Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие методы наведения и оценки остаточных напряжений 11
2. Начально-краевая задача термоупругоползучести под действием градиента температур 31
2.1. Постановка задачи термоупругоползучести 31
2.2. Задача термоупругоползучести для толстостенной трубы 38
2.3. Решение температурной задачи для толстостенной трубы 45
2.4. Решение термоупругой задачи для толстостенной трубы 46
2.5. Решение задачи термоупругоползучести для толстостенной трубы 58
3. Конечно-элементное моделирование процессов наведения остаточных напряжений в элементах конструкций 66
3.1. Анализ особенностей дробеструйной обработки поверхностного слоя 67
3.1.1. Конечно-элементное моделирование упругопластического контактного взаимодействия сферической частицы с плитой в случае статического приложения нагрузки 67
3.1.2. Оценка напряженно деформируемого состояния для случая динамического взаимодействия сферической частицы с преградой 73
3.1.3. Накопление поврежденности в материале в результате накопления необратимых пластических деформаций 76
3.2. Исследование краевых эффектов в процессе термопластического упрочнения поверхностного слоя трубы с учётом явления ползучести 79
3.3. Моделирование теплообмена в трубе с жидкостью 89
4. Экспериментальное определение напряжений в трубе, подвергнутой градиенту температур 97
Заключение 107
Список использованных источников и литературы 108
- Задача термоупругоползучести для толстостенной трубы
- Решение задачи термоупругоползучести для толстостенной трубы
- Конечно-элементное моделирование упругопластического контактного взаимодействия сферической частицы с плитой в случае статического приложения нагрузки
- Исследование краевых эффектов в процессе термопластического упрочнения поверхностного слоя трубы с учётом явления ползучести
Введение к работе
Актуальность работы. Разработка металлосберегающих технологий, позволяющих производить машины и механизмы повышенной прочности, в настоящее время является одной из основных задач научно-технического прогресса. Решение проблемы повышения прочности металла в условиях его эксплуатации вызывает необходимость поиска новых технологий, позволяющих защищать металл от нежелательных внешних воздействий. Данная проблема связана с учётом различных параметров и характеристик состояний, возникающих в материале. Среди различных внутренних параметров, характеризующих состояние материала в условиях внешних воздействий, особое место занимают остаточные напряжения. К настоящему времени проблема наведения и расчёта остаточных напряжений до конца не изучена и остаётся актуальной.
Известно, что остаточные напряжения, специальным образом наведённые в материале, влияют на устойчивость материала к внешним воздействиям [28]. Металл, например, может иметь некоторые несовершенства структуры (дислокации, микротрещины, микропоры и т. п.), которые способствуют его разрушению. Наличие сжимающих остаточных напряжений приводит к закрытию микротрещин и повышает прочностные характеристики металла.
Огромный экономический ущерб наносит также коррозия и вызванное ей коррозионное растрескивание под напряжением (КРН). Металл при КРН ухудшает свои характеристики, становится невозможным выполнение изделием заданных конструктивных функций. Известны различные методы борьбы, направленные против КРН. Большинство из них основано на нанесении самых различных защитных покрытий на поверхность металла с целью предотвращения или снижения проникновения ионов водорода внутрь металла [15]. Наряду с нанесением защитных покрытий одним из методов, снижающих диффузию водорода в металле, также является наведение остаточных напряжений сжатия на поверхности металла.
Известны различные методы наведения остаточных напряжений в поверхностном слое металла - дробеструйная обработка, поверхностное пластическое деформирование, термообработка и т. д. Кроме них остаточные напряжения могут возникнуть и при следующем режиме термообработки. Пусть при термической обработке элемента конструкции в материале создан значительный градиент температуры, который, в свою очередь, создаёт упругие термические напряжения. При длительном времени воздействия на элемент конструкции высокой температуры и её градиента возникшие напряжения вызывают в металле деформации ползучести, которые приводят к релаксации этих термоупругих напряжений. При прекращении термической обработки и снятии градиента температуры возникнут термоупругие напряжения противоположного знака. Однако, при низкой температуре эти напряжения уже не будут релакси-ровать, что и приводит к появлению в элементах конструкций остаточных напряжений. Таким образом, сочетанием длительного с градиентом температуры нагрева и последующего охлаждения можно получить различные распределения остаточных напряжений.
