Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей

Продемонстрирована возможность применения первопринципной версии «Локального подхода к разрушению» (ЛП) для прогнозирования падения трещиностойкости реакторных сталей после радиационного облучения. Показано, что в отличие от общепринятого ЛП предлагаемая версия «Локального подхода» позволяет не толь...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вопросы атомной науки и техники
Date:	2005
Main Authors:	Котречко, С.А., Мешков, Ю.Я., Попович, В.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2005
Subjects:	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80402
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей / С.А. Котречко, Ю.Я. Мешков, В.А. Попович // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 24-31. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859594150802882560
author	Котречко, С.А. Мешков, Ю.Я. Попович, В.А.
author_facet	Котречко, С.А. Мешков, Ю.Я. Попович, В.А.
citation_txt	Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей / С.А. Котречко, Ю.Я. Мешков, В.А. Попович // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 24-31. — Бібліогр.: 15 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Вопросы атомной науки и техники
description	Продемонстрирована возможность применения первопринципной версии «Локального подхода к разрушению» (ЛП) для прогнозирования падения трещиностойкости реакторных сталей после радиационного облучения. Показано, что в отличие от общепринятого ЛП предлагаемая версия «Локального подхода» позволяет не только получать температурную зависимость трещиностойкости облученной стали по результатам испытания малоразмерных образцов-свидетелей с надрезами, но и является удобным инструментом для анализа физических факторов, обуславливающих эффект изменения КІС в результате радиационного охрупчивания. Последнее позволило выделить три основных фактора, приводящих к падению КІС после облучения, а также проанализировать границы применимости «Muster curve»–подхода. Продемонстровано можливість застосування першопринципної версії «Локального підходу до руйнування» (ЛП) для прогнозування падіння тріщиностійкості реакторних сталей після радіаційного опромінення. Показано, що на відміну від загальноприйнятого ЛП, запропонована версія «Локального підходу» дозволяє не тільки отримувати температурну залежність тріщиностійкості опроміненої сталі за результатами випробувань малорозмірних зразків-свідків з надрізами, але й являється зручним інструментом для аналізу фізичних факторів, які зумовлюють ефект зміни КІС в результаті радіаційного окрихчення. Останнє дозволяє виділити три основні фактори, які призводять до падіння КІС після опромінення, а також проаналізувати границі застосування «Master-curve» -підходу. Possibility of employment of first-principle «Local Approach to Fracture» to predict decrease in fracture toughness of pressure vessel steels after irradiation is represented in this work. It is shown that unlike conventional version of Local Approach, the offered one enables not only obtaining of temperature dependence of fracture toughness of irradiated steel by the results of testing of small-size surveillance specimens, but it is convenient method to analyse physical nature of change in КІС as a result of irradiation embrittlement. The latter has allowed indication of three main factors giving rise to decrease in КІС after irradiation as well as analysis of limits of validity of «Muster curve»–approach.
first_indexed	2025-11-27T18:12:17Z
format	Article
fulltext	УДК 669.15-194; 621.039.53; 621.791.053 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ «ЛОКАЛЬНОГО ПОДХОДА К РАЗРУШЕНИЮ» ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ РЕАКТОРНЫХ СТАЛЕЙ С.А. Котречко, Ю.Я. Мешков, В.А. Попович Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, г. Киев, Украина Продемонстрирована возможность применения первопринципной версии «Локального подхода к разрушению» (ЛП) для прогнозирования падения трещиностойкости реакторных сталей после радиационного облучения. Показано, что в отличие от общепринятого ЛП предлагаемая версия «Локального подхода» позволяет не только получать температурную зависимость трещиностойкости облученной стали по результатам испытания малоразмерных образцов-свидетелей с надрезами, но и является удобным инструментом для анализа физических факторов, обуславливающих эффект изменения КІС в результате радиационного охрупчивания. Последнее позволило выделить три основных фактора, приводящих к падению КІС после облучения, а также проанализировать границы применимости «Muster curve»–подхода. ВВЕДЕНИЕ Одной из проблем обеспечения безопасности работы корпусов реакторов атомных электростанций и прогнозирования их остаточного ресурса является прогнозирование уровня трещиностойкости реакторной стали после определенной дозы облучения. Существующие стандартные подходы к решению этой задачи (определение величины смещения критической температуры для заданного уровня ударной вязкости по Шарпи [1], использование «Master curve»-подхода [2,3]) имеют ряд