СОДЕРЖАНИЕ стр.
РЕФЕРАТ.......................................................... 4
УСЛОВНЫЕ СОК РАЩЕНИЯ............................................. 5
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............................................. 6
ВВЕДЕНИЕ......................................................... 8
Глава 1. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ВЛИЯНИЮ
АГРЕССИВНЫХ СРЕД НА МАТЕРИАЛ КОНСТРУКЦИЙ.
МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ......................... 17
1.1 Работа конструкций в реальных условиях эксплуатации 17
1.2 Классификация коррозионных процессов................. 18
1.3 Влияние агрессивных рабочих сред на прочностные и деформационные характеристики материалов. .................... 20
1.4 Обзор методов расчета конструкций, взаимодействующих с агрессивными средами..................................... 37
Выводы по первой главе................................... 48
Глава 2. УРАВНЕНИЯ ИЗГИБА ПЛАСТИНОК В АГРЕССИВНОЙ СРЕДЕ 50
2.1 Математическое моделирование деформирования и долговечности пластинок в агрессивных средах..................... 50
2.2 Основные допущения при описании процесса деформирования материала с наведенной неоднородностью............... 52
2.3 Построение функций деградации....................... 57
2.4 Аппроксимация зависимости а1=а(е)................... 60
2.5 Методы линеаризации нелинейных уравнений............ 67
2.6 Инкрементальное уравнение изгиба нелинейно-упругой пластинки в агрессивной среде............................... 70
2.7 Граничные условия.................................... 74
2.8 Решение линеаризованного уравнения................... 76
Выводы по второй главе................................... 79
Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И РЕЗЕРВА НЕСУЩЕЙ
СПОСОБНОСТИ НЕЛИНЕЙНО-УПРУГИХ ПЛАСТИНОК В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ......................................... 81
3.1 Постановка задач исследования напряженно-деформированного состояния пластинок в рабочих средах 81
3.2 Исследование точности решения задач изгиба нелинейноупругих пластинок по методу конечных разностей.......... 82
3.3 Исследование точности решения задач изгиба нелинейноупругих пластинок методом последовательных нагружений и двухшаговым методом последовательного возмущения параметров.................................................. 84
3.4 Определение параметров напряженно-деформированного состояния, долговечности и резерва несущей способности пластинок в рабочих средах................................. 86
3.5 Исследование изменения относительной скорости деградации
з
Я на долговечность пластинки в агрессивных средах......... 97
3.6 Исследование влияния параметра В0 на долговечность пластинки при изгибе в рабочей среде.......................... 105
3.7 Исследование изменения толщины пластинки И на долговечность нелинейно - упругих пластинок при изгибе в агрессивных средах...................................................... 116
3.8 Определение резерва несущей способности поврежденной пластинки при прекращении действия агрессивной среды.... 122
3.9 Оценка влияния параметров наведенной неоднородности на долговечность пластинки в агрессивной среде................ 127
Выводы по третьей главе......................................... 129
Заключение...................................................... 131
Список используемой литературы.................................. 134
Приложения...................................................... 160
РЕФЕРАТ
Диссертационная работа общим объемом 225 страниц содержит 78 рисунков на 26 страницах, 3 таблицы, библиографический список из 237 наименований на 24 страницах и 50 приложений на 66 страницах.
ПЛАСТИНКА, РАБОЧАЯ СРЕДА, МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ДЕФОРМИРОВАНИЕ, НЕОДНОРОДНОСТЬ МАТЕРИАЛА, ДВУХШАГО-ВЫЙ МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ВОЗМУЩЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ, КРАЕВАЯ ЗАДАЧА, ПРОЧНОСТЬ, ДОЛГОВЕЧНОСТЬ, РЕСУРС.
Работа посвящена исследованию прочности и долговечности тонкостенных конструкций типа пластинок из нелинейно - деформируемого материала в процессе их эксплуатации в агрессивной эксплуатационной среде.