Целью данной диссертационной работы являются постановка и решение начально-краевой задачи о деформировании элементов конструкций в неоднородном поле температуры; анализ изменения напряженного состояния, вызванного заданным градиентом температуры; экспериментальная проверка величины и характера распределения остаточных напряжений, наведённых в бурильных трубах за счёт заданного градиента температуры.
Во многих работах [1,3-11,13,16,20,26,29,133-153] рассматривалось решение подобного рода задач, однако в них принимались во внимание только термоупругие и пластические деформации, а также учитывалась возможность фазового перехода. Во всех этих работах явление ползучести при наведении остаточных напряжений растяжения-сжатия в материале не принималось во внимание.
Таким образом, научная новизна настоящей работы заключается в создании метода повышения стойкости металла к внешним воздействиям (нагрузка, агрессивная среда и т. п.) с помощью наведения остаточных напряжений сжатия на свободной поверхности с учётом влияния ползучести и проверке данного метода в экспериментальных условиях.
Достоверность результатов. Достоверность полученных результатов диссертационной работы обеспечивается применением фундаментального математического аппарата механики деформируемого твёрдого тела при постановке задачи и использованием апробированных алгоритмов численного решения, соответствием теоретических и экспериментальных результатов.
Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные результаты данной работы показывают, что рассмотренный метод наведения остаточных напряжений может быть использован в нефтяной промышленности при создании в нефтепромысловых трубах остаточных напряжений, повышающих их стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, а также в других отраслях, где необходимо наличие сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое элементов конструкций.
Апробация работы. Материалы настоящей диссертационной работы представлялись, докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах, школах и семинарах:
Сибирской школе по современным проблемам механики деформируемого твердого тела, 1990, г. Якутск;
IV Межреспубликанском симпозиуме « Остаточные напряжения: моделирование и управление», 1992, г. Пермь;
Ежегодной областной научно-технической конференции «Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды», Самарская государственная архитектурно-строительная академия, 1993, 1997, 1998, 1999;
Ежегодной научной конференции ученых и специалистов Самарского государственного университета, 2000, 2001;
Научном семинаре «Актуальные проблемы механики сплошных сред» Самарского государственного университета под руководством д. ф.-м. н., проф. Астафьева В.И., 2001;
Научном семинаре Самарского государственного аэрокосмического университета под руководством д. т. н., проф. Павлова В.Ф., 2002;
Двенадцатой межвузовской конференции «Математическое моделирование и краевые задачи», 2002, г. Самара;
Третьей Международной конференции молодых учёных «Актуальные проблемы современной науки», 2002, г. Самара.
Школе-семинаре Воронежского государственного университета «Современные проблемы механики и прикладной математики», 2002, г. Воронеж;
' Полностью диссертация была заслушана на расширенном заседании кафедры «Безопасность информационных систем» Самарского государственного университета 10 октября 2003 года. Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.
Астафьев В.И., Горелова В.В. Тензорный параметр упрочнения в условиях ползучести // Сибирская школа по современным проблемам МДТТ: Тезисы докл. -Якутск, 1990. - С. 11-12.
Горелова В.В. Определение остаточных напряжений в трубах при переменном режиме нагревания-охлаждения / УДК 620.9 Энергетика. - М., 1991. - 21 с, прил. - Деп. в ВИНИТИ 29.05.91, № 2241-В 91.
Астафьев В.И., Горелова В.В. Влияние процесса ползучести на величину остаточных напряжений при термоциклировании // Остаточные напряжения: моделирование и управление: Тезисы докладов IV Межреспубликанского симпозиума. -Пермь, 1992. - С. 13.
Горелова В.В. Анализ остаточных напряжений, наведённых ползучестью в трубах в различных условиях нагружения // Неупругие деформации, прочность и надёжность конструкций. - Самара: СГТУ, 1993. - С. 48-53.
Горелова В.В. Сравнение результатов теоретических исследований по наведению остаточных напряжений растяжения-сжатия в условиях ползучести с экспериментальными данными // Исследования в области архитектуры, строительства и охраны окружающей среды: Тезисы докладов обл. 56-ой НТК. - Самара: СамГАСА, 1999. - С. 51.