недостатков, связанных с тем, что они являются эмпирическими по своей сути, поэтому неприменимы при переходе на новые марки реакторных сталей, а также для условий, когда наряду со смещением температурной зависимости трещиностойкости или ударной вязкости наблюдается изменение формы температурных зависимостей этих характеристик. Это, как правило, наблюдается при больших флюенсах, а также при наличии в стали или сварном шве критических концентраций примесей меди и никеля. В последнее время интенсивно развивается новое направление в механике разрушения, которое получило название «Локальный подход к разрушению» (Local Approach to Fracture). Термин «Локальный подход» (ЛП) был введен в обиход группой французcких ученых, взявших псевдоним BEREMIN [4]. В ряде развитых стран, таких как Франция, Англия, Великобритания, предпринимаются попытки ввести «Локальный подход к разрушению» в стандарты для расчета элементов конструкций и сооружений [5]. _______________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2005. № 3. 24 Основная идея ЛП заключается в описании процесса роста магистральной трещины исходя из анализа разрушения металла в окрестности ее вершины. В методическом плане это означает возможность прогнозирования трещиностойкости металла по результатам испытаний маломерных образцов с надрезами, поскольку критерий локального разрушения, по определению, должен быть инвариантным к типу концентратора напряжений. Как было показано в работах [6-8], разрушение в вершине магистральной трещины инициируется в предельно малых объемах («Process zone»). Величина объема “Process zone”, как правило, не превышает 1…50 мм3. Процесс хрупкого разрушения столь малых объемов поликристаллического металла носит ярко выраженный стохастический характер [7-9], поэтому для адекватного описания разрушения необходимо использовать статистический подход. Центральной проблемой при формулировке статистического критерия разрушения является выбор вида функции вероятности разрушения представительного объема . В BEREMIN-версии ЛП используется простейший вариант двухпараметрического распределения. Более сложные распределения применяются в моделях, предложенных в работах [10-12], где предполагается, что причиной хрупкого разрушения является скол цементитных частиц. Как отмечал сам автор одной из таких моделей («WST-модели») [11], такой подход дает весьма приближенное описание разрушения, поскольку не учитывает роль пластической деформации в процессе инициирования разрушения, не принимаются во внимание также эффекты, связанные с размерами и ориентациями зерен и т.д. 0V Несмотря на существенный прогресс в использовании BEREMIN-версии ЛП, на сегодняшний день накопилось значительное количество экспериментальных данных, свидетельствующих об ограниченности ее концептуальной базы. На практике это проявляется в зависимости параметров распределения Вейбулла от геометрии концентратора напряжений и температуры испытаний [7]. Проблема заключается в феноменологическом подходе к выбору функции вероятности разрушения металла, а также постулировании инвариантности параметров распределения Вейбулла к виду напряженного Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 24-31. состояния и величине локальной пластической деформации перед надрезом или магистральной трещиной. В этой связи в работах [6-9] был предложен принципиально иной подход к решению рассматриваемой задачи, который заключается не в постулировании применимости распределения Вейбулла к описанию разрушения металлов, а в расчете вероятности разрушения исходя из первых принципов, т. е. из анализа элементарных актов разрушения, связанных с образованием, и потери устойчивости зародышевых трещин. В рамках такого подхода представляется возможным выразить параметры функции вероятности разрушения через константы металла, которые инвариантны к виду напряженно-деформированного состояния и характеризуют свойства собственно металла. Это создает предпосылки для использования предложенной версии ЛП как инструмента для исследования эффекта изменения трещиностойкости стали после радиационного облучения. Цель статьи заключается в том, чтобы на примере корпусной реакторной стали 15Х2МФА продемонстрировать эффективность применения предложенной первопринципной версии «Локального подхода» для прогнозирования влияния нейтронного облучения на уровень и характер температурной зависимости , а также дать физическую интерпретацию причин падения трещиностойкости реакторных сталей после нейтронного облучения. ICK ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ Согласно современным представлениям физики разрушения рост магистральной трещины в металле происходит не путем прямого разрыва атомных связей в ее вершине, а путем разрушения металла в окрестности вершины макротрещины в результате образования и потери устойчивости зародышевых трещин. Эти зародышевые трещины возникают в локальной области (“Process zone”) перед вершиной магистральной трещины. Условия образования и потери устойчивости зародышевых трещин контролируются локальным полем напряжений и деформаций, создаваемым магистральной