Рассмотрена математическая модель учета возникающей в условиях воздействия агрессивных сред наведенной неоднородности физико-механических свойств материала нагруженных конструкций при расчете их на прочность и долговечность. Предложена замена аналитической аппроксимации кривой деформирования численным массивом информации.
Используя допущения модели Кирхгофа - Лява, на основе двухшагового метода последовательных возмущений параметров построены инкрементальные уравнения эволюционного характера в приращениях, учитывающие историю процесса деформирования и деградации физико-механических свойств материала во времени.
Приведены результаты численных экспериментов, где реализована методика и алгоритмы решения задач прочности и долговечности пластинок с наведенной неоднородностью методом конечных разностей. Проведена верификация модели с эталонными тестовыми задачами. Дана аналитическая оценка влияния наведенной неоднородности материала на напряженно-деформированное состояние и долговечность конструкции и вынесены рекомендации для применения в инженерной практике.
УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
В работе использованы следующие условные сокращения:
дмпвп - двухшаговый метод последовательных возмущений параметров
МБГ метод Бубнова - Галеркина
МБК метод Бицено - Коха
ММБК - модифицированный метод Бицено-Коха
МКР метод конечных разностей
мнк метод 11ьютона - Канторовича
мпвп - метод последовательных возмущений параметров
мпн метод последовательных нагружений
НДС напряженно - деформированное состояние
ОС опасное состояние
ПК персональный компьютер
110 программное обеспечение
6
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
В работе использованы следующие условные обозначения: а — длина пластинки
И - толщина пластинки
Е - модуль Юнга
Е0 ~ начальный модуль Юнга (при малой деформации)
Ес - секущий модуль
Ес° - начальный секущий модуль
Ес* ~ переменный секущий модуль
Ек - касательный модуль
Ек - начальный касательный модуль
Ек - переменный касательный модуль
о - напряжение
(73 - экспериментальное значение напряжения
оп - табличное (расчетное) значение напряжений
- интенсивность напряжений сттек - значение напряжений в начале текучести
ох,ау - нормальные напряжения
сгв(() - временный предел прочности
^ху, Тхг > туг “ касательные напряжения
Ухг> Уу2 — угловые деформации
б - линейная относительная деформация
бэ — экспериментальное значение деформации
еп - табличное (расчетное) значение деформаций
е,- - интенсивность деформаций
Е1,тах ~ максимальная интенсивность деформаций
и — коэффициент Пуассона
д - интенсивность поперечной нагрузки
7
Я.тах - максимальная нагрузка
Д<7 - шаг приложения поперечной нагрузки на шаге расчета
г' 6(1) - расстояние от срединной плоскости пластинки до фронта дви жения рабочей среды - глубина проникновения агрессивной среды
А<5 - шаг движения фронта агрессивной среды
1А1 — относительная точность выхода из итерационного процесса
Во — значение агрессивной среды на поверхности материала
В(2) - значение агрессивной среды в произвольной точке
( - время действия агрессивной среды
а — экспериментальный коэффициент
Я - относительная скорость деградации свойств материала
Р — плотность вещества
\У - прогиб пластинки
ш — относительный прогиб пластинки
со - параметр повреждения
О — шаг расчета численного массива информации;
N — номер ячейки численного массива
N массива - количество столбцов численного массива
мх, му — изгибающие осевые моменты
н - кру тящий момент
к - коэффициент объемного сжатия материала
Т - долговечность
р - резерв несущей способности
ВВЕДЕНИЕ
8
В реальных условиях эксплуатации многие строительные конструкции подвержены действию агрессивных эксплуатационных сред природного или техногенного характера.
Результаты экспериментальных исследований и натурных испытаний свидетельствуют о том, что действие агрессивных сред приводит к существенным изменениям механических свойств материала конструкции, а в некоторых случаях к изменению самой конструкции. Для прогнозирования этих изменений необходимо иметь расчетные модели и методы расчета, учитывающие отрицательное влияние эксплуатационной среды.
В инженерной практике распространены тонкостенные конструкции типа пластинок, сочетающие легкость и прочность, выполненные из материалов, отличающихся повышенной стойкостью к воздействию таких сред и имеющих нелинейную диаграмму деформирования.
