СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.....................................................4
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ...............................18
1.1 Современные концепции повреждаемости материалов..........18
1.2 Акустические методы контроля физико - механических характеристик материала.....................................................30
1.3 Акустические методы контроля механических напряжений.....36
1.4 Результаты экспериментальных исследований связи акустических-параметров материалов с его физико - механическими характеристиками и напряженно деформированным состоянием..............................46
1.5 Выводы из литературного обзора и постановка задачи.......55
2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА НА БАЗЕ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ.............................59
2.1 Разработка метода измерения характеристик новрежденности.59
2.2 Алгоритм определения механических напряжений в режиме безнулсвой тензометрии.............................................70
2.3 Алгоритм измерений информативных акустических параметров...86
3 АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА ПОДДЕРЖКИ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК, НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ.................................................90
3.1 Аппаратно - программные средства.........................91
3.2 Конструктивные особенности используемых преобразователей...96
3.3 Выбор материала, подготовка образцов и программа экспериментальных исследований..............................................108
3.4 Используемые механические испытательные машины..............110
3.5 Методика акустических измерений.............................112
4.РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ИНЖЕНЕРНЫХ МЕТОДИК КОНТРОЛЯ ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИЛА.........................128
4.1 Контроль степени пластической деформации.................128
4.2 Определение предела текучести материала..................142
4.3 Контроль вязкости разрушения материала...................146
4.4 Оценка степени радиационного охрупчивания материала корпуса реактора...........................................................157
4.5 Контроль по врожденности при усталостном нагружении металлических материалов..................................................162
4.6 Термоакустический метод оценки поврежденности конструкционного материала.....................................................177
4.7 Определение механических напряжений в режиме безнулевой тензометрии...........................................................182
4.8 Определение размеров зерна стали.........................201
4.9 Контроль толщины тонких металлических покрытий различных типов................................................................203
4.10 Коїггроль качества адгезии покрытий различных типов.....225
4.11 Контроль коррозионных повреждений.......................210
4.12 Выводы из результатов экспериментальных исследований 216
5.ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ ФИЗИКО - МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕ РИСТИК И НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА................................218
5.1 Оценка эксплуатационной поврежденности элементов оборудования реакторных установок атомных ледоколов....................218
2
5.2 Испытание системы «АСТРОЙ» в составе системы мониторинга напряженного состояния материала газопровода.....................223
5.3 Измерение напряжений на действующих магистральных газопроводах ООО «Волготрансгаз»..........................................229
5.4 Использовании спектрально-акустической системы «АСТРОЙ» при контроле остаточных напряжений в материале автомобильных
деталей..........................................................231
5.5 Использовании спектрально-акустической системы «АСТРОЙ» при контроле внутренних напряжений в материале крышки цилиндра
дизеля Г99.......................................................239
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................241
ЛИТЕРАТУРА..................................................243
ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................271
3
ВВЕДЕНИЕ
Анализ причин технических аварий и даже техногенных катастроф многих ответственных объектов показывает, что значительного их числа, если не всех, можно было бы избежать при наличии необходимых средств неразрушающего контроля и диагностики состояния материала, а также соответствующих методов математического моделирования процессов исчерпания ресурса материала объектов [76].
Однако, если сравнить затраты на диагностику в США и России, то можно увидеть, что в США они как минимум в три раза выше в процентах от стоимости сооружений и в атомной энергетике, и в аэрокосмической технике, и в воздушном, водном и железнодорожном транспорте, и в гражданском строительстве, и в других областях [76].
Ключевым вопросом в проблеме мониторинга технического состояния часто является вопрос выбора физического метода определения характеристик поврежденности материала, а также проведение комплекса экспериментальных исследований с целью установления соответствующих функциональных или корреляционных связей.
Анализ литературы за последние два-три десятилетия показывает, что среди неразрушающих физических методов контроля состояния материала одним из наиболее перспективных следует признать акустический метод.
Это вполне естественно. Подобно тому, как электрические парамегры материалов точнее всего можно измерить с помощью электроизмерительной аппаратуры, магнитные - с помощью магнитометрической и т.д., физико -механические характеристики и напряженно - деформированное состояние естественно контролировать аппаратурой, базирующейся на методах, использующей в качестве тестовых механические воздействия. Среди методов неразрушающего кошроля к таким относятся акустические методы.
Экспериментально установлено, что для таких широко распросгранен-ных материалов как алюминиевые, титановые сплавы и малоуглеродистые
4
стали микротрещины, размеры которых значительно меньше 0.1 мм, обнаруживаются на очень ранних стадиях малоциклового нагружения (после количества циклов, не превышающего 1-3% обшей долговечности) и начинают оказывать влияние на акустические свойства материала.