трещиной. В этом случае ключевой проблемой описания разрушения является определение вероятности потери устойчивости одной зародышевой трещины при заданном уровне напряжения : 0p Fσ ) ;σσ(p)σ( 10 cFF eep >>= , (1) где – величина главного локального (но макроскопического) напряжения; – критическое напряжение потери устойчивости зародышевой трещины; 1σ Fσ e – интенсивность локальных пластических деформаций; – критическое значение макроскопической деформации, начиная с которого в металле образуются зародышевые трещины. ce В окрестности магистральной трещины или надреза поля напряжений и деформаций распределены неоднородно. В настоящее время для их расчета успешно используется метод конечных элементов. Выражение для вероятности потери устойчивости не менее одной трещины в объеме металла, ограниченного одним конечным элементом, имеет вид: ip iiV FFi pp ρ 0 )]σ(1[1)σ( −−= , (2) где Vi – объем і-го конечного элемента; ρi– плотность зародышевых трещин, образующихся в этом объеме металла. Условие хрупкого разрушения всего образца с магистральной трещиной или надрезом, состоящих из M конечных элементов: ∏ = −−= M i Fif pP 1 )]σ(1[1 , (3) где – допуск на вероятность рассматриваемого события. fP При анализе температурных зависимостей трещиностойкости представляют интерес следующие значения допусков на вероятность разрушения: нижний предел 0.003; верхний предел 0.997; средняя величина . 5.0=fP Как отмечалось выше, отличительная черта первопринципного ЛП заключается в том, что функция вероятности разрушения может быть получена исходя из анализа образования и потери устойчивости зародышевых трещин в металле, которые играют такую же фундаментальную роль в процессе хрупкого разрушения металлов, как дислокации в процессе пластической деформации. Это означает, что основные закономерности разрушения металлов и сплавов можно описать исходя из анализа свойств и поведения зародышевых трещин. На процесс разрушения стали в условиях концентрации напряжений определяющее влияние оказывают следующие свойства зародышевых трещин: − зародышевые трещины не существуют в металле изначально, а образуются в процессе пластической деформации, поэтому процесс инициирования хрупкого разрушения всегда локализован внутри области пластической деформации, которая развивается в окрестности вершины концентратора; 25 − длина зародышевой трещины не является произвольной, ее размер задается размерами микроструктуры металла. В зависимости от химического состава стали и ее термообработки это может быть размер ферритного зерна, мартенситного или бейнитного пакета, диаметр карбидной частички. Указанное свойство зародышевых трещин очень важно, поскольку оно позволяет понять, каким образом размеры микроструктурных составляющих задают уровень хрупкой прочности стали , а также дает возможность установить связь между распределениями длин зародышевых трещин и MCR размеров действительных зерен или карбидных частиц в сталях [13]; − зародышевые трещины раскрываются в определенных кристаллографических плоскостях, в связи с чем их ориентационное распределение определяется параметрами кристаллографической текстуры. В свою очередь, распределение зародышевых трещин по ориентациям является одним из основных факторов, задающим степень анизотропии хрупкой прочности стали [14]; − зародышевые трещины имеют субмикроскопические размеры, как правило, их длина составляет … мкм. Это означает, что микронапряжения оказывают влияние на устойчивость зародышевых трещин в металле. К сожалению, эта проблема практически не анализировалась до настоящего времени. Как показано в работе [9], микронапряжения , создаваемые упругими деформациями зерен, и микронапряжения, генерируемые дислокациями , по-разному влияют на зародышевые трещины. В первом приближении напряжения однородны в пределах зерна и изменяются при переходе от зерна к зерну. Величина дисперсии этих напряжений пропорциональна макроскопическим главным напряжениям . Особенность влияния дислокационных микронапряжений заключается в том, что определяющее влияние на зародышевые трещины оказывают только те микронапряжения, которые действуют в момент образования зародышевых трещин и в области, где эти трещины образуются. В интервале малых пластических деформаций (0.005…0.10), которые предшествуют хрупкому (квазихрупкому) разрушению сталей, величина этих напряжений 0.05 1 ijξ p ijξ ijξ 321 σ,σ,σ ξ растет с ростом предшествующей разрушению пластической деформации e ( de~ξ , где e в общем случае – интенсивность пластических деформаций). Соответственно в двумерном приближении выражение для величины критического растягивающего микронапряжения потери устойчивости зародышевой трещины имеет вид: _ ξ)η,θ(φξ −= a K C , (4) где K – коэффициент, характеризующий сопротивление разрушению кристаллической решетки в вершине зародышевой трещины; – параметр микронапряженного состояния ( η 1122 ξ ξ η = ; 11ξ и – главные микронапряжения); – угол между нормалью к плоскости зародышевой трещины и направлением действия главного растягивающего напряжения; – функция, описывающая влияние микронапряженного состояния и ориентации зародышевой трещины на величину критического напряжения . 