Горелова В.В. Конечно-элементное моделирование упругопластического контактного взаимодействия сферической частицы с плитой // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды двенадцатой межвузовской конференции 29-31 мая 2002 г. - Ч. 1. - Самара, 2002. - С. 54-58.
Астафьев В.И., Горелова В.В. Упругопластическое контактное взаимодействие сферической частицы с плитой // Современные проблемы механики и прикладной математики: Труды школы-семинара ВГУ. - Воронеж, 2002.-С. 12-17.
8. Горелова В.В. Численный расчет упругопластического контактного
взаимодействия сферической частицы с плитой // Актуальные проблемы
современной науки: Труды 3-й Международной конференции молодых
ученых 30 сентября - 2 октября 2002 г. - Ч. 1. - Самара, 2002. - С. 52-53.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введе
ния, четырёх глав, заключения и списка литературы. Объём работы 123 страни
цы, из них 107 страниц текста и 100 рисунков, список литературы включает 153
наименования.
Содержание работы В первой главе диссертационной работы приводится обзор литературы, посвященной проблеме наведения остаточных напряжений в элементах конструкций. Отмечен ряд учёных, которые внесли значительный вклад в исследование проблемы наведения остаточных напряжений (И.А. Биргер, С.А. Бордаков,
СИ. Иванов, А.А. Ильюшин, В.Ф. Павлов, Ю.Н. Работнов, S.R. Bodner, В.А. Boley, J.A. Burnett, A.M. Freudenthal, Т. Inoue, E.F. Rybicki и другие).
Как показывает анализ литературы, в последние десятилетия основное внимание исследователей привлекает задача по определению термоупругопла-стических напряжений при различных температурных и/или механических воздействиях. В этих задачах принимаются во внимание только термоупругие и пластические деформации, а также учитывается влияние фазового перехода. Однако, влияние деформаций ползучести на процесс наведения остаточных напряжений в большинстве работ игнорируется. В этой связи целью данной работы является исследование влияния процесса ползучести на величину и распределение остаточных напряжений в элементах конструкций.
Вторая глава посвящена постановке и решению начально-краевой задачи термоупругоползучести под действием градиента температур. Решение несвязанной задачи термоупругоползучести разбивается на три этапа. На первом этапе решается температурная задача при заданных условиях нагрева. Второй этап - решение термоупругой задачи, являющейся начальным условием для задачи термоупругоползучести. На третьем этапе численными методами решается собственно задача термоупругоползучести.
В третьей главе проводится сравнение результатов наведения остаточных напряжений, представленных во второй главе, с результатами, полученными по другим технологиям. Сравниваются особенности распределения остаточных напряжений, наведённых методом дробеструйной обработки поверхности, и методом термоупругопластического упрочнения (ТПУ) с учётом эффекта ползучести. Анализируются краевые эффекты, возникающие при ТПУ с учётом эффекта ползучести. Определяется температурное поле потока жидкости, охлаждающей поверхность элемента конструкции при ТПУ. Все расчёты выполнены с использованием конечно-элементного пакета ANSYS 5.7.
В четвёртой главе описывается методика проведения эксперимента по наведению остаточных напряжений сжатия на внешней стенке образца трубы
из алюминиевого сплава Д16Т. Приводится схема установки, на которой производили испытания образца. Проводится расчёт экспериментальных данных и их сравнение с данными, полученными с помощью теории.
Заключительная часть работы содержит основные результаты и выводы.
Положения, выносимые на защиту:
Постановка и решение начально-краевой задачи термоупругоползучести в неоднородном температурном поле.
Распределение остаточных напряжений в трубах при их термообработке с заданным градиентом температуры.
Методика и результаты эксперимента по наведению остаточных напряжений в лёгких бурильных трубах.
