Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения

На основе проведенных исследований предложены физико-механическая модель предварительного термомеханического нагружения и методика расчета этого эффекта для теплоустойчивых сталей. Методика базируется на анализе изменения напряженно-деформированного состояния в элементарном объеме материала у вер...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Проблемы прочности
Дата:	2002
Автори:	Покровский, В.В., Иванченко, А.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2002
Теми:	Научно-технический раздел
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46932
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения / В.В. Покровский, А.Г. Иванченко // Проблемы прочности. — 2002. — № 6. — С. 96-106. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-46932
record_format	dspace
spelling	Покровский, В.В. Иванченко, А.Г. 2013-07-07T20:18:27Z 2013-07-07T20:18:27Z 2002 Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения / В.В. Покровский, А.Г. Иванченко // Проблемы прочности. — 2002. — № 6. — С. 96-106. — Бібліогр.: 14 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46932 539.4 На основе проведенных исследований предложены физико-механическая модель предварительного термомеханического нагружения и методика расчета этого эффекта для теплоустойчивых сталей. Методика базируется на анализе изменения напряженно-деформированного состояния в элементарном объеме материала у вершины трещины во время предварительного термомеханического нагружения и при последующем нагружении. Данная методика позволяет учитывать такие факторы, определяющие воздействие предварительного термомеханического нагружения на сопротивление теплоустойчивых сталей хру кому разрушению, как затупление вершины трещины, остаточные напряжения и упрочнение материала у вершины трещины. На основі проведених досліджень запропоновано фізико-механічну модель попереднього термомеханічного навантаження та методику розрахунку цього ефекту для теплостійких сталей. Методика базується на аналізі зміни напружено-деформованого стану в елементарном об’ємі матеріалу у вістрі тріщини під час попереднього термомеханічного навантаження та при наступному. Використання методики дозволяє врахувати такі основні фактори, що визначають вплив попереднього термомеханічного навантаження на опір теплостійких сталей крихкому руйнуванню, як затуплення вістря тріщини, залишкові напруження та зміцнення матеріалу біля вістря тріщини. We have used the investigations performed to develop a physicomechanical model of thermomechanical preloading and a procedure of calculating this effect for high-temperature steels. The procedure is based on the variation analysis of a stress-strain state in the elementary material volume near the crack tip during thermomechanical preloading and in subsequent loading. This procedure enables one to take into account factors controlling the effect of thermomechanical preloading on the resistance of high-temperature steels to brittle fracture, such as crack tip blunting, residual stresses and hardening of the material near the crack tip. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения Prediction of the Effect of Thermomechanical Preloading on Increasing of Brittle Fracture Resistance of Structural High-Temperature Steels with Cracks. Part 1. A Model and Calculation Procedure of the Effect of Thermomechanical Preloading Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения
spellingShingle	Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения Покровский, В.В. Иванченко, А.Г. Научно-технический раздел
title_short	Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения
title_full	Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения
title_fullStr	Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения
title_full_unstemmed	Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения
title_sort	прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. сообщение 1. модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения
author	Покровский, В.В. Иванченко, А.Г.
author_facet	Покровский, В.В. Иванченко, А.Г.