Совегскому Союзу принадлежит приоритег в разработке акустических методов контроля материалов. В работах Лифшица И.М., Пархомовского Г.Д., Меркулова Л.Г., Ботаки A.A., Шарко A.B., Гузя A.H., Махорта Ф.Г. теоретически и экспериментально показана чувствительность основных параметров упругих волн - коэффициентов затухания и скорости звука - к особенностям структуры магериала, в том числе к характеристикам системы микротрещин.
Таким образом, в целом созданы предпосылки для построения эффективного инженерного метода определения физико - механических характеристик материала, определяющих его эксплуатационные свойства.
Разработки методов и технических средств определения физико - механических характеристик материалов, влияющих па параметры прочности и надежности машин и конструкций, в настоящее время ведугся достаточно интенсивно, однако, насколько известно, в нашей стране они до надежных инженерных решений не доведены [76].
Одна из основных причин этого заключается в том, чго разработанные к настоящему времени методы и средства акустического контроля прочностного состояния материала совершенно недостаточно интеллектуализирова-ны, что приводит к следующему: оценка состояния материала производится на основе анализа О1раниченного числа акустических параметров, аппаратно или программно выделенных из всего массива первичной акустической информации и далеко не исчерпывающих весь «акустический порзрет» материала, на который влияет весь комплекс структурных особенностей.
Структурные особенности материала, влияющие на его прочность и долговечность, могуг быть учтены лишь после идентификации его многомерного «акустического портрета», полученного в ходе комплекса прсдвари-
5
тельных обучающих экспериментов.
В зависимости от конкретной инженерной ситуации результаты таких экспериментов могут представлять собой соответствующие функциональные или регрессионные связи, базы данных, элементы экспертных систем и т.д. В связи со сказанным особое значение приобретает разработка современных многофункциональных систем неразрушающего контроля состояния конструкционных материалов, использующих в своих алгоритмах всю исходную акустическую информацию, благодаря применению приемов спектрально-импульсной структурометрии.
Отрывочная информация (чаще - из смежных областей науки и техники) позволяет предположить, что в дальнем зарубежье методы и аппаратура акустической структурометрии, предназначенная для неразрушающего экспресс - контроля физико-механических характеристик материала деталей и полуфабрикатов, разрабатываются чрезвычайно интенсивно, однако, представляя очевидный коммерческий интерес, они, по - видимому, столь же интенсивно и охраняются.
Известные из литературы данные не систематизированы и явно не достаточны, чтобы рассматриваться как результаты некоторой системы обучающих акусто - механических экспериментов.
Задачи контроля физико - механических характеристик и определения напряженно - деформированного состояния - тесно переплетаются с проблемой оценки остаточного ресурса ответственных технических объектов.
В настоящее время класс объектов, для которых задачи оценки остаточного ресурса относятся к основшлм, существенно расширился. В таких отраслях как атомная энергетика, транспорт (авиационный - в особенности) проблема определения индивидуального остаточного ресурса агрегатов, отдельных ответственных узлов или конструкционных элементов приобретает особое значение, поскольку их преждевременный выход из строя может привести к недопустимым экологическим последствиям и огромным материальным потерям. Снятие с эксплуатации объектов, формально выработавших
6
свой назначенный ресурс, но не исчерпавших свою фактическую долговечность, приводит к неоправданным дополнительным затратам.
Как правило, эксплуатационные условия работы таких объектов характеризуются многоиараметрическими нестационарными термосиловыми воздействиями, взаимодействиями с внешней средой, воздействиями внешних полей различной природы, приводящими к развитию различных механизмов деградации начальных прочностных свойств конструкционных элементов и, в конечном итоге, исчерпанию ресурса конструктивных узлов объекта.
Процессы исчерпания ресурса являются многостадийными, сильно нелинейными, взаимосвязанными и сильно зависящими от конкретных условий изготовления и эксплуатации индивидуального объекта. Все изготовленные конструкции содержаг тс или иные начальные дефекты. Принятие концепции присутствия дефектов в конструкциях, имевших место в момент изготовления или развившихся в процессе эксплуатации, налагает большую ответственность - условия распространения дефектов должны быть ограничены количественно с помощью некоторого контроля за процессом разрушения. Для обеспечения надежности конструкций с дефектами необходимо, чтобы повреждение можно было обнаружить прежде, чем оно достигло опасного размера в течение всего расчетного срока службы. Любая конструкция имеет ограниченную долговечность. Остаточная прочность конструкции объективно уменьшается с некоторой скоростью вследствие развития повреждсшюсти в процессе ее эксплуатации.