Задача термоупругоползучести для толстостенной трубы
В работе [13] используется напряженно-деформированное состояние полого цилиндра при спрейерной закалке. Приводится решение задачи для поля температур, напряжений и деформаций. Рассматривается длинный полый цилиндр, который омывается изнутри и снаружи охладителем. Для расчёта напряжения используется теория малых упругопластических деформаций Ильюшина [11]. Так как аналитическое решение этой задачи получить невозможно, то авторы приводят формулы, позволяющие рассчитать кинетику поля температур и напряжений в процессе закалки. Решение осуществлено методом конечных разностей, причём за счёт квазилинеаризации температурных функций коэффициента теплопроводности, теплообмена и других. Расчёт проводили методом прогонки. Анализ результатов показывает, что тангенциальные и осевые напряжения сначала растягивающие вблизи наружной поверхности и сжимающие - на внутренней. С течением времени картина меняется. После охлаждения в течение 7,5сек. напряжения становятся растягивающими на внутренней и сжимающими на наружной. При этом отмечено, что напряжения т „ и т изменяются монотонно по радиусу. Тангенциальные остаточные напряжения изменяются сравнительно монотонно по толщине. Области сжимающих напряжений чередуются с растягивающими. Описанный ход изменения напряжений представляет интерес, так как позволяет оценить области вероятного зарождения трещин при термообработке, а также количество циклов нагружения и разгрузки. При термообработке происходит неоднократная смена знака напряжений в отдельных слоях, при этом возможна и повторная пластическая деформация.
Из-за образования трещин в трубах реакторов с кипящей водой (РКВ) возможно снижение выработки электроэнергии. В последние годы проблеме растрескивания таких труб уделяется определённое внимание как в плане её изучения, так и в смысле разработки мер борьбы с этим явлением. Исследования показали, что причиной образования трещин в нержавеющей стали 304 является межзёренное коррозионное растрескивание под напряжением. Общий обзор по этому вопросу дан в [36,57]. Работы [47,63,64,89] посвящены рассмотрению конкретных задач растрескивания. Экспериментальные исследования [47,89] и исследования с применением моделей [120,123,131] показали, что в трубах определённых размеров, используемых в водопроводных системах РКВ, при обычной сварке образуются зоны остаточных растягивающих напряжений в местах возникновения МКРН. Эти напряжения могут достигать предела текучести материала при комнатной температуре.
В последние десятилетия значительное внимание привлекает задача анализа термоупругопластических напряжений. Изучение литературы показывает, что осесимметричные задачи термоупругопластичности рассматриваются некоторыми исследователями в качестве так называемых статистически определённых [39,74,92,146]. Позднее автор в [84] рассмотрел задачу о нестационарных тепловых напряжениях в бесконечном сплошном цилиндре, подвергающемся быстрому нагреву и охлаждению. В работе [29] с помощью метода конечных разностей получено решение для упругопластических толстостенных труб при нестационарном тепловом нагружении, причём свойства материала считались температурно-независимыми.
В статье [9] рассматривается задача о нестационарных тепловых напряжениях в бесконечно длинном полом цилиндре, подвергаемом быстрому охлаждению с наружной поверхности. Для вычисления распределений термоупругопластических и остаточных напряжений используется метод последователь 27 ных упругих решений [101,133], основанный на инкрементной теории пластичности. Свойства материала считаются температурно-зависимыми, а его поведение характеризуется линейным деформационным упрочнением. Описанная численная процедура определения нестационарных и остаточных напряжений в цилиндре позволила авторам сделать следующие выводы: 1) осевые и тангенциальные деформации, вызывающие остаточные деформации, возникают, главным образом, вблизи границ; 2) знаки остаточных напряжений противоположны знакам термоупруго-пластических напряжений, возникших на ранней стадии охлаждения; 3) температурно-зависимые свойства являются важным фактором, влияющим на распределение напряжений, особенно для осевых и тангенциаль ных напряжений вблизи границ. Следует уделить отдельное внимание изучению остаточных напряжений в условиях агрессивной среды. Современные методы борьбы с коррозионным растрескиванием под напряжением в сварных трубах из нержавеющей стали 304 основаны на различных способах регулируемого нагрева [26,37,124,135,141,142]. При правильном применении эти способы нагрева создают высокие сжимающие напряжения в области, где обычно наблюдается растрескивание. Считается, что сжимающие напряжения являются эффективным средством предотвращения коррозионного растрескивания под напряжением. Один из способов регулируемого нагрева труб основан на индукционном нагреве и называется «индукционным нагревом для уменьшения напряжений» или сокращённо ИНУН. Эффективное использование индукционного нагрева требует изучения зависимости получаемых остаточных напряжений от параметров индукционного нагрева. В статье [16] описана разработка модели численного расчёта распределения плотности тепловыделения и температурного поля при ИНУН. Индукционный нагрев приводит к распределению тепловых источников по толщине стенки трубы.