22ξ θ )η,θ(φ cξ 26 Еще одно очень важное свойство зародышевых трещин, которое не учитывается в существующих моделях, заключается в том, что плотность этих трещин не является постоянной величиной. Она зависит от величины пластической деформации, предшествующей разрушению, и изменяется с изменением температуры испытания. В упрощенном виде влияние пластической деформации на плотность зародышевых трещин может быть описано зависимостью: ε )εf(ρ ε ε ρ dk R c ∫= , (5) где – плотность зародышевых трещин; ρ )εf( – функция плотности распределения микропластических деформаций в поликристалле (как первое приближение можно использовать распределение Гаусса); – коэффициент, который зависит от вероятности образования заблокированного дислокационного скопления критической длины, а также от размера зерна [9]; ρk cε – критическое значение интенсивности микропластической деформации, необходимой для образования зародышевых трещин; Rε – критическое значение величины микропластической деформации, при которой вместо образования зародышевой трещины, в вершине дислокационного скопления происходит релаксация напряжений. Эта деформация является структурно-чувствительной характеристикой. Ее величина зависит от состояния границ зерен. В первом приближении 2 2.0σε RR k≈ . Как отмечалось в работах [8,9], зависимость плотности зародышевых трещин от величины пластической деформации и температуры испытаний является отличительной особенностью хрупкого (квазихрупкого) разрушения металлов в сравнении с разрушением таких хрупких материалов, как стекло, керамика, бетон и т.д. Согласно (2) это должно приводить к влиянию пластической деформации на величину масштабного эффекта, который является характерной особенностью локального разрушения. Перед надрезом или острой трещиной величина пластической деформации изменяется в широком интервале, поэтому влияние пластической деформации на величину масштабного эффекта и имеет принципиальное значение при разрушении металла в условиях концентрации напряжений. На рис. 1 приведены полученные в [9] теоретические зависимости напряжения скола от объема металла при разных степенях, предшествующих разрушению пластической деформации. 1 10 100 1000 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 объем "Process zone" σ F / R M C V (mm 3 ) 0.2e c 0.3e c 0.6e ce c Рис. 1. Зависимость напряжения хрупкого разрушения поликристаллического железа от объема: – хрупкая прочность стандартного Fσ MCR 900=V мм3 образца; – критическая деформация ( ce )016.0=ce Из этих зависимостей следует, что при хрупком разрушении металла масштабный эффект проявляется наиболее существенно в области малых объемов, соответствующих типичным значениям объемов «Process zone» перед надрезом или острой трещиной. С другой стороны, именно в этом интервале значений объемов величина масштабного эффекта наиболее сильно зависит от степени пластической деформации. В работе [9] была предложена статистическая модель, которая описывает хрупкое разрушение поликристаллических металлов на основе перечисленных выше свойств зародышевых трещин. В рамках такого подхода ключевое для ЛП выражение (1) имеет вид: ∫ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − −= max min ξ ξ ξd σ2 σξerf1)ξ(f5.0)σ( ξ 10 с с с F Fc cF I p , (6) где – коэффициент вариации максимальных растягивающих микронапряжений; и – минимальные и максимальные значения критического микронапряжения потери устойчивости зародышевой трещины случайной ориентации и случайной длины; – функция плотности распределения этих напряжений: ξI min cξ max cξ )ξ(f c1 )ξd( )ξ(dF )ξ(f c c1 c1 = , (7) где – функция полной вероятности, которая может быть определена как [9] )ξ(F c1 , ) );(f( )(f )(f)(F max 5431 ∫ ∫ ∫ ∫ ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = η θ ξ ηθξξθηξ L L L ddddaа а а с (8) где - и – функции плотности распределения угла ориентации зародышевых трещин и параметра микронапряженного состояния соответственно; )θ(f4 )η(f3 η )ξ ,(f5 a – функция совместного распределения длины зародышевой трещины и величины дислокационных микронапряжений a ξ ; , и ηL θL ξL – области изменения значений , и η θ ξ , для которых выполняется условие: max 2 min ξξ )η,θ(φ aKa c ≤⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − ≤ . (9) Подробное изложение математического аппарата, используемого в предложенной версии «Локального подхода», изложено в работах [6,9]. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Предложенный вариант ЛП основывается на моделировании макроразрушения исходя из анализа элементарных актов процесса хрупкого разрушения металла. Это позволяет использовать его для решения как материаловедческих задач, так и задач механики разрушения. В первом случае представляется возможным моделирование влияния параметров микроструктуры стали на уровень ее трещиностойкости в исходном и облученном состояниях. Применение первопринципного ЛП для решения второй задачи, связанной с прогнозированием изменения трещиностойкости реакторных сталей после нейтронного облучения, предполагает использование информации о стандартных свойствах облученной стали, определяемых на стандартных гладких образцах, а также данных о напряжении разрушения маломерных цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами. Физический смысл процедуры выбора типа образцов и методики их испытания заключается в том, что для прогнозирования кроме определения стандартных свойств (предел текучести и показатель деформационного упрочнения) облученной стали необходимо получить информацию об уровне ее хрупкой прочности, а также о чувствительности напряжения хрупкого разрушения к изменению объема (масштабный эффект). Последнее обусловлено тем, что, как отмечалось выше, рост магистральной трещины связан с инициированием разрушения стали в предельно малом объеме «Process zone») в окрестности ее вершины. В самом общем случае (новая марка стали, сварные швы, большие флюенсы и т.п.) эта информация может быть получена на основе результатов испытаний маломерных цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами. В тоже время имеющиеся экспериментальные данные по влиянию нейтронного облучения на реакторные стали показывают, что для типичных сталей типа 15Х2МФА при флюенсах до 10 ICK 20нейтр./см2 методика может быть значительно упрощена. Это связано в первую очередь с тем, что уровень 27 хрупкости этих сталей после облучения не изменяется (рис. 2). MCR -300-250-200-150-100 -50 0 50 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Исходное состояние После облучения (Ф = 9 x1019 н/см-2) RMC=1500MPa SF σ0.2 О тн ос ит ел ьн ое с уж ен ие , ψ (% ) Н ап ря ж ен ия , σ (M П a) Температура, T (0С) 0 20 40 60 80 ψ 28 Рис. 2. Температурная зависимость механических свойств стали 15Х2МФА в исходном и облученном состояниях В этом, частном, случае достаточно провести испытания стандартных гладких облученных образцов с целью определения предела текучести и показателя деформационного упрочнения , которые необходимы для расчета методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния в вершине магистральной трещины в облученном металле. Что касается констант, входящих в модель разрушения стали ( – коэффициент, определяющий интенсивность генерации зародышевых трещин в стали; – параметр, характеризующий эффект релаксации микронапряжений на границах зерен; – пороговое микронапряжение), то они могут быть определены на основе данных о температурной зависимости трещиностойкости стали в исходном (необлученном) состоянии и значении этой стали. 2.0σ n ρk Rk minξ c MCR Возможности такого подхода продемонстрированы на рис. 3. -200 -150 -100 -50 0 50 0 50 100 150 200 250 Расчет: Исходное состояние После облучения Экспериментальные значения К IC: Исходное состояние После облучения (Ф = 1019 н/см -2) Температура , T ( 0C )) Т ре щ ин ос то йк ос ть , K IC ( М П а м 2 ) Pf=0.997 Pf=0.5 Pf=0.997 Pf=0.003 Pf=0.5 Pf=0.997 -200 -150 -100 -50 0 50 100 0 50 100 150 200 250 Температура, T ( 0C )) Т ре щ ин ос то йк ос ть , K IC ( М П а м 2 ) Pf=0.5 Pf=0.003 Pf=0.997 Pf=0.003 Pf=0.5 Pf=0.997 а б Рис. 3. Температурные зависимости стали 15Х2МФА в исходном и облученном состояниях: ICK а – Ф=1019 нейтр./см2; б – Ф= 9 1019 нейтр./см2 В качестве объекта моделирования использовалась сталь 15Х2МФА. Данные о механических свойствах этой стали в исходном состоянии и после нейтронного облучения ( , ) взяты из [15]. Алгоритм компьютерного моделирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость стали приведен на рис. 4. С010T 0 обл ≤ эB1ME > Используя экспериментальные данные для трещиностойкости стали в исходном состоянии при температурах -160, -60, -20 ICK 0С и значение хрупкой прочности стали (см. рис. 2), были определены значения констант в зависимостях (4) и (5) 1500MПaR MC = 1. На основе этих данных рассчитаны пределы разброса реакторной стали в исходном состоянии, а также предсказаны температурные зависимости трещиностойкости с наперед заданными значениями вероятности разрушения 0,003; 0,5; 0,997 для флюенсов 10 =fP 19 и 9×1019нейтр./см2 (см. рис. 3). ОБСУЖДЕНИЕ Согласно полученным данным, результаты компьютерного моделирования хорошо согласуются с экспериментальной зависимостью трещиностойкости при флюенсе 1019 нейтр./см2. При этом предсказывается значительное падение трещиностойкости стали при Ф=9×1019 нейтр./см2, что находится в соответствии с общими закономерностями изменения при флюенсах порядка 10 ICK 20 нейтр./см2. В рамках первопринципной версии ЛП падение трещиностойкости стали после нейтронного облучения в общем случае вызвано действием следующих трех основных факторов: − увеличением уровня растягивающих напряжений, действующих в момент образования зародышевых трещин; − уменьшением величины порогового напряжения потери устойчивости зародышевых трещин; − увеличением плотности образующихся зародышевых трещин. _____________________________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2004. № Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (86), с. 1 Значения других констант слабо зависят от микроструктуры стали, поэтому были использованы данные для железа. Компьютерное моделирование разрушения МКЕ - расчет Испытание гладких