Для оценки скорости развития процессов повреждсшюсти в конструктивных узлах объекта — оценю! выработанного и прогноза остаточного ресурса необходимого]:
- провести анализ инженерного объекта: выявить основные конструктивные узлы, определяющие его ресурс, состав конструкционных материалов, технологию изготовления узлов, начальную дефектность, параметры эксплуатационных условий;
7
- определить доминирующие механизмы развития повреждснности основных конструктивных узлов;
- - разработать модели доминирующих процессов исчерпания ресурса с учетом их взаимодействия для оценки скорости накопления повреждений в объеме материала в зависимости от условий эксплуатации объекта;
- провести экспериментальные исследования на лабораторных образцах и расчеты кинетики НДС для выявления опасных зон конструктивных узлов и определения конкретных характеристик процессов деформирования и разрушения в этих зонах;
- создать методики и алгоритмы оперативной оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса узлов объекта в процессе его эксплуатации;
- разработать соответствующие объекгноориентированные системы, программно - аппаратные средства оценки выработанного и прогноза остаточного ресурса объекта с целью сбора информации о процессах накопления повреждений в конструктивных узлах, получения количественных характеристик остаточного ресурса, получения необходимой информации для принятия решений о продлении срока службы узлов объекта, об их ремонте и замене.
Практически работоспособные инженерные методики могут основываться лишь на результатах объективных измерений текущих значений параметров состояния материала объекта.
Использование для этих целей методов традиционной дефектоскопии представляется далеко не всегда целесообразным.
Это объясняется тем, что методы дефектоскопии в состоянии зафиксировать лишь такие дефекты, наличие которых часто несовместимо с работоспособностью и даже ремонтопригодностью объекта.
Применение методов металлографии, элекгронографии и рентгенографии, дающих информацию о микроструктуре материалов, не может быть достаточно эффективным но ряду причин:
8
- в силу отмеченных сложностей протекающих на микроструктурном уровне процессов деградации материала результаты названных методов не позволяют сформулировать объективный критерий оценки текущего состояния материала технического объекта;
- данные методы не являются безобразцовыми, в связи с чем их применение непосредственно на эксплуатирующихся объектах часто весьма проблематично.
Поэтому очевидна необходимость разработки эффективных неразру-шаюших методов с соответствующими аппаратно — программными средствами поддержки, позволяющих оперативно, в реальном масштабе времени оценить текущее состояние материала объекта и, используя результаты предварительно проведенных обучающих экспериментов и соответствующую базу данных, выдать заключение о возможности дальнейшей его эксплуатации, о величине предполагаемого фактического ресурса или о необходимости проведения ремонтно - восстановительных работ.
Фундаментальные результаты в области механики деформируемого твердого тела и механики разрушения, являющиеся основой для построения современных методов оценки прочности и долговечности материала ответственных объектов, принадлежат прежде всего отечественным авторам: Качанову, Л.М., Работнову Ю.Н., Черепанову Г.П., Серенсену С.В., Ильюшину A.A., Шестерикову С.А., Трощенко В.Т., Когаеву В.П., Панасюку В.В., и их ученикам. Интенсивно развивающаяся в последние годы механика микронс-однородных сред (Шермергор Т.Д., Салганик PJL) вместе с аппаратом описания коллективного поведения системы микротрещин служит основой для построения структурных моделей накопления повреждений. Работы Коротких Ю.Г., Садырина А.И., Волкова А.И., Волкова В.М., Переверзева Е.С., Ба-ренблатта Г.И., Кузьменко В.А. внесли значительный вклад в разработку математических методов описания закономерностей развития повреждений в материале.
9
В настоящее время все большее значение уделяется вопросам диагностики преддефектного состояния материала, неразрушающего коїггроля его физико-механических свойств до появления нарушений сплошности.
В рамках феноменологических структурно — механических моделей, которые следует признать наиболее удобной базой для построения расчетно - экспериментальных инженерных методик неразрушающего контроля физи-ко - механических характеристик следует иметь в виду следующее.
Параметры упругих волн определяются не непосредственно физико -механическими характеристиками, а в первую очередь характеристиками по-врежденности материала.
Таким образом, задача определения физико - механических характеристик акустическим методом упрощенно может быть сведена к двум подзадачам:
- - определение связи характеристик поврежденное! и материала с его физико - механическими характеристиками;
- определение характеристик повреждснности на базе акустических измерений
Первой задаче посвящены структурно - механические модели, среди которых важное место занимают модели накопления повреждений.
Второй задаче посвящены как теоретические модели, среди которых следует выделить те из них, которые базируются на подходах динамической теории упругости структурно неоднородных сред, так и ряд расчетно - экспериментальных методик, посвященных использованию неразрушающих методов коїггроля структурных параметров материала, определяющих его физико - механические характеристики:
Объективная оценка технического состояния эксплуатирующегося ответственного технического объекта в ряде практически важных случаях невозможна без оценки напряженно - деформированного состояния, в котором находится его материал.