Решение задачи термоупругоползучести для толстостенной трубы
Из литературного обзора, представленного в главе 1, следует, что наиболее широко используемым методом наведения остаточных напряжений в поверхностном слое является дробеструйная обработка поверхности, при которой поверхность детали подвергается воздействию потока частиц, двигающихся со значительной скоростью. Ударное взаимодействие частиц с поверхностью приводит к появлению необратимых пластических деформаций в поверхностном слое, и, соответственно, остаточных напряжений сжатия.
Во второй главе было показано, что остаточные напряжения могут быть наведены в элементах конструкций и в режиме ползучести при наличии градиента температур. Поэтому целью данной главы является сравнение результатов наведения остаточных напряжений при дробеструйной обработке и в режиме ползучести с градиентом температуры.
Вопросы моделирования процессов, происходящих при дробеструйной обработке, с феноменологической точки зрения рассматривались в работах [21,100], однако всё ещё моделирование процессов накопления пластических деформаций и остаточных напряжений далеко до завершения.
В настоящей работе для моделирования упругопластического контактного взаимодействия сферической частицы с плитой производился конечно-элементный расчет. Для этой цели был выбран пакет конечно-элементного анализа ANSYS 5.7.
Для расчета напряженно деформируемого состояния, возникающего при взаимодействии частицы с преградой, рассмотрим на первом этапе случай статического приложения нагрузки.
Рассмотрим задачу о квазистатическом внедрении сферической частицы в плиту. Примем, что материал, как частицы, так и плиты обладает упруго пластическими свойствами. Моделирование упругопластического контактного взаимодействия двух тел представляет собой достаточно сложную математическую задачу. Происходит это ввиду того, что форма и размеры пластической зоны заранее не известны.
Для описания в первом приближении поведения материала воспользуемся моделью упругопластического тела с линейным упрочнением. Предложенная модель позволяет учесть как обратимые, так и необратимые деформации, которые происходят в материале. В то же время в модели используется всего лишь три параметра, которые имеют ясный физический смысл и могут быть определены экспериментально.
Нагружение производится путем постепенного увеличения усилия на контактные поверхности при контролируемой величине смещений, что позволяет описать зависимость Р 8 (Р-сила, -смещение). Рассматриваемая схема нагружения достаточно точно моделирует условия нагружения [7]. Для получения аналитической зависимости Р 8 необходимо решение контактной задачи для упругопластического тела, что представляет труднопреодолимые математические трудности, что, в свою очередь, приводит к необходимости использовать для решения задачи приближенные методы. Рассмотрим реализацию поставленной задачи с использованием метода конечных элементов, реализованного в пакете ANSYS 5.7.
Вид конечно элементной модели с приложенными граничными условиями (в виде стилизованных значков) показан на рис. 3.1.2. Общее число элементов, включая контактные элементы, составило около 8000. Для рассматриваемого случая свойства материала принимаются одинаковыми. Для завершения построения модели задают механические характеристики материала: величину модуля Юнга Е=2 10п Па, тангенциальный модуль Етан=2 109 Па и предел текучести стт=109 Па. Максимальная величина прило-женного давления составляла 1600 кГ/см . После этапа нагружения производилась полная разгрузка. Время счета сильно варьируется в зависимости от многих параметров, таких как общее число элементов, число контактирующих элементов, величина шага по нагружению, число подшагов и максимально допустимое число равновесных итераций на каждом подшаге. В рассматриваемом случае время счета составляло 0.5 - 2 часа на Pentium III 128 MB RAM. Результаты решения могут быть представлены как в графическом, так и текстовом виде. На рис. 3.1.3 и 3.1.4 представлено распределение контактных напряжений р [Па] по сечению, соответствующих приложенному нормальному давлению р=105 Па и р= 16 105 Па соответственно. Как видно из представленного распределения контактных напряжений, происходит существенное изменение их формы в процессе нагружения. В случае развитого пластического течения контактные усилия принимают все более равномерный характер, а максимальная величина контактного давления достигает значения 4ат.