topic	Научно-технический раздел
topic_facet	Научно-технический раздел
publishDate	2002
language	Russian
container_title	Проблемы прочности
publisher	Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
format	Article
title_alt	Prediction of the Effect of Thermomechanical Preloading on Increasing of Brittle Fracture Resistance of Structural High-Temperature Steels with Cracks. Part 1. A Model and Calculation Procedure of the Effect of Thermomechanical Preloading
description	На основе проведенных исследований предложены физико-механическая модель предварительного термомеханического нагружения и методика расчета этого эффекта для теплоустойчивых сталей. Методика базируется на анализе изменения напряженно-деформированного состояния в элементарном объеме материала у вершины трещины во время предварительного термомеханического нагружения и при последующем нагружении. Данная методика позволяет учитывать такие факторы, определяющие воздействие предварительного термомеханического нагружения на сопротивление теплоустойчивых сталей хру кому разрушению, как затупление вершины трещины, остаточные напряжения и упрочнение материала у вершины трещины. На основі проведених досліджень запропоновано фізико-механічну модель попереднього термомеханічного навантаження та методику розрахунку цього ефекту для теплостійких сталей. Методика базується на аналізі зміни напружено-деформованого стану в елементарном об’ємі матеріалу у вістрі тріщини під час попереднього термомеханічного навантаження та при наступному. Використання методики дозволяє врахувати такі основні фактори, що визначають вплив попереднього термомеханічного навантаження на опір теплостійких сталей крихкому руйнуванню, як затуплення вістря тріщини, залишкові напруження та зміцнення матеріалу біля вістря тріщини. We have used the investigations performed to develop a physicomechanical model of thermomechanical preloading and a procedure of calculating this effect for high-temperature steels. The procedure is based on the variation analysis of a stress-strain state in the elementary material volume near the crack tip during thermomechanical preloading and in subsequent loading. This procedure enables one to take into account factors controlling the effect of thermomechanical preloading on the resistance of high-temperature steels to brittle fracture, such as crack tip blunting, residual stresses and hardening of the material near the crack tip.
issn	0556-171X
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/46932
citation_txt	Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хрупкому разрушению конструкционных теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения / В.В. Покровский, А.Г. Иванченко // Проблемы прочности. — 2002. — № 6. — С. 96-106. — Бібліогр.: 14 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT pokrovskiivv prognozirovanievliâniâpredvaritelʹnogotermomehaničeskogonagruženiânapovyšeniesoprotivleniâhrupkomurazrušeniûkonstrukcionnyhteploustoičivyhstaleistreŝinamisoobŝenie1modelʹimetodikarasčetaéffektapredvaritelʹnogotermomehaničeskogonagruženiâ AT ivančenkoag prognozirovanievliâniâpredvaritelʹnogotermomehaničeskogonagruženiânapovyšeniesoprotivleniâhrupkomurazrušeniûkonstrukcionnyhteploustoičivyhstaleistreŝinamisoobŝenie1modelʹimetodikarasčetaéffektapredvaritelʹnogotermomehaničeskogonagruženiâ AT pokrovskiivv predictionoftheeffectofthermomechanicalpreloadingonincreasingofbrittlefractureresistanceofstructuralhightemperaturesteelswithcrackspart1amodelandcalculationprocedureoftheeffectofthermomechanicalpreloading AT ivančenkoag predictionoftheeffectofthermomechanicalpreloadingonincreasingofbrittlefractureresistanceofstructuralhightemperaturesteelswithcrackspart1amodelandcalculationprocedureoftheeffectofthermomechanicalpreloading
first_indexed	2025-11-26T23:23:45Z
last_indexed	2025-11-26T23:23:45Z
_version_	1850780143477325824