Ю
В том случае, когда возможно применение расчетных методов (достаточно развитых в настоящее время), или по условиям эксплуатации возможно тензометрированис материала, задача определения напряженно - деформированного состояния в общей проблеме контроля технического состояния не является ключевой.
Однако, существует огромное количество технических ситуаций, когда, с одной стороны, обе названные возможности определения напряжений отсутствуют, а с другой - вероятность внезапного разрушения объекта с тяжелыми последствиями по причине повышения напряжений чрезвычайно велика.
Пример таких объектов — магистральные нефте - и газопроводы.
Причиной многих экологических катастроф и у нас и за рубежом часто являются разрывы их линейных участков.
Кроме технологических дефектов и таких явлений, как стресс - коррозия, к разрыву трубопроводов часто приводят повышенные механические напряжения в материале трубопроводов, причиной возникновения которых являются различного рода непроектные нагрузки, например, подвижки грунта в районе карстовых отложений, оползней и т.п.
Отследить подобные изменения напряжений можно было бы, используя современные средства мониторинга напряженного состояния. Однако, в этом случае датчики (соответствующей физической природы) должны быть установлены на трубопроводе еще до его укладки - сразу после изготовления трубы. С экономической точки зрения эта процедура представляется крайне дорогостоящей. Измерить же действующие напряжения, не зная «нулевого» состояния материала, традиционные неразрушающие методы не позволяют, несмотря на то, что методы акустической тензометрии все шире используются в мировой практике (так, например, в США исследования в области аку-стодиагностики напряженно - деформированного состояния субсидируются такими организациями, как министерство обороны, энергетики, транспорта, NASA, National Science Foundation).
II
Понятно, что подобная ситуация не имела бы места при структурной однородности и стабильности материала технического объекта с действующими в нем механическими напряжениями и в качестве «нулевого» можно было бы принять состояние материала в той его точке, где напряжения не действуют или заведомо известны или же состояние сортамента материала, из которого изготовлен объект.
Таким образом, на рынке методов и средств неразрушающего контроля и диагностики таких ответственных объектов, как магистральные трубопроводы, создались очевидный вакуум и вполне ощутимая потребность в аппаратуре и методологии контроля абсолютных значений напряжений, а не их приращений.
Все сказанное полностью относится к сосудам давления, несущим элементам строительных конструкций, к ответственным элементам авиационной, космической техники, ядерной энергетики и др.
В последние годы проявился ряд разработок, посвященных контролю механических напряжений нетрадиционными методами. Это в первую очередь, системы «БнезБсап», «Гупетрон», «Еврозет», «АСТ - 2000» и др.
Обладая высокой чувствительностью к механическим напряжениям, информативные параметры, используемые названными системами, в еще большей степени реагируют на структурную неоднородность материала. Отсюда - значительная погрешность (до 300%) при определении механических напряжений в объектах с неоднородной структурой. А таких объектов - не просто подавляющее большинство: практически все технические объекты являются такими, за исключением, возможно, тех из них, которые изготовлены с использованием прецизионных технологий (например, в микроэлектронике) и для которых задача контроля механических напряжений неакту альна.
Следовательно, главное в методе контроля абсолютных значений напряжений - вопрос восстановления «нулевого» состояния материала, или, как иногда говорят, вопрос отстройки от структуры (лучше было бы сказать -настройки на структу ру в зоне измерения напряжений).
12
В рамках феноменологических структурно - механических моделей этот вопрос естественно увязать с вопросом оценки степени поврежденности материала.
Сравнительный анализ возможностей неразрушающих методов контроля механических напряжений в структурно неоднородных материалах показывает, что в настоящее время лишь на базе акустических методов наиболее вероятно создание подходов к решению задач «безнулевой тензометрии» [133,278, 184- 189].
В отношении методического обеспечения имеющихся разработок, направленных на использование акустических методов в задачах контроля фи-зико - механических характеристик материалов и его напряженно - деформированного состояния, приходится констатировать следующее. Это обеспечение в настоящее время развито совершенно недостаточно. Соответствующая методическая поддержка существует в виде комплекса ограслевых документов частного применения, определяющих решение отдельных конкретных задач. В нашей стране отсутствует достаточно полный нормативный документ, регламентирующий порядок применения акустических методов при их использовании для определения физико - механических характеристик материалов объектов отвегственного назначения. Его отсутствие сдерживает наметившиеся в последнее время тенденции к использованию унифицированных и оригинальных аппаратно-программных средств, реализующих акустические методы кшггроля состояния материала, выходящие за рамки дефектоскопии.
