что для прогнозирования свойств материала элемента реактора типа БН невозможно опираться только на экспериментальные методы и на сугубо механические подходы. Поэтому в диссертации был использован так называемый локальный подход, суть которого заключается в учете физических процессов накопления повреждений в материале, происходящих на микро и макроуровне, и формулировке криетрия разрушения элементарного объема (например, зерна поликристаллического материала) в терминах механики деформируемого твердого тела. Процесс развития трещины в материале представляется как последовательное разрушение элементарных объемов материала у вершины, движущейся трещины.
В настоящей диссертационной работе разработана физико-механическая модель межзеренного разрушения материала в условиях ползучести и нейтронного облучения. Модель позволяет прогнозировать длительную прочность и пластичность аустенитных сталей при нейтронном облучении. Кроме того, в рамках диссертации разработан инженерный метод построения усталостных кривых при различной скорости деформирования с учетом эффектов ползучести и нейтронного облучения. Разработан также метод прогнозирования кинетики трещины при нейтронном облучении.
На основании разработанных методов, имеющихся и полученных экспериментальных данных построены нормативные зависимости служебных характеристик материала, а также предложен метод расчета накопления повреждений, позволяющий проводить адекватный прогноз прочности и долговечности элементов оборудования реакторов типа БН.