Изучение физических закономерностей взаимодействия материалов с агрессивными средами охватывает фундаментальный пласт от макроуровня проблем расчета параметров напряженно-деформированного состояния, прочности, устойчивости и долговечности конструкций в агрессивных средах до микроуровня молекулярного и атомного строения. Круг ученых, работающих в этом направлении, невелик. В решение этой проблемы внесли свой вклад такие ученые как Ю.А. Арчаков [9 - 10], В.М. Долинский [42 - 46], В.Н. Киселевский [72], В.В. Петров [153 - 171]; И.Г. Овчинников [111 - 138], Р.Д. Степанов [199 -200], В.Г1. Селяев [186], В.И. Солоаматов [194 - 195], О.В. Соснин, В.В. Горев [196 - 198], А.Н. Тынный [210], Г.Е. Фрегер, Н.Г. Цой [214], А.П. Федорцов, Ю.С. Потапов [212], О.Р. Шленский [220 -221] и другие авторы [24, 30 - 31, 36 -40, 74-79,81,87, 142, 180-181, 183-185].
В настоящее время большое значение приобретает система целенаправленных экспериментов, проводимых в интересах специалистов-расчетчиков.
Целью такой программы является накопление и анализ данных для построения модели и осуществления ее полной и корректной идентификации.
После экспериментальных исследований, большое внимание уделяется моделированию коррозионных процессов под напряжением на основе феноменологического подхода, позволяющего построить формальную математическую модель, которая при отсутствии полной ясности физико-химических процессов в материале, адекватно отражает их и может быть достаточно точной в том диапазоне изменения параметров, в котором проводились экспериментальные измерения.
К настоящему времени значительные успехи достигнуты в области построения математических моделей, основанных на теории накопления повреждений без учета и с учетом нелинейности диаграммы деформирования. Решены задачи длительной прочности конструкционных сталей в условиях водородного воздействия, полимерных материалов с учетом действия инертных жидких сред, бетонов при климатических воздействиях, решаются задачи влияния радиационного и лазерного облучения.
Эти достижения, в большей мере, связаны с изучением поведения материалов при агрессивных воздействиях и в меньшей мере к проблеме расчета конструкций из них. В значительно меньшей мере разработаны численные методы расчета конструкций на основе существенно нелинейных моделей с учетом влияния агрессивной эксплуатационной среды. Это относится к пластинкам, являющимися составной частью технологического оборудования в химическом, нефтяном, энергетическом машиностроении и других отраслях промышленности.
Учет агрессивных воздействий рабочих сред, отличающихся большим разнообразием, в настоящее время из-за недостаточной экспериментальной информации, сводится к проблеме расчета конструкций с особым видом наведенной неоднородности. Очевидно, что такая феноменологическая модель будет
10
адекватно отражать лишь те процессы взаимодействия, которым соответствуют принятые в модели допущения.
Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие методов расчета долговечности пластинок с учетом действия агрессивной рабочей среды. Для этого сформулированы следующие задачи:
1) провести анализ и систематизацию экспериментальных данных по влиянию аїрессивньїх рабочих сред на поведение материалов и конструкций и методов построения расчетных схем;
2) провести моделирование напряженно-деформированного состояния пластинок с учетом концентрации агрессивной среды в материале;
3) разработать методику расчета, программное обеспечение и выполнить численное исследование напряженно-деформированного состояния квадратной пластинки в условиях воздействия аїрессивньїх рабочих сред;
4) провести анализ эффектов, вызываемых в материале пластинки совместным действием нагрузки и агрессивных сред;
5) разработать методику определения долговечности конструкций в агрессивных средах;
6) разработать методику определения резерва несущей способности поврежденных пластинок после устранения источника агрессивной среды;
7) аппроксимировать полученные результаты аналитическими выражениями, построить графики долговечности и относительных прогибов пластинки.