В 2004 г. принят разработанный автором межгосударственный стандарт ГОСТ 31244-2004 «Контроль неразрушающий. Оценка физико-механических характеристик материала элементов технических систем акустическим методом. Общие требования». Стандарт устанавливает общие требования к системам акустического контроля и порядок применения акустических методов в задачах определения физико-механических характеристик материала элементов технических систем. Принятие стандарта поможет ук-
13
рспить нормативную базу для использования современных акустических методов контроля физико-механических характеристик материала технических объектов. Автор диссертации с удовлетворением отмечает интерес, вызванный стандартом среди широкого круга специалистов, занимающихся акустическими методами контроля состояния металлических материалов.
Итак, для построения и реализации мсгода контроля физико — механических характеристик и напряженно деформированного состояния материала с использованием акустических измерений необходимо следующее:
1.Выбор феноменологической модели, в рамках которой может быть описан как процесс накопления повреждений, так и посгроен акустический способ определения характеристик поврежденносги.
2.Проведение экспериментальных исследований, позволяющих установить, какие из акустических параметров адекватно характеризуют повреж-денность материала при определенном виде внешних воздействий.
3.Постановка и проведение обучающего эксперимента, позволяющего установить вид тарировочных акусто - механических кривых.
4.Создание алгоритма обработки результатов спектрально - акустических измерений с целью их использования в задаче оперативной экспресс -оценки физико - характеристик материала в составе элементов оборудования.
5.Установление фактической точности и границ применимости разработанных методик оценки физико — механических характеристик элементов оборудования с использованием выбранных акустических параметров.
6 Разработка в рамках общего подхода расчетно - экспериментальной методики контроля абсолютных значений напряжений («безнулевая тензометрия»).
7. Разработка и апробация на значимых технических объектах современных программно - аппаратных средств, обеспечивающих высокоточное измерение и обработку в реальном масштабе времени больших массивов входной акустической информации.
14
13 представленной диссертации предложен спектрально - акустический метод определения физико - механических характеристик материалов в составе технических объектов.
Разработан комплекс аппаратно -программных средств, обеспечивающих высокоточное измерение и обработку в реальном масштабе времени информативных акустических параметров.
На базе предложенного метода разработаны и практически апробированы конкретные инженерные методики, обеспечивающих экспресс - контроль ряда важнейших физико - механических характеристик, определяющих возможность безопасной эксплуатации (в том числе за пределами назначенного ресурса) ответственных объектов ядер ной энергетики, транспорта и др.
Материал диссертации изложен в пяти главах.
Глава 1 посвящена обзору литературных данных о современных представлениях о процессах деградации материала, о моделях накопления повреждений и трактовках парамегров поврежденности неоднородных материалов Проанализированы существующие акустические методы контроля физико - механических характеристик материала
Исследовано состояние вопроса применения акустические методов в задачах контроля механических напряжений в материале
Приведен обзор результатов экспериментальных исследований связи акустических параметров материалов с его физико — механическими характеристиками и напряженно-деформироваїпплм состоянием
В конце главы сформулированы выводы из литературного обзора и поставлены задачи исследований.
15
В главе 2 приведено описание разработанного автором алгоритма определения физико - механических характеристик и напряженного состояния материала на базе акустических измерений
Обоснован выбор вида характеристик повреждсниости.
Описан метод оценки характеристик поврежденности материала на базе акустических измерений.
Предложен алгоритм определения механических напряжений в режиме безнулевой тензометрии.
Описан алгоритм измерений информативных акустических параметров, фигурирующих в необходимых для реализации метода расчетных соотношениях.
В 3 главе описаны разработанные аппаратно-программные средства поддержки акустического метода контроля физико - механических характеристик, напряженного состояния материала и методика измерений
Дано описание разработанных модификаций измерительно - вычислительных комплексов с приведением их технических характеристик .
Описаны конструктивные особенности используемых оригинальных преобразователей.
Приведена программа экспериментальных исследований и методика акустических измерений.
В 4 главе дано описание ряда (более 10) конкретных шгженерных методик контроля физико — механических характеристик и напряженного состояния материала и результаты их апробации и оценки точности.
Глава 5 посвящена практическому использованию разработанного метода контроля физико - механических характеристик и напряженного состояния материала для ряда ответственных технических объектов, таких как:
- элементы оборудования реакторных установок атомных ледоколов;
16
- материал корпуса ядерного реактора АЭС;
- линейная часгь магистральных газопроводов;
- детали автомобилей и судовых дизелей;
Научная новизна представленных в работе материалов состоит в следующем:
1 Разработана расчстно - экспериментальная методика определения характеристик поврежденности материала на стадии развития рассеянных мик-роиовреждений, основанная на измерении спектрально - акустических характеристик материала.