fulltext	УДК 539.4 П р о г н о зи р о в а н и е в л и я н и я п р е д в а р и т е л ь н о г о т е р м о механического нагружения на повыш ение сопротивления хрупкому разруш ению конструкционны х теплоустойчивых сталей с трещинами. Сообщение 1. Модель и методика расчета эффекта предварительного термомеханического нагружения В. В. П окровский, А. Г. И ванченко Институт проблем прочности НАН Украины, Киев, Украина На основе проведенных исследований предложены физико-механическая модель предвари тельного термомеханического нагружения и методика расчета этого эффекта для тепло устойчивых сталей. Методика базируется на анализе изменения напряженно-деформиро ванного состояния в элементарном объеме материала у вершины трещины во время предварительного термомеханического нагружения и при последующем нагружении. Данная методика позволяет учитывать такие факторы, определяющие воздействие предвари тельного термомеханического нагружения на сопротивление теплоустойчивых сталей хру кому разрушению, как затупление вершины трещины, остаточные напряжения и упроч нение материала у вершины трещины. К лю чевы е слова : предварительное термомеханическое нагружение, хрупкое разрушение, остаточные напряжения. Введение. Проблеме повышения сопротивления теплоустойчивых ста лей хрупкому разрушению после предварительного термомеханического на гружения (ПТН) посвящены многочисленные исследования [1-9]. Это свя зано как с практической значимостью данного процесса, с использованием которого можно увеличить несущую способность элементов конструкций атомных энергетических установок [1], так и с его сложностью. Анализ приведенных в литературных источниках данных показал, что существует общее представление о характере и механизмах повышения вязкости разрушения после ПТН [1] (рис. 1). В то же время не установлена роль каждого из механизмов повышения вязкости разрушения для мате риалов с разными свойствами, что не позволяет в полной мере изучить влияние различных факторов на эффект ПТН, особенно на его устойчивость под влиянием эксплуатационных факторов. Поэтому известные модели ПТН [5, 7] и основанные на них методики расчета эффекта ПТН не могут претендовать на полноту отображения этого сложного вопроса, а значит, на достаточно точное качественное и количественное его решение. Для выяснения характера влияния эксплуатационных факторов на эф фект ПТН и вклада разных механизмов в повышение вязкости разрушения после ПТН авторами была проведена серия экспериментальных исследо ваний, результаты которых опубликованы ранее [10]. В процессе исследова ний подтвердилось, что существующие модели предварительного термо механического нагружения тела с трещиной [1, 5, 7] позволяют удовлетво рительно описать эффект повышения вязкости разрушения в определенных границах. Однако с достаточной точностью описать его при некоторых © В. В. ПОКРОВСКИЙ, А. Г. ИВАНЧЕНКО, 2002 96 Й'ОТ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 6 Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения режимах ПТН нельзя, поскольку использование этих моделей сопряжено с определенными трудностями. В частности, методика расчета эффекта ПТН, основанная на модифицированном /-интеграле и известная как “модель Челла” [5, 7], которая использует различие размеров пластических зон, не учитывает такой значимый фактор, как затупление вершины трещины, кото рое может остаться после снятия нагрузки. Рис. 1. Зависимость вклада различных механизмов повышения вязкости разрушения в эффект ПТН от величины перегрузки: 1 - деформационное упрочнение; 2 - затупление трещины; 3 - остаточные сжимающие напряжения. Таким образом, изложенное выше свидетельствует о необходимости создания модели, позволяющей с достаточной точностью прогнозировать изменение вязкости разрушения после ПТН с учетом влияния различных эксплуатационных факторов и механических свойств теплоустойчивых ста лей. Такая модель должна адекватно описывать процессы у вершины трещи ны при ПТН и после него и таким образом учитывать все стороны этого явления. Ф изико-механические предпосылки. Предлагаемая модель предназ начена для описания процессов у вершины трещины при ПТН по различным схемам [10], а именно: по схеме без разгрузки, а также с частичной и полной разгрузкой. Последняя схема наиболее перспективна для практического при менения, но наименее точно описываемая с помощью существующих мето дик. Модель строится на следующих допущениях и предпосылках. 