Конечно-элементное моделирование упругопластического контактного взаимодействия сферической частицы с плитой в случае статического приложения нагрузки
Предполагаемая в данной работе численная модель состоит из двух частей. В первой части рассчитывается индуцированный электрический ток и определяется распределение плотности тепловых источников по толщине стенки трубы. Во второй - эти плотности тепловых источников используются для расчёта распределения температуры. В работе показано, что зависимость свойств материала от температуры имеет большое значение при моделировании индукционного нагрева. Однако введение в модель температурной зависимости свойств материала приводит к нелинейным уравнениям, которые требуют применения итерационных методов решения в каждой части модели. Предложенная модель учитывает важные параметры процесса индукционного нагрева и хорошо согласуется с экспериментальными данными по температуре для труб двух различных диаметров.
Индукционный нагрев давно используется в технике в тех случаях, когда требуется интенсивный локальный нагрев. Сравнительно недавно индукционный нагрев стали рассматривать в электроэнергетике в качестве возможного метода улучшения распределения остаточных напряжений в сварных встык трубах из нержавеющей стали 304. Экспериментальные и численные исследования показали, что сварка может вызвать высокие растягивающие остаточные напряжения, равные пределу текучести материала [49,89,129,131]. В зонах возникновения высоких растягивающих напряжений на внутренней поверхности сварных труб наблюдалось межзёренное коррозионное растрескивание под действием напряжения (МЗКРН). Согласно современным представлениям о МЗКРН это явление возникает при одновременном наличии следующих трёх факторов: 1) коррозионной среды; 2) чувствительности материала к растрескиванию; 3) растягивающих напряжений. Меры предотвращения МЗКРН основаны на том соображении, что если для возникновения этого явления необходимо наличие всех трёх факторов, то исключение одного из них уменьшает возможность образования трещин. Цель метода индукционного нагрева состоит в том, чтобы устранить внесённые сваркой растягивающие напряжения и, тем самым, уменьшить вероятность возникновения трещин.
Кох, Рыбицки и Стрэттэн [ 16] получили результаты для труб с двумя различными наружными диаметрами, которые показывают, что предложенная модель может быть использована для расчёта стационарных распределений температуры в осевом и радиальном направлениях в трубах, подвергаемых обработке методом ИНУН. Получены два важных результата, касающиеся температурного поля. Первый из них относится к температуре внутренней поверхности трубы, когда вода на этой поверхности находится в состоянии кипения. Вывод, сделанный на балансе потока тепла, заключается в том, что температура на внутренней поверхности трубы должна превышать температуру кипения воды. Это противоречит имеющимся экспериментальным данным, полученным с помощью термопар, которые, вероятно, измеряли температуру трубы. Второй вывод заключается в том, что для расчёта реальных распределений температуры в процессе ИНУН в модели необходимо учитывать зависимость свойств материала от температуры. Однако температурная зависимость свойств приводит к нелинейной задаче. Исследования метода ИНУН, проведённые в работах [38,124,125,127,140,142] продемонстрировали возможность использования индукционного нагрева для изменения остаточных напряжений, обусловленных сваркой.
Таким образом, при решении задач расчёта остаточных напряжений принимаются во внимание только термоупругие и пластические деформации, а также учитывается влияние фазового перехода. Однако проблема влияния ползучести при наведении остаточных напряжений растяжения-сжатия в материале до настоящего времени полностью не решена. В ряде работ [7,8] были предприняты попытки смоделировать процессы, происходящие при наведении остаточных напряжений для упругопластического материала. В этой связи целью данной работы является исследование влияния ползучести на величину и распределение остаточных напряжений в трубах нефтяного сортамента.
Из рассмотренной литературы можно сделать вывод о том, в настоящее время существует большой арсенал методов наведения и расчёта остаточных напряжений, а также борьбы с коррозионным растрескиванием, но влияние эффекта ползучести авторами не учитывается.
Исследование краевых эффектов в процессе термопластического упрочнения поверхностного слоя трубы с учётом явления ползучести
Как было показано в разделе 3.1.1, особенностью дробеструйной обработки является накопление значительных по величине необратимых пластических деформаций, что, в свою очередь, приводит к зарождению и росту микро-пор и микротрещин в поверхностном слое. Известно, что именно наличие в материале микроповреждений приводит к существенному снижению прочностных характеристик материала.