Научная новизна работы:
1) проведена систематизация экспериментальных данных, выполнен анализ эффектов, вызываемых в конструкционных материалах действием агрессивных рабочих сред, и показано, что под действием агрессивной среды происходит значительная деірадация свойств материалов;
2) дальнейшее развитие получила модель нелинейно-упругой пластинки, изгибаемой в агрессивных средах, и произведена верификация модели;
11
3) разработаны методика, алгоритм, программное обеспечение для расчета долговечности, и выполнено численное исследование поведения квадратной нелинейно-упругой пластинки с учетом совместного действия нагрузки и агрессивной эксплуатационной среды;
4) исследовано влияние различных факторов модели наведенной и развивающейся неоднородности на долговечность нелинейно-упругой пластинки. Получены аналитические описания долговечности, относительных прогибов пластинки и резерва несущей способности (остаточного ресурса) поврежденных пластинок с учетом концентрации агрессивной среды.
Практическая ценность и реализация полученных результатов:
1) уточнены расчетные модели, описывающие параметры напряженно-деформированного состояния пластинок, изгибаемых в агрессивной среде;
2) разработаны методика, алгоритм и программа решения задач изгиба прямоугольных пластинок из нелинейно-упругого материала с учетом концентрации агрессивной среды в произвольной точки материала.
3) предлагаемая методика позволяет достоверно определить долговечность пластинок, изгибаемых в агрессивных средах;
4) исследовано влияние параметров расчетной модели, и обоснованы аналитические зависимости долговечности, относительных прогибов и резерва несущей способности пластинок с учетом действия агрессивной среды;
5) результаты диссертационной работы могут быть использованы научными и проектными организациями при расчете и прогнозировании поведения элементов конструкций в сложных условиях эксплуатации.
Достоверность результатов работы основана на корректности математических моделей, взятых в качестве основы разработанных методик и строгости используемого математического аппарата, что подтверждается сопоставлением результатов расчета по предложенным математическим моделям с известными аналитическими решениями, а также экспертными оценками специалистов в области механики деформируемого твердого тела, полученными при об-
12
суждении диссертационной работы на научных конференциях, семинарах и консультациях.
Диссертация состоит введения, трех глав, заключения и приложений.
В первой главе сделан обзор, состоящий их двух частей. В первой из них проведена систематизация данных натурных и лабораторных исследований. Во второй части обзора изложено сегодняшнее состояние проблемы расчета элементов конструкций в агрессивных средах, проводится анализ основных результатов, достигнутых исследователями в этой области. Рассматриваются достоинства и недостатки основных моделей, описывающих поведение пластин в условиях «коррозия под напряжением» и даются их сравнительные характеристики.
Во второй главе работы предлагается дискретная (табличная) методика аппроксимации диаграммы деформирования материала, позволяющая точно отобразить характер произвольной кривой «деформации-напряжения» на всем диапазоне изменения деформаций. Этот способ позволяет отказаться от аналитического описания кривой деформирования.
Большая часть второй главы посвящена описанию модели наведенной неоднородности и математической сущности алгоритма решения задачи изгиба нелинейно-упругой пластинки, находящейся под действием постоянной нагрузки в агрессивной среде. В основу алгоритма положены физические соотношения технической теории изгиба пластин. На основе феноменологического подхода и совокупности допущений получены инкрементальные уравнения изгибаемых конструктивных элементов, подвергающихся действию агрессивной рабочей среды, проведена его линеаризация двухшаговым методом последовательного возмущения параметров и показана методика решения на основе метода конечных разностей. Подробно описан алгоритм определения переменных жесткостных характеристик пластинки и «фиктивной» нагрузки, заменяющей действие агрессивной среды.
13
Предложена методика определения долговечности и остаточного ресурса пластинок, изгибаемых в агрессивных средах.
В третьей главе анализируются результаты численных экспериментов. В качестве примера рассматриваются конкретные задачи изгиба прямоугольных пластинок в рабочей среде. Изучается влияние уровня предварительного нагружения, толщины пластинки, концентрации жидких сред, контактирующих с материалом, условий закрепления, относительной скорости деградации, времени действия рабочей среды на прогибы и долговечность конструкции.