1. Область у вершины трещины разбивается на элементарные объемы (ЭО), внутри которых напряженно-деформированное состояние (НДС) при нимается однородным. Разрушение наиболее нагруженного ЭО приводит к страгиванию трещины и разрушению всего тела. Самым нагруженным счи тается наиболее близкий к вершине трещины элементарный объем [11]. 2. На нижнем шельфе температурной зависимости вязкости разрушения как после ПТН, так и в случае, когда тело с трещиной не подвергалось ПТН, разрушение происходит хрупко при превышении напряжениями в одном из ЭО напряжений микроскола о с, что приводит к страгиванию микротрещи ны и ее объединению с макротрещиной. ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 6 91 В. В. Покровский, А. Г. Иванченко 3. Предварительное термомеханическое нагружение тела с трещиной проводится при температуре выше температуры вязкохрупкого перехода, т.е. когда материал разрушается вязко. Поэтому максимально возможной нагруз кой для тела будет величина Р ^ , при которой в одном из ЭО деформация достигнет критического значения е = е у . Напряженно-деформированное со стояние при ПТН и после него оценивается в ближайшем к вершине тре щины ЭО, так как в нем наиболее вероятно зарождение разрушения. 4. Диаграмма деформирования материала описывается с помощью зави симости [12] 0 I = 0 0,2 + А(е I ) " , (1) где о о 2 - предел текучести материала; А и п - эмпирические коэффициент и показатель, определенные из реальной диаграммы деформирования мате риала. 5. Напряженно-деформированное состояние оценивается в геометри чески нелинейной постановке, поскольку при наличии пластической дефор мации у вершины трещина притупляется. 6. Повышение сопротивления сталей хрупкому разрушению на нижнем шельфе температурной зависимости после ПТН обусловлено изменениями в напряженно-деформированном состоянии, а именно: наведением системы остаточных сжимающих напряжений; затуплением вершины трещины и деформационным упрочнением материала у вершины трещины. М етодика расчета эффективности ПТН. На основе этих положений разработана методика расчета эффекта повышения сопротивления тепло устойчивых сталей после ПТН хрупкому разрушению. Рассмотрим четыре последовательные стадии нагружения: 1) нагружение материала с трещиной при температуре выше темпе ратуры изменения характера разрушения от вязкого к хрупкому (Тхвп) до определенного значения К = К птн; 2) разгрузка при той же температуре до значения К = К 2; 3) охлаждение до температуры ниже температуры Тхвп; 4) нагружение материала при температуре ниже температуры Гхвп до разрушения (К = К у ). При ПТН по схеме без разгрузки имеем К 2 = К птн, в то время как по схеме с полной разгрузкой - К 2 = 0. Процессы, происходящие у вершины трещины на первой стадии, доста точно хорошо изучены [1, 3, 5, 6, 8]. При нагружении до уровня К = К птн в ЭО возникают напряжения о птн и деформации е птн (рис. 2), а раскрытие вершины трещины (РВТ) достигает величины д птн. Деформации е птн можно разложить на упругую е птн и пластическую ептн составляющие. Стадию разгрузки для ЭО можно условно разделить на два этапа. На первом этапе происходит упругая разгрузка до уровня о = 0 и е = е птн. При этом к образцу все еще приложена нагрузка К > 0. Дальнейшая разгрузка до уровня К = 0 приводит к сжатию материала. Напряжения в ЭО после разгрузки равны о ге5. 