образцов Испытание образцов с надрезом Предел текучести Показатель деформационного упрочнения Номинальное напряжение разрушения Относительное сужение Значения главных напряжений 1σ , 2σ , 3σ и интенсивности пластической деформации e для каждого конечного элемента Вероятность разрушения i-го конечного элемента Вероятность разрушения всего образца Значения ICK и вероятности его реализации fP Рис. 4. Алгоритм расчета трещиностойкости облученной стали по результатам испытаний стандарт с кольцевыми надрезами ных образцов и образцов Значительное увеличение предела текучести стали после нейтронного облучения является одним из основных факторов, приводящих к росту уровня растягивающих напряжений, действующих в момент образования зародышевых трещин. Это связано с тем, что пластическая деформация является необходимым условием образования зародышевых трещин, поэтому увеличение уровня растягивающих напряжений, при которых возникают зародышевые трещины, приводит к тому, что в окрестности вершины магистральной трещины они теряют устойчивость при меньших значениях приложенного . IK Уменьшение порогового напряжения потери устойчивости зародышевых трещин проявляется на макроуровне в уменьшении величины хрупкой прочности стали . Эффект изменения плотности зародышевых трещин может быть зафиксирован при испытании надрезанных образцов. На температурных зависимостях он должен проявляться в уменьшении наклона этой зависимости после нейтронного облучения. Экспериментальные данные и результаты моделирования процесса разрушения показали, что применительно к стали 15Х2МФА основной причиной влияния нейтронного облучения на уровень ее трещиностойкости является первый эффект, связанный с увеличением предела текучести рассматриваемой стали. Необходимо отметить, что в данном, частном, случае наблюдается практически параллельный сдвиг температурной зависимости , что позволяет использовать в первом приближении стандартный подход, основанный на концепции “Master Curve” [3]. Однако в отличие от предлагаемой версии ЛП стандартная методика требует дополнительного проведения испытаний образцов-свидетелей с трещинами. В тоже время следует подчеркнуть, что в случае реализации при облучении стали перечисленных выше второго и третьего факторов постулат о параллельном сдвиге кривой “ - ” является неправомерным. MCR ICK ICK ICK T ВЫВОДЫ 1. В рамках предложенной версии «Локального подхода» падение трещиностойкости стали после нейтронного облучения можно объяснить действием следующих трех основных факторов: − увеличением уровня растягивающих напряжений, действующих в момент образования зародышевых трещин; − уменьшением порогового уровня напряжения потери устойчивости зародышевых трещин; − увеличением плотности образующихся зародышевых трещин. 2. Эффект увеличения уровня растягивающих напряжений, действующих в момент образования зародышевых трещин, является основной причиной уменьшения трещиностойкости стали 15Х2МФА при флюенсах до 1020 нейтр./см2. 3. Физический смысл процедуры выбора типа образцов-свидетелей и методики их испытания заключается в том, что для прогнозирования изменения после облучения кроме определения стандартных свойств (предела текучести и показателя деформационного упрочнения) облученной стали необходимо получить информацию об уровне ее хрупкой прочности, а также о чувствительности напряжения хрупкого разрушения к изменению величины локального объема, где инициируется разрушение. В самом общем случае (новые марки сталей, сварные швы, большие флюенсы и т.п.) эта информация может быть получена на основе результатов испытаний облученных цилиндрических образцов с кольцевыми надрезами. ICK ЛИТЕРАТУРА 1. ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Section IX. New York, American Society of Mechanical Engineers, 1968. 2. ASNV 1921-97 Standard test method for determination of reference temperature T0. Annual Book of ASTM Standards. 1998, v. 03.01, p. 1068–1084. 3. Kim Wallin Master curve analysis of the ‘‘Euro’’ fracture toughness dataset //Engineering Fracture Mechanics. 2002, v. 69, p. 451–481. 4. F.M. Beremin. A local criterion for cleavage fracture of a nuclear pressure vessel steel //Met. Trans. 1983, v. 14A, p. 2277–2287. 5. Foreword 1998 TWI/HSE Structural Integrity Seminar Micromechanical failure models for fracture predictions //Engineering Fracture Mechanics. 2000, v. 67, p. 1–2. 6. С.А. Котречко, Ю.Я. Мешков. Основы физической теории квазихрупкого разрушения поликристаллических металлов в неоднородных полях, создаваемых концентраторами напряжений //Металлофизика и новейшие технологии. 1998, т. 20, №4, с. 46–58. 7. S. Kotrechko. Physical fundamentals of local approach to analysis of cleavage fracture //Transferability of Fracture Mechanical Characteristics. Ed.: Ivo Dlouhy, Kluwer Academic Publishers. 2002, р. 135–150. 8. С.А. Котречко. Локальный подход к анализу хрупкого разрушения и его физическая интерпретация //Проблемы прочности. 2003, №4, с. 14–31. 9. С.А. Котречко. Статистическая модель хрупкого разрушения поликристаллических металлов //Металлофизика и новейшие технологии. 