2 Разработан, изготовлен и практически апробирован ряд модификаций портативных комггьютеризировашшх спектрально - акустических систем, предназначенных для использования в задачах контроля поврежденности и действующих напряжений в материале ответственных технических объектов.
3 Впервые результаты спектрально-акустических измерений использованы в задачах оценки эксплуатационной поврежденности элементов оборудования реакторных установок атомных ледоколов, исчерпавших назначенный ресурс.
4 Экспериментально показаны возможности метода и реализующих его аппаратно - программных средств в виде спектрально-акустической системы в задачах оценки ряда структурных и физико - механических характеристик материала: степени пластической деформации, предела текучести, вязкости разрушения, размера зерна, степени адгезии покрытий, степени пористости и др.
5 Впервые на базе разработанного метода создана и практически апробирована методика определения абсолютных значений осевых напряжений в материале магистральных газопроводов, подвергаемых непроектным нагрузкам.
17
1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ
1.1 Современные концепции повреждаемости материалов
Для инженерных объектов, работающих в условиях нестационарных термосиловых нагружений (атомные реакторы, турбины, котлы, авиационные двигатели, объекты химического машиностроения), основными доминирующими механизмами, определяющими ресурс конструктивных узлов, являются:
- многоцикловая усталость;
- малоцикловая усталость;
- нестационарная ползучесть;
- взаимодействие усталости и ползучести;
- коррозионная усталость;
- динамическая прочность.
Для указанных механизмов образование макроскопической трещины является результатом последовательного действия определенного числа очень сложных с физической точки зрения процессов преобразования начальной структуры конструкционного материала, включающих зарождение, развитие и взаимодействие различных дефектов кристаллической решетки в металлах и взаимодействие иерархических структурных составляющих различного уровня. Необратимые структурные изменения подготавливают образование и распространение макроскопической трещины и являются неотъемлемой составляющей процесса разрушения материала.
С точки зрения механики сплошных сред стадия развития распределенных микродефектов описывается механикой поврежденной среды, а стадия распространения опасной макротрещины - механикой разрушения. Гомогенизация микродефектов имеет спорный характер в переходной зоне, когда их размер составляет 0,1 мм. В этой зоне невозможно применение механики разрушения, поскольку трещины недостаточно определены, а возможности механики поврежденной среды достигают своих пределов. Следова-
18
телыю, для адекватного моделирования процесса накопления повреждений в этой зоне необходимо сближение границ действия механики поврежденной среды и механики разрушения. Это можно сделать путем введения для процесса накопления распределенных микродефектов двух стадий: стадии зарождения микродефектов и стадии распространения (взаимодействия) микродефектов, заканчивающейся образованием макроскопической трещины определенных размеров. [90]
Введение этих стадий позволяет расширить область применения механики поврежденной среды и, в случае действия механизмов усталости и ползучести, объяснить взаимодействие этих механизмов и явление нелинейного суммирования повреждений при изменении условий нагружения [215, 261].
В зависимости от эксплуатационных условий, качества технологии изготовления конструкций, максимально допускаемых размеров исходных дефектов долговечность конструкции будет определяться либо длительностью только стадии накопления распределенных дефектов, либо длительностью стадии распространения опасной макроскопической трещины, либо совместно длительностью обеих стадий. При надлежащих требованиях к изготовлению и контролю дефектности долговечность конструкции будет определяться в основном процессами накопления распределенных повреждений в опасных зонах, составляющей в этом случае 80-90 % общей долговечности.
Современный подход к оценке выработанного ресурса инженерных объектов при доминирующих механизмах усталости и ползучести с учетом их взаимодействия базируется на следующих основных положениях:
- моделировании основных физических стадий развития процесса разрушения;
- введении для каждого механизма исчерпания ресурса адекватною «внутреннего времени» процесса;
- учете нелинейною суммирования повреждений при измерении условий нагружения и от различных механизмов исчерпания ресурса;
19
- формулировке принципов эквивалентности процессов для различных условий нагружения и различных напряженно-деформированных состояний, их эквивалентности экспериментальным данным лабораторных испытаний образцов;
- учете влияния вида траектории деформирования, параметров напряженно-деформированного состояния на скорости процессов;
- учете реальной истории нагружения и влияния истории нагружения на скорости процессов;
- формулировке эволюционных уравнений процессов деформирования и накопления повреждений с учетом их взаимного влияния и критериев, определяющих устойчивость данных процессов;
- разработке на базе эволюционных уравнений процессов деформирования и накопления повреждений алгоритмов оперативной оценки выработанного ресурса, позволяющих с использованием предварительной экспериментальной и расчетной информации в реальном масштабе времени проводить оценку ресурса.