98 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 6 Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения ... Рис. 2. Интенсивность напряжений и деформаций в ЭО при ПТН. (Сплошная линия нагружение, штриховая - разгрузка.) Рис. 3. Распределение напряжений у вершины трещины и деформирование ЭО при ПТН: ЬТр - длина трещины; р - радиус затупления вершины трещины, равный половине рас крытия вершины трещины 6; а т - предел текучести; d - размер ЭО; гр - размер пласти ческой зоны; А/ - необратимое (пластическое) удлинение ЭО. Сжатие материала происходит вследствие того, что при его нагружении у вершины трещины образуется зона пластической деформации (рис. 3). Когда в элементарных объемах, попавших в эту зону, запас накопленной во время нагружения упругой энергии исчерпан, в ЭО за пределами пласти ческой зоны имеют место упругие деформации, энергия которых направлена на восстановление равновесного состояния, существовавшего до нагруже ния. Поскольку ЭО внутри пластической зоны получили значительное не обратимое удлинение А/ по координате У (рис. 3) по сравнению с осталь ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 6 99 В. В. Покровский, А. Г. Иванченко ными элементарными объемами, то по мере разгрузки они подвергаются сжатию со стороны упругого материала. Сжатие ЭО у вершины трещины на втором этапе разгрузки происходит до тех пор, пока в теле не установится равновесие. Пластически деформированные упрочненные ЭО не позволяют закрыться трещине в ее вершине, чем объясняется существование оста точного раскрытия вершины трещины после ПТН. При этом закрытие трещины происходит на некотором расстоянии позади ее вершины. Если величина разгрузки такова, что при К = К 2 в ближайшем к вершине трещины ЭО напряжения будут равны нулю, то остаточные сжима ющие напряжения отсутствуют. На последней стадии материал после охлаждения до температуры ниже температуры хрупкости нагружается до разрушения. Рассмотрим особенности нагружения материала после ПТН по различ ным схемам. Нагруж ение по схеме без разгрузки. В момент начала нагружения в ЭО у вершины трещины имеют место напряжения о = о птн и деформации е = е птн. Вследствие упрочнения материала ЭО эффективный предел теку чести о тз будет соответствовать накопленной пластической деформации е тн (рис. 4,а). В процессе нагружения напряжения в ЭО будут изменяться по линейному закону еЕ о = ~ ------т (2)2(1 + ц) до достижения уровня о = о тз . После этого изменение напряжений с рос том деформаций носит нелинейный характер и описывается формулой (1). По достижении уровня напряжений о = о с ЭО разрушается, что приводит к страгиванию трещины. При этом следует учитывать, что величина напря жения микроскола о с зависит от накопленной пластической деформации [11,13]. Методика получения подобной зависимости детально описана в работах [11, 13]. Приведенная на рис. 5 экспериментальная зависимость о с от е р для стали 15Х2МФА (III) имеет возрастающий характер. Нагруж ение по схеме с полной разгрузкой. В момент начала нагружения наблюдается остаточное раскрытие вершины трещины, в ЭО у вершины тре щины имеют место напряжения о = о ге8, и материал упрочнен. Ввиду наличия остаточного раскрытия (начального притупления) трещины сингу лярность напряжений у ее вершины будет существенно отличаться от син гулярности для острой трещины, и напряжения в соответствующем ЭО будут значительно ниже. Кроме того, до уровня нагружения К ге5, при котором в не подвергнутом ПТН материале с притупленной трещиной напряжения по абсолютной величине равны остаточным, о = о гг5, будет происходить разгрузка ЭО до нейтрального НДС, когда о = 0 (рис. 4,б). И только при К > К гг5 напряжения в ЭО начнут увеличиваться от нуля до критического напряжения микроскола о с. Влияние упрочнения материала на повышение сопротивления хрупкому разрушению выражается в увеличе нии значения о с по мере роста накопленной пластической деформации (рис. 5). 100 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 6 Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения Рис. 4. Изменение интенсивностей напряжений и деформаций на разных стадиях ПТН: а - без разгрузки; б - полная разгрузка; в - частичная разгрузка при отсутствии остаточных сжимающих напряжений (1, 2 - соответственно нагружение и разгрузка при температуре Тптн; 3 - нагружение при температуре разрушения Т̂ ; 4 - зависимость интенсивности напряжений от деформаций неперегруженного материала при Т^). а с , МПа 2000 1500 Рис. 5. Экспериментальная зависимость напряжения микроскола ас от накопленной пласти ческой деформации е? для стали 15Х2МФА (III). 