1994, т. 16, №10, с. 37–49. 10. Lin Tsan, A.G. Evance and Ritchie. Statistical analysis of cleavage fracture ahead of sharp cracks and 31 32 rounded notched //Acta metall. 1986, v. 34, p. 2205–2216. 11. K. Wallin. Irradiation Damage Effects on the Fracture Toughness Transition Curve Shape for Reactor Pressure Vessel Steels //Int. J. Pres. Ves. & Piping 1993, v. 55, p. 61–79. 12. B.Z. Margolin, A.G. Gulenco, V.A. Shvetsova. Improved probabilistic model for fracture toughness prediction based for nuclear pressure vessel steels //Int J Pressure Vessels Piping. 1998, v. 75, p. 843–855. 13. Ю.Я. Мешков, Г.С. Пахаренко. Структура металла и хрупкость стальных конструкций. Киев: «Наукова думка», 1985, 268 с. 14. S. Kotrechko, V. Dnieprenko. () Nucleation of micro-cracks for polycrystalline metal with anisotropy: micro-stress evaluation //Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2003, v. 403, p. 271–277. 15. Ю.Ф. Баландин. Конструкционные материалы АЭС. М.: «Энерглатомиздат», 1984, 275 с. ВИКОРИСТАННЯ «ЛОКАЛЬНОГО ПІДХОДУ ДО РУЙНУВАННЯ» ДЛЯ ПРОГНОЗУВАННЯ ВПЛИВУ РАДІАЦІЙНОГО ОПРОМІНЕННЯ НА ТРІЩИНОСТІЙКІСТЬ РЕАКТОРНИХ СТАЛЕЙ С.О. Котречко, Ю.Я. Мєшков, В.А. Попович Продемонстровано можливість застосування першопринципної версії «Локального підходу до руйнування» (ЛП) для прогнозування падіння тріщиностійкості реакторних сталей після радіаційного опромінення. Показано, що на відміну від загальноприйнятого ЛП, запропонована версія «Локального підходу» дозволяє не тільки отримувати температурну залежність тріщиностійкості опроміненої сталі за результатами випробувань малорозмірних зразків-свідків з надрізами, але й являється зручним інструментом для аналізу фізичних факторів, які зумовлюють ефект зміни КІС в результаті радіаційного окрихчення. Останнє дозволяє виділити три основні фактори, які призводять до падіння КІС після опромінення, а також проаналізувати границі застосування «Master-curve» -підходу “LOCAL APPROACH TO FRACTURE” APPLICATION TO PREDICT IRRADIATION EFFECT ON FRACTURE TOUGHNESS OF PRESSURE VESSEL STEELS S.А. Kotrechko, Yu.Yа. Meshkov, V.А. Popovich Possibility of employment of first-principle «Local Approach to Fracture» to predict decrease in fracture toughness of pressure vessel steels after irradiation is represented in this work. It is shown that unlike conventional version of Local Approach, the offered one enables not only obtaining of temperature dependence of fracture toughness of irradiated steel by the results of testing of small-size surveillance specimens, but it is convenient method to analyse physical nature of change in КІС as a result of irradiation embrittlement. The latter has allowed indication of three main factors giving rise to decrease in КІС after irradiation as well as analysis of limits of validity of «Muster curve»–approach. , (4) где – коэффициент, характеризующий сопротивление разрушению кристаллической решетки в вершине зародышевой трещины; – параметр микронапряженного состояния ( ; и – главные микронапряжения); – угол между нормалью к плоскости зародышевой трещины и направлением действия главного растягивающего напряжения; – функция, описывающая влияние микронапряженного состояния и ориентации зародышевой трещины на величину критического напряжения . Еще одно очень важное свойство зародышевых трещин, которое не учитывается в существующих моделях, заключается в том, что плотность этих трещин не является постоянной величиной. Она зависит от величины пластической деформации, предшествующей разрушению, и изменяется с изменением температуры испытания. В упрощенном виде влияние пластической деформации на плотность зародышевых трещин может быть описано зависимостью: , (5) КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИКОРИСТАННЯ «ЛОКАЛЬНОГО ПІДХОДУ ДО РУЙНУВАННЯ» С.О. Котречко, Ю.Я. Мєшков, В.А. Попович Продемонстровано можливість застосування першопринципної версії «Локального підходу до руйнування» (ЛП) для прогнозування падіння тріщиностійкості реакторних сталей після радіаційного опромінення. Показано, що на відміну від загальноприйнятого ЛП, запропонована версія «Локального підходу» дозволяє не тільки отримувати температурну залежність тріщиностійкості опроміненої сталі за результатами випробувань малорозмірних зразків-свідків з надрізами, але й являється зручним інструментом для аналізу фізичних факторів, які зумовлюють ефект зміни КІС в результаті радіаційного окрихчення. Останнє дозволяє виділити три основні фактори, які призводять до падіння КІС після опромінення, а також проаналізувати границі застосування «Master-curve» -підходу
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-80402
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1562-6016
language	Russian
last_indexed	2025-11-27T18:12:17Z
publishDate	2005
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format	dspace
