Введение к работе
Проблема коррозионного растрескивания под напряжением (КРН), т.е. растрескивания при одновременном воздействии статических или медленно меняющихся нагрузок п агрессивной водородсодержащей среды, является одной из наиболее важных п слабо изученных в теоретическом плане проблем механики разрушения. Это связано с тем, что значительная часть конструкций работает в условиях сложного напряженного состояния при воздействии агрессивных сред. При КРН атомарный водород, выделяющийся при коррозионных реакциях на границе раздела среда-металл, растворяется в металле, что приводит к развитию явлений водородной хрупкости.
Под водородной хрупкостью понимают всю совокупность проявлений вредного воздействия водорода на механическое поведение и целостность (сплошность) металлов. Вредное воздействие водорода на металл проявляется прежде всего в снижении его прочностных и пластических свойств. Водород существенно увеличивает чувствительность металлов к наличию трещин. Это делает реальной опасность катастрофического хрупкого разрушения конструкций, обладающих в обычных условиях достаточной несущей способностью.
Анализ выхода из строя различных конструкций показал, что водородное охрупчпванпе является причиной многих аварий п катастроф. Несмотря на это, водород широко применяется в различных отраслях техники п промышленности. Более того, в силу целого ряда причин технического, экономического и экологического характера ожидается значительное увеличение потребления водорода для различных нужд. Указанные обстоятельства делают актуальной проблем)' теоретического моделирования процесса КРН в металлических конструкционных материалах.
Эксперименты показывают, что воздействие водородсодержащей среды на металл проявляется на макроуровне в снижении его прочности п пластичности, а на мнкроуровне-в зарождении, развитии и накопленпп различного рода повреждений (мпкропор, суб- и микродефектов, микротрещіш), вносимых действующими напряжениями и агрессивной средой. Процессы развития таких источников водородной
хрупкости связаны как с направленной диффузией атомарного водорода в места максимальных растягивающих напряжений, так д с взаимодействием диффундирующего водорода с имеющимися в объеме металла ловушками водорода - точечными, одномерными, двумерными и объемными дефектами кристаллического строения металла. Эксперименты показывают, что внешняя среда воздействует на материал через имеющиеся в нем дефекты, причем развитие уже имеющихся дефектов и зарождение новых резко ускоряется в условиях трехосного напряженного состояния.
Данная диссертационная работа посвящена теоретическому моделированию процесса накопления поврежденші в металлах в условиях КРН. Для этого был использован подход Качанова-Работнова (теория накопления повреждений), широко распространенный для случая вы-сокотсмпергітурнои ползучести металлов. Аналогично процессу накопления повреждений при ползучести металлов накопление поврежденші в металлах в условиях КРН описано в данной работе с привлечением внутренней скалярной переменной (параметра поврежденностп а») и кинетического уравнения феноменологического типа, описывающего изменение параметра поврежденностп с течением времени.
Целью диссертационной работы является
-
построение теоретической модели процесса накопления повреждений, развивающегося в идеальном упруго-пластическом материале в условиях КРН;
-
применение предложенной модели к расчету напряженных элементов конструкций (как с концентраторами напряжений, так и без нпх), находящихся в условиях воздействия водородсодержащцх сред;
-
прогнозирование поведения элементов конструкций в условиях КРН.
1) Построена новая теоретическая модель, описывающая процесс КРН в идеальном упруго-пластическом материале с использованием параметра поврежденностп и. Предложены определяющие соотношения модели (кинетическое уравнение для параметра поврежденностп ш, условие пластичности и критерий локального разрушения), учитывающие
имеющиеся экспериментальные данные о влиянии водородсодержащеи среды на деформирование материала.
2) Указана система экспериментов для нахождения материальных кон
стант (КРН-параметров материала), содержащихся в определяющих
соотношениях модели.
-
Процесс накопления поврежденностп в металлах в условиях КРН проанализирован для одноосного случая при статической нагрузке и растяжении с постоянной скоростью деформирования, а также для случая сложного напряженного состояния при постоянном тензоре напряжений.
-
Предложенная модель применена к расчету типовых элементов конструкций (балка, труба), работающих в условиях КРН. Получены системы ннтегро-днфференпнальных уравнений, описывающих процесс накопления поврежденностп и изменение с течением времени напряженно-деформированного состояния в таких элементах конструкций. На примере рассмотренных типовых элементов конструкций установлено наличие области неразрушающих нагрузок и найдена ее зависимость от КРН-параметров материала и геометрии конструкции.
-
Выполнено теоретическое моделирование роста трещин в охруп-чивающейся упруго-пластпческой среде. Получена система ннтегро-дпфференцпальных уравнений, описывающих рост как конечной, так п полубесконечной трещины в материале, находящемся в условиях на-водорожпванпя. Показано, что предложенная модель позволяет описать все периоды развития разрушения при коррозионном растрескивании.
-
определяющие соотношения модели, описывающей процесс КРН в идеальном упруго-пластическом материале, главной особенностью которых является использование параметра поврежденностп и для учета накопления повреждений, вносимых действующими напряжениями и агрессивной средой;
-
способ экспериментального обоснования предлагаемой модели;
-
математические постановки п методы решения ряда задач расчета типовых элементов конструкций без концентраторов напряжений (балка, труба) и с концентраторами напряжений (пластина со сквозной трещиной);
-
результаты расчета типовых элементов конструкций.
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ
Результаты исследования могут быть использованы прп изучении долговечности напряженных элементов конструкций в условиях КРН, а также для прогнозирования такпх ситуаций, прп которых прочность тел в условиях воздействия агрессивной среды определяется закономерностями роста трещин в материалах.
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались и обсуждались на
-пятой научной межвузовской конференции "Математическое моделирование и краевые задачи" (г. Самара, 1995 г.), -IX конференции по прочности п пластичности (г. Москва, 1996 г.), - международном семинаре "Дифференциальные уравнения п их приложения" (г. Самара, 1996 г.),
-одинадпатой Международной, зимней школе по механике сплошных сред (г. Пермь, 1997 г.),
-на кафедре механики сплошных сред Самарского Государственного Университета (1995 г., 1996 г.), а также отражены в трех публикациях.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