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, № 6 101 В. В. Покровский, А. Г. Иванченко Нагруж ение по схеме с частичной разгрузкой. Такое нагружение явля ется промежуточным между нагружением по двум схемам, рассмотренным выше. Его, в свою очередь, можно разделить на два следующих: 1) разгрузка такова, что при К = К 2 в ближайшем к вершине трещины ЭО существуют растягивающие напряжения о 2 > 0, деформации равны е 2 (рис. 4,в), а раскрытие вершины трещины д = д ге5 соответствует уровню разгрузки К 2. По мере нагружения напряжения и деформации в ЭО изменя ются таким же образом (рис. 4,в), как и в случае ПТН без разгрузки, т.е. линейно до достижения эффективного предела текучести о = о тз, и далее в соответствии с диаграммой деформирования материала. При расчете напря жений у вершины трещины учитывается изменение их сингулярности вслед ствие затупления вершины. По достижении уровня напряжений о = о с ЭО разрушается, что приводит к страгиванию трещины; 2) уровень разгрузки таков, что в ближайшем к вершине трещины ЭО имеют место остаточные сжимающие напряжения о 2 = о , соответству ющие уровню разгрузки К 2 (рис. 4,г), а раскрытие вершины трещины д = д гех соответствует уровню разгрузки К 2. По мере нагружения напря жения в ЭО будут изменяться так же, как и в случае ПТН с полной раз грузкой, а именно: от о = о до о = 0, затем от о = 0 до о = о с (рис. 4,г). Расчет остаточного раскрыт ия вершины трещины и остаточных сж имающих напряжений. Для оценки НДС в ЭО на последней стадии нагружения необходимо располагать величинами остаточного раскрытия вер шины трещины и остаточных сжимающих напряжений. Их можно вычислить с помощью численных методов. Авторы предлагают упрощенную методику решения этой задачи на основе анализа НДС наиболее опасного ЭО. Данная методика базируется на том, что пластическая деформация локализована в небольшой области у вершины трещины. Таким образом, можно считать, что материал, за исключением некоторого небольшого числа ЭО у вершины трещины, деформируется упруго. Следовательно, все потери энергии упругопластической деформации можно отнести к этой пласти ческой зоне. Рассмотрим ближайший к вершине трещины ЭО. Раскрытие вершины трещины оценим по формуле, предложенной в работе [14]: где К - текущий коэффициент интенсивности напряжений; Е - модуль К 2 (3) Юнга; о - эффективный предел текучести материала; а - коэффициент, вычисляемый по формуле [14] пЕ (4) (л - коэффициент Пуассона). 102 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2002, N 6 Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения При нахождении остаточного раскрытия вершины трещины д res сле дует учитывать, что материал, нагруженный до уровня выше предела теку чести о т2 > о 0 2, при последующем после разгрузки нагружении будет деформироваться пластически, только начиная с уровня нагружения, соот ветствующего о > о т2 (рис. 2), т.е. можно говорить о новом пределе теку чести для пластически деформированного материала. Поскольку изменение раскрытия вершины трещины происходит преимущественно за счет пласти ческой деформации, при разгрузке его уменьшение необходимо оценивать уже с учетом изменившегося (возросшего) предела текучести. Исходя из вышеизложенного порядок расчета д res таков: 1) по формуле (3) определяется РВТ при предварительном термомеха ническом нагружении, д птн = f (K птн) - (рис. 6); 2) рассчитываются напряжения в ближайшем к вершине трещины ЭО при K = K птн. В случае если полученные напряжения превышают предел текучести (о птн > о т ), то эффективный предел текучести материала ЭО равен напряжениям при ПТН (о т2 = о птн, индекс “т2” обозначает, что дан ное значение предела текучести действительно на второй стадии ПТН - стадии разгрузки); 3) по формуле (3) рассчитывается и “обратное раскрытие” вершины тре щины д 2 (уменьшение полученного при ПТН раскрытия) при разгрузке. При этом вместо о т в формулу подставляется значение о т2 = о птн, и расчет проводится от К = 0 до K = K птн с началом координат в точке А (рис. 6), соответствующей К птн и д птн; 4) остаточное раскрытие вершины трещины д res равно разности абсо лютных величин