spelling	Котречко, С.А. Мешков, Ю.Я. Попович, В.А. 2015-04-17T16:41:20Z 2015-04-17T16:41:20Z 2005 Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей / С.А. Котречко, Ю.Я. Мешков, В.А. Попович // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 3. — С. 24-31. — Бібліогр.: 15 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80402 669.15-194; 621.039.53; 621.791.053 Продемонстрирована возможность применения первопринципной версии «Локального подхода к разрушению» (ЛП) для прогнозирования падения трещиностойкости реакторных сталей после радиационного облучения. Показано, что в отличие от общепринятого ЛП предлагаемая версия «Локального подхода» позволяет не только получать температурную зависимость трещиностойкости облученной стали по результатам испытания малоразмерных образцов-свидетелей с надрезами, но и является удобным инструментом для анализа физических факторов, обуславливающих эффект изменения КІС в результате радиационного охрупчивания. Последнее позволило выделить три основных фактора, приводящих к падению КІС после облучения, а также проанализировать границы применимости «Muster curve»–подхода. Продемонстровано можливість застосування першопринципної версії «Локального підходу до руйнування» (ЛП) для прогнозування падіння тріщиностійкості реакторних сталей після радіаційного опромінення. Показано, що на відміну від загальноприйнятого ЛП, запропонована версія «Локального підходу» дозволяє не тільки отримувати температурну залежність тріщиностійкості опроміненої сталі за результатами випробувань малорозмірних зразків-свідків з надрізами, але й являється зручним інструментом для аналізу фізичних факторів, які зумовлюють ефект зміни КІС в результаті радіаційного окрихчення. Останнє дозволяє виділити три основні фактори, які призводять до падіння КІС після опромінення, а також проаналізувати границі застосування «Master-curve» -підходу. Possibility of employment of first-principle «Local Approach to Fracture» to predict decrease in fracture toughness of pressure vessel steels after irradiation is represented in this work. It is shown that unlike conventional version of Local Approach, the offered one enables not only obtaining of temperature dependence of fracture toughness of irradiated steel by the results of testing of small-size surveillance specimens, but it is convenient method to analyse physical nature of change in КІС as a result of irradiation embrittlement. The latter has allowed indication of three main factors giving rise to decrease in КІС after irradiation as well as analysis of limits of validity of «Muster curve»–approach. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей Використання «локального підходу до руйнування» для прогнозування впливу радіаційного опромінення на тріщиностійкість реакторних сталей “Local approach to fracture” application to predict irradiation effect on fracture toughness of pressure vessel steels Article published earlier
spellingShingle	Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей Котречко, С.А. Мешков, Ю.Я. Попович, В.А. Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
title	Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей
title_alt	Використання «локального підходу до руйнування» для прогнозування впливу радіаційного опромінення на тріщиностійкість реакторних сталей “Local approach to fracture” application to predict irradiation effect on fracture toughness of pressure vessel steels
title_full	Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей
title_fullStr	Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей
title_full_unstemmed	Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей
title_short	Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей
title_sort	использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей
topic	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
topic_facet	Физика радиационных повреждений и явлений в твердых телах
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/80402
work_keys_str_mv	AT kotrečkosa ispolʹzovanielokalʹnogopodhodakrazrušeniûdlâprognozirovaniâvliâniâradiacionnogooblučeniânatreŝinostoikostʹreaktornyhstalei AT meškovûâ ispolʹzovanielokalʹnogopodhodakrazrušeniûdlâprognozirovaniâvliâniâradiacionnogooblučeniânatreŝinostoikostʹreaktornyhstalei AT popovičva ispolʹzovanielokalʹnogopodhodakrazrušeniûdlâprognozirovaniâvliâniâradiacionnogooblučeniânatreŝinostoikostʹreaktornyhstalei AT kotrečkosa vikoristannâlokalʹnogopídhodudoruinuvannâdlâprognozuvannâvplivuradíacíinogoopromínennânatríŝinostíikístʹreaktornihstalei AT meškovûâ vikoristannâlokalʹnogopídhodudoruinuvannâdlâprognozuvannâvplivuradíacíinogoopromínennânatríŝinostíikístʹreaktornihstalei AT popovičva vikoristannâlokalʹnogopídhodudoruinuvannâdlâprognozuvannâvplivuradíacíinogoopromínennânatríŝinostíikístʹreaktornihstalei AT kotrečkosa localapproachtofractureapplicationtopredictirradiationeffectonfracturetoughnessofpressurevesselsteels AT meškovûâ localapproachtofractureapplicationtopredictirradiationeffectonfracturetoughnessofpressurevesselsteels AT popovičva localapproachtofractureapplicationtopredictirradiationeffectonfracturetoughnessofpressurevesselsteels

Использование «локального подхода к разрушению» для прогнозирования влияния радиационного облучения на трещиностойкость реакторных сталей

Institution

Similar Items