Заметное уточнение результатов оценки ресурса может быть достигнуто за счет использования результатов мониторинга состояния материала с применением современных средств неразрушающего контроля и диагностики.
В настоящее время актуальным становится вопрос расчетной оценки совместных процессов деформирования и накопления повреждений для ответа на вопрос: где и когда при заданной истории изменения нагрузки и температуры впервые возникнут макроскопические нарушения сплошности материала (макротрещины) и как эти макротрещины будут развиваться в дальнейшем. Поскольку процессы накопления повреждений тесно связаны с кинетикой НДС, точность расчетных оценок ресурса конструктивных элементов в заданных условиях эксплуатации будет зависеть от того, насколько данные уравнения состояния адекватно описывают кинетику НДС в этих условиях.
20
К настоящему времени разработано большое количество уравнений, описывающих процессы поврежденности материала в результате пластического деформирования и ползучести. Однако, большинство этих уравнений ориентированы только на определенные классы нагружения (траектории малой кривизны), не связаны с конкретными уравнениями процессов деформирования и, следовательно, не могут отразить зависимость процессов накопления повреждений от истории изменения НДС, температуры, скорости деформации. На самом деле история вязкопластического деформирования (вид траектории деформирования, характер циклического нагружения, характер изменения температуры, вид напряженного состояния, история его изменения и т.д.) существенно влияют на скорости протекания процессов накопления повреждений. Это подчеркивает важность рассмотрения деталей кинетики НДС в опасных зонах конструктивных элементов и его теоретического описания соответствующими уравнениями состояния при любом подходе к оценке поврежденности. Очевидна также значимость методов экспериментального определения НДС, особенно в тех случаях, когда точность его тео-регического определения недостаточна.
Для построения адекватных моделей поведения и разрушения материалов должен использоваться принцип, заключающийся в том, что физические механизмы являются основой наилучшего решения [90]. После выявления физических закономерностей, существенных для данного класса рассматриваемых задач, необходимо принять решение, каким образом учесть их влияние при выводе определяющих соотношений. Самый прямой путь состоит в математическом моделировании каждого физического механизма. Однако, современный уровень знаний в области поведения конструкционных материалов недостаточен для такого подхода. Поэтому приходится использовать феноменологический подход, но представление о физических механизмах оказывает сильное влияние на форму итоговых уравнений. Более того, именно физические механизмы, протекающие в магериале в процессе его дегра-
21
дации, определяют набор физических экспериментальных методов, позволяющих определить необходимые параметры моделей.
В рамках интенсивно развивающейся механики поврежденной среды микроструктурныс изменения в материале описываются эволюцией специально введенных параметров, интегрально характеризующих микроскопические физико-механические свойства конструкционных материалов.
При описании состояния повреждснности через такие параметры необходимо выбрать соотвегствующие меры количественной оценки повреждснности материала на макроуровне [126]. Очевидно, что эти меры должны быть связаны с какой-либо поддающейся измерению физической величиной (изменение модулей упругости, амплитуды пластической деформации при жестком циклическом нагружении, скоросги ползучести на третьем участке кривой ползучести и т.д.). Исследование этого изменения позволяет получить связь механических параметров с процессом накопления повреждений, ввести в соответствующие мсхаггичсскис модели влияние повреждснности на физико-механические характеристики материала и определить из соответствующих лабораторных экспериментов параметры механических эволюционных уравнений накопления повреждений.
Работновым Ю.Н. и Качановым Л.М. введен макроскопический параметр (0< У < 1), характеризующий на макроуровне степень поврежденности материала. Поскольку этот параметр и его изменение характеризует влияние микроскопических процессов и изменения структуры материала в результате процессов накопления повреждений на его механические свойства, он является внутренним параметром состояния, представляющем собой макроскопическую меру микроскопического геометрического повреждения материала.
Строгая математическая трактовка параметра соответствует микроскопической природе поврежденности, имеющей анизотропный характер даже в тех случаях, когда материал начально изотропен. Однако, в настоящий момент, отсутствуют надежные экспериментальные данные и методики исследования развития анизотропии поврежденности для различных историй
22
нагружения. Поэтому в большинстве практических приложений принимают гипотезу изотропии, согласно которой микродефекты распределяются равномерно по своим направлениям. В этом случае Ч7 является скалярной величиной.