раскрытия при ПТН д птн и обратного раскрытия д 2 при разгрузке: д res = \|д птн \| \|д 2 \|. (5) Характер расчетных зависимостей д = f (K ) и д res = f (K птн) совпа дает с типичными диаграммами нагрузка P - РВТ д, записанными в окрестности вершины трещины с помощью тензодатчиков. При расчете остаточных сжимающих напряжений будем исходить из того, что на сжатие ЭО расходуется только энергия упругих деформаций. Поэтому очевидно, что отношение работы упругих деформаций к работе упругопластических деформаций в ЭО не может быть больше, чем для всего тела. Следовательно, имеет место выражение ( U f / U f ) > ( U f / U f ), (6) где U f и U f - работа упругих и упругопластических деформаций во всем теле; U f и U f - работа упругих и упругопластических деформаций в ЭО. Отношение работ для тела находится из отношения площадей под диаграммой P — д, записанной по линии действия силы (рис. 7), где работа упругих деформаций вычисляется как площадь треугольника АВС, а работа упругопластических деформаций - как площадь криволинейного треуголь ника ОАВ. ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 6 103 В. В. Покровский, А. Г. Иванченко Ь. А А О 5, 5,птн О С В 5, мм 5,мм Рис. 6. Диаграмма коэффициент интенсивности напряжений К - раскрытие вершины тре щины 6: 1 - нагружение; 2 - разгрузка. Рис. 7. Диаграмма нагрузка Р - раскрытие вершины трещины 6, записанная по линии действия силы при нагружении (1) и разгрузке (2). Отношение работ для ЭО определяется из отношения площадей под диаграммой напряжения о г- - деформации е г-, полученной при анализе НДС (рис. 2). В этом случае работа упругих деформаций вычисляется как пло щадь криволинейного треугольника АВС, а работа упругопластических де формаций - как площадь криволинейной трапеции ОАВС. Кроме баланса работ следует учитывать невозможность наличия отри цательных деформаций в ЭО при разгрузке, так как для этого следовало бы приложить работу большую, чем та, что была запасена при предварительном нагружении. Таким образом, сжатие ЭО будет происходить до тех пор, пока выполняется условие где е - деформация ЭО после разгрузки (рис. 4). Исходя из вышеизложенного можно заключить, что остаточные напря жения в ЭО равны максимальным сжимающим напряжениям, полученным при упругопластическом сжатии материала с учетом условий (6) и (7). Если допустить, что для материалов данного класса пределы текучести при рас тяжении и сжатии равны, то можно принять за предел текучести при сжатии максимальное напряжение, достигнутое при предварительном нагружении В общем случае после ПТН по любой схеме КИН, при котором про изойдет разрушение материала при температуре 73, вычисляется следу ющим образом где K f - КИН разрушения; К 2 - КИН разгрузки; К\| °_ ° - КИН, при котором напряжения в ЭО достигают величины о c при “простом нагру жении” (рис. 4); К \| _\| - КИН, при котором напряжения в ЭО достигают 0 1°res I (7) птн • при ° res ^ 0; при ° res < (8) res 104 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 6 Прогнозирование влияния предварительного термомеханического нагружения абсолютной величины остаточных напряжений о res при “простом нагру жении” рис. 4. (“Простое нагружение” - это нагружение без разгрузки при температуре Тъ с учетом упрочнения материала и изменения сингулярности напряжений у вершины трещины за счет ее затупления после ПТН.) Заключение. Предложенная методика оценки эффекта предваритель ного термомеханического нагружения основана на комплексном анализе влияния различных механизмов повышения вязкости разрушения после ПТН с учетом таких факторов, как затупление вершины трещины, упроч нение материала и наличие остаточных сжимающих напряжений у вершины трещины. С помощью методики можно объяснить абсолютное уменьшение эффекта ПТН с понижением температуры разрушения образцов после ПТН. Ввиду того что с понижением температуры повышается предел текучести теплоустойчивых сталей, разрушение происходит при значительно меньших пластических деформациях. Таким образом, разрушение как подвергнутых ПТН, так и образцов без ПТН происходит при нагрузках, соответствующих