Возникновение и рост микроповрежденностей, инициируемых ударной нагрузкой, рассмотрен в работе [10]. Производилось ударное нагружение плоского образца ударником, после чего исследовалась структура материала в области контактного взаимодействия.
Длительность растягивающих напряжений максимальна в центре мишени и убывает в направлении к лицевой и тыльной поверхностям, вследствие чего центр подвергается наибольшим повреждениям. Как это видно из рис. 3.1.10 (на рисунке вертикальная ось соответствует направлению удара), ударное нагружение приводит к образованию множества микротрещин в области контактного взаимодействия.
Исследование зарождения и роста микроповрежденности в результате наведения остаточных пластических деформаций рассмотрено в [10].
На примере разрушения при растяжении стали А533В изучалась поверхность излома и полированных частей разрушенного и частично разрушенного по методу Шарли образца и образцов круглых стержней. На поверхностях из , подвергнутого удару пластиной ([10, стр. 261, рис. 6.4]) лома были видны пластические полусферические впадины, а на полированных поперечных срезах сферические пустоты. Был сделан вывод, что разрушение при растяжении происходит в результате возникновения, роста и слияния пустот (пор).
Для получения численных закономерностей процесса микроразрушения измеряли распределения включений по размерам, статистическое распределение пор и впадин на поверхности излома и устанавливали связь этих измерений с наложенным полем деформаций. На фотоснимке (рис. 3.1.11) видны поры, пересекающие отполированную плоскость, проходящую сквозь образец растягиваемого круглого стержня. Пустоты были подсчитаны и измерены.
Кумулятивное распределение по размерам регулярно возрастало по характерным размерам и по числу пустот по мере приближения к плоскости разрушения; вдали от этой плоскости оно совпадало с распределением включений, а вблизи нее - с распределением впадин. В областях с пластической деформацией менее 11% пустот обнаружено не было, что свидетельствует о том, что эта деформация соответствует не только началу формирования шейки, но и является пороговой для зарождения пустот.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что дробеструйная обработка поверхности наряду с наведением остаточных сжимающих напряжений приводит к наличию значительного числа микропор и микротрещин, служащих основой для зарождения макроповрежденностей, серьезно снижающих эксплуатационные характеристики конструкции.
Наряду с дробеструйной обработкой широкое распространение приобрели и другие способы наведения остаточных напряжений в поверхностном слое конструкций. Одним из них является термопластическое упрочнение (ТПУ). При высоких значениях температуры на поверхности необходимо также учитывать и явление ползучести.
Возникновение остаточных напряжений и деформаций происходит в результате специальной тепловой обработки поверхности элемента конструкции [39,49,74,83]. В случае наведения остаточных напряжений для трубы схема приложения температурной нагрузки может состоять в следующем. Внешняя поверхность трубы подвергается нагреву до температуры Твнеш. в течение некоторого времени, а внутренняя поверхность в то же время подвергается охлаждению до температуры Твнутр.
Процесс термоупругого нагружения с учётом явления ползучести был рассмотрен для бесконечной трубы в разделе 2. Для учёта влияния краевых эффектов при температурном нагружении трубы была построена ее конечно элементная модель. В качестве инструмента расчета был использован, как и в предыдущем случае, пакет КЭ анализа ANSYS 5.7. Рассмотрим участок трубы, подвергнувшейся ТПУ (рис. 3.2.1). Материал, из которого изготовлена труба -алюминиевый сплав Д16Т. При описании механических свойств использовалась упругопластическая модель с линейным упрочнением (рис. 3.2.2) (соответствующая опция в пакете ANSYSa - BKIN билинейная кинематическая модель с линейным упрочнением). Для описания свойств ползучести использовался закон Нортона [25]. Граничные условия для температуры следующие. На внешней поверхности трубы Т=200С, на внутренней поверхности трубы Т=20С (рис. 3.2.3). Для анализа краевых эффектов к торцам трубы также были приложены граничные условия Т=200С. Такой температурный режим выдерживался в течение 48 часов, после чего труба оставалась при комнатной температуре 20С (конвективный теплообмен). Общий вид КЭ модели представлен на рис. 3.2.1. Результаты расчета представлены на рис. 3.2.4 -3.2.37.