Так как накопление общей поврежденности Ч7 в элементарном объеме материала может происходить в результате развития различных механизмов исчерпания ресурса и, в частности, механизмов усталости и нестационарной ползучести, динамического нагружения, необходимо учитывать, что суммарная повреждснность Ч/ является комбинацией поврежденностей Ч*, отвечающих каждому к-ому механизму и отражающих различные, с точки зрения микроструктуры, классы дефектов для каждого к-ого механизма.
Так, известно, что микродефекты, развивающиеся по механизму усталости по телу зерна, имеют совершенно иную природу, чем микродефскты, развивающиеся по границам зерен в результате ползучести. Таким образом, необходимо иметь адекватное правило суммирования повреждений Ч* от
различных механизмов исчерпания ресурса в единую повреждснность Ч/ с учетом их взаимодействия при одновременном или последовательном их развитии.
Естественно, что рассмотренные выше соображения имеют очень приближенный характер с точки зрения реальных процессов на уровне микроструктуры материала. Однако, существующая на сегодняшний день практика использования скалярного параметра поврежденности Ч для различных механизмов исчерпания ресурса позволяет утверждать, что такой подход достаточно эффективен для практических приложений оценки ресурса машиностроительных изделий и с его помощью можно достаточно корректно оценивать ресурс конструкционных материалов при различных механизмах [215, 216, 104, 92, 23, 126,].
Известный из эксперимента заметный разброс прочностных характеристик материата можно трактовать как следствие флюктуации параметров начального состояния материала. Это стимулировало усовершенствование
23
моделей накопления повреждений [15] в направлении учета начальной поврежденное™. В таких модифицированных моделях предполагается, что величина поврежденное™ изменяется в диапазоне: Чр < 4х < Ч*.,
где % - величина начальной поврежденное™, индивидуально характеризующая состояние материала данного образца или детали в начальный момент испытаний или эксплуатации.
Важно отметить, что в рамках такого подхода с величиной начальной поврежденное™ Чд можно связать комплекс физико — механических характеристик материала в составе технического объекта, поскольку сама проблема определения этих характеристик возникаег именно вследствие поврежденное™ материала.
Действительно, если бы не было повреждений (в т.ч. дефектов структуры), то не было бы ни проблемы определения механических характеристик конструкционных материалов, ни проблемы оценки ресурса, поскольку' в
этом идеальном случае, например, предел текучести ао2 и предел прочности
равны друг другу' и равны теоретическому пределу прочности.
7*
Для времени разрушения * в этом случае справедливо выражение:
О при °
'С • —
00 при а 4 ст«
Развитие экспериментальной и вычислительной техники, методов решения нелинейных краевых задач на ЭВМ открывает перспективные возможности использования полных уравнений механики поврежденной среды и на их базе с помощью специальных алгоритмов оценивать выработанный и прогнозировать остаточный ресурс машиностроительных объектов в процессе эксплуатации.
24
Образование макроскопической трещины в элементе объема является результатом действия ряда очень сложных с физической и металлургической точки зрения процессов, которые укруиненно можно объединить в две фазы.
Первая фаза соответствует преобразованию структуры в результате вязкопластической деформации, что приводит к возникновению эффектов упрочнения или разупрочнения (например зарождение и движение дислокаций). На этой стадии происходит зарождение рассеянных по объему материала повреждений в виде микропор и микротрещин: по телу зерна в результате процессов деформирования, по границам зерен в результате процессов ползучести. Взаимодействие различных процессов накопления повреждений на этой стадии отсутствует. Влияние накопленной поврсждеиности на физико-механические характеристики материала незначительно.
Вторая фаза связана с развитием и коллективным взаимодействием развивающихся микропор и микротрещин. С макроскопической точки зрения, начало этой фазы соответствует окончанию периода стабильного циклического деформирования при усталостных испытаниях для циклических стабилизирующихся материалов и началу третьего нестационарного участка кривой ползучести (окончанию стадии установившейся ползучести) при испытаниях на ползучесть под действием постоянного напряжения. На этой стадии наблюдается взаимное влияние процессов накопления повреждений по различным механизмам.
Окончание этой фазы соответствует образованию макрогрещины. Па этой стадии наблюдается сильное прогрессирующее влияние накопленной поврежденности на макроскопические физико-механические характеристики материала (модули упругости, скорость звука, плотность, удельное электросопротивление и т.д.). В настоящее время считается, что окончание этой стадии соответствует образованию макроскопической трещины длиной ~ 1 мм.
С феноменологической точки зрения каждая из стадий должна описываться своей переменной состояния 4*, и Ч*2: 0 < Ч^ < 1, 0 < 4^ — 1 С111111
Ч/]° < 4х, < Ч*, ,Ч/2° < Ч2 < Ч^). Формулировка эволюционных уравнений
25
- Київ+380960830922