минимальным значениям напряжения микроскола о с, зависящего от накоп ленной до разрушения пластической деформации [11, 13]. Данная методика позволяет учитывать влияние разных факторов на каждый из механизмов, обусловливающих повышение вязкости разрушения материала после ПТН, и может быть применена для обоснования устой чивости эффекта ПТН в ходе эксплуатации материала, а также для решения других задач, связанных с ним. Р е з ю м е На основі проведених досліджень запропоновано фізико-механічну модель попереднього термомеханічного навантаження та методику розрахунку цього ефекту для теплостійких сталей. Методика базується на аналізі зміни напружено-деформованого стану в елементарном об’ємі матеріалу у вістрі тріщини під час попереднього термомеханічного навантаження та при наступному. Використання методики дозволяє врахувати такі основні фак тори, що визначають вплив попереднього термомеханічного навантаження на опір теплостійких сталей крихкому руйнуванню, як затуплення вістря тріщини, залишкові напруження та зміцнення матеріалу біля вістря трі щини. 1. Pokrovskii V. V., Troshchenko V. Т., Kaplunenko V. G., e t al. A promising method for enhancing resistance of pressure vessels to brittle fracture // Int. J. Pres. Ves. Piping. - 1994. - 58. - P. 9 - 24. 2. Накамура X., Кобаяши X., Кодайра Т., Накарава X. K влиянию пред варительного нагружения на вязкость разрушения стали А533В1 // Материалы Междунар. конф. по разрушению (Канны, март-апрель 1981). - М.: НИИИНФОРМЭРГОМАШ. - 1985. - Вып. 3. - С. 27 - 38. 3. Беремин Ф. M. Численное моделирование влияния теплового предва рительного нагружения с использованием функции повреждения при ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 6 105 В. В. Покровский, А. Г. Иванченко разрушении разрывом // Материалы Междунар. конф. по разрушению (Канны, март-апрель 1981). - М.: НИИИНФОРМЭНЕРГОМЛШ. - 1985. - Вып. 3. - С. 27 - 38. 4. R eed P. A. S. and K nott J. F. An investigation of the warm prestressing (WPS) effect in A533B weld metal // Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct. - 1992. - 15, No. 12. - P. 1251 - 1270. 5. Chell G. G , Haigh J. R., and Vitek V. A. Theory of warm prestressing: experimental validation and the implications for elastic plastic failure criteria // Int. J. Fract. - 1981. - 17, No. 1. - P. 61 - 81. 6. Curry D. A. A micromechanistic approach to the warm prestressing of ferritic steels // Ibid. - No. 3. - P. 335 - 342. 7. Timofeev B. T. and Smirnov V. I. Calculated and experimental estimation of preliminary loading effect at elevated temperatures on fracture toughness of pressure vessel materials // Int. J. Pres. Ves. Piping. - 1995. - 63. - P. 135 - 140. 8. Lidbury D. and B irkett P. Effects of warm prestressing on the transition toughness behavior of an Л533 Grade B Class 1 pressure vessel steel // Fracture Mechanics: Twenty-First Symposium, ASTM STP 1074. - 1990. - P. 264 - 285. 9. Shum D. K. M. Warm prestress effects in fracture-margin assessment of PWR-RPVS // SMiRT-12 / Ed. K. Kussmaul. - Elsevier Science Publishers, 1993. - P. 333 - 338. 10. Покровский В. В., Иванченко А. Г. Влияние режимов предварительного термомеханического нагружения на повышение сопротивления хруп кому разрушению теплоустойчивых сталей // Пробл. прочности. - 1999. - № 2. - С. 126 - 138. 11. Карзов Г. П., М арголин Б. 3., Ш вецова В. А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. - СПб.: Политехника, 1993. - 389 с. 12. Разрушение: В 7 т. / Под ред. Г. Либовица. - М.: Мир; Машино строение, 1973-1976. - 3216 с. 13. Трощенко В. Т., Покровский В. В., Каплуненко В. Г. Прогнозирование трещиностойкости теплоустойчивых сталей с учетом влияния размеров образцов. Сообщ. 1. Результаты экспериментальных исследований // Пробл. прочности. - 1997. - № 1. - С. 5 - 27. 14. М еханика разрушения и прочность материалов. Справочное пособие: В 4 т . / Под общ. ред. В. В. Панасюка. - Киев: Наук. думка, 1988-1990. - 680 с. Поступила 26. 12. 2000 106 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2002, № 6

Репозитарії

Схожі ресурси