Приведены результаты решения одних и тех же задач разными методами, проведен сравнительный анализ выбора метода линеаризации нелинейного уравнения на точность получаемых результатов. Построены графики основных физико-механических характеристик пластинки при различных уровнях нагружения и воздействия сред. Результаты численных экспериментов аппроксимированы аналитическими выражениями, рекомендованными для применения в инженерной практике.
В заключении формулируются основные результаты и общие выводы диссертационной работы.
В приложениях приведены численные результаты экспериментов.
Практическое значение. Разработана методика и программы численного исследования деформирования пластин, работающих под поперечной нагрузкой в агрессивных средах с учетом нелинейности материала, которые могут быть использованы при проектировании конструкций различного назначения.
Применение предлагаемой методики позволит повысить уровень обоснованности решений инжеиеров-проектировщиков, а методика определения долговечности и остаточного ресурса позволит предотвратить техногенные катастрофы и тем самым увеличить безопасность разрабатываемых систем.
Результаты работы внедрены в учебном процессе при изучении курсов «Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности», «Строительная механика» и учебных курсах послевузовского образования.
14
Апробация работы: Основные положения и отдельные результаты докладывались на конференциях: «Математическое моделирование и краевые задачи», (Самара, 2006 г.); 2-м Международном форуме молодых ученых (7-я международная конференция), (Самара, 2006 г.); конференция молодых ученых Саратовского ГТУ, (Саратов, 2007); научных семинарах кафедры «Механика деформируемого твердого тела» Саратовского Государственного Технического Университета (2006, 2007„ 2008 г).
Публикации: Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы
В изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для публикации научных достижений
1. Ленина О.В. Определение долговечности и резерва несущей способности нелинейно-упругих пластинок при изгибе в агрессивных средах / В.В. Петров, О.В. Ленина // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. №4. - С. 16 - 22.
В других изданиях
2. Ленина О.В. Уравнения изгиба нелинейно-упругих пластинок средней толщины с учетом деградации свойств материала во времени / В.В. Петров, И.В. Кривошеин, О.В. Ленина // Проблемы прочности элементов конструкций под действием нагрузок и рабочих сред: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005.— С.22-30.
3. Ленина О.В. Применение метода конечных элементов в расчетах нелинейно-упругих пластин средней толщины со сложной формой в плане // Проблемы прочности элементов конструкций под действием нагрузок и рабочих сред: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2005. - С. 85-91.
4. Ленина О. В. Изгиб локально нагруженных нелинейно-упругих пластин средней толщины в агрессивной среде / О.В. Ленина // Математическое моделирование и краевые задачи: материалы III Всероссийской конференции / Са-
15
мар. гос. тех. ун-т, Самара: Изд-во Самарского гос. тех. ун-та, 2006. - С. 163-166.
5. Пенина О. В. К решению задач изгиба нелинейно-упругой пластинки, работающей в агрессивной среде / О.В. Пенина //11роблемы прочности элементов конструкций под действием нагрузок и рабочих сред: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2006. С. 65-70.
6. Пенина О. В. Инкрементальные уравнения изгиба нелинейно-упругих пластин с учетом деградации свойств материала во времени / О.В. Пенина // Актуальные проблемы современной науки: тр. 2-го Междунар. форума мол. уч. (7-й Международной конференции). Самара, 2006. - С. 200 - 205.
7. Пенина О.В. Применение метода конечных разностей к расчету пластинок сложной формы из нелинейно-упругого материала / И.В. Кривошеин, О.В. Пенина // Проблемы прочности элементов конструкций под действием нагрузок и рабочих сред: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007. - С. 134 - 142.
8. Пенина О.В. Долговечность плит из нелинейно-деформируемого материала с учетом воздействия агрессивной эксплуатационной среды / В.В. Петров, О.В. Пенина // Проблемы прочности элементов конструкций под действием нагрузок и рабочих сред: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2007. - С. 31 - 41.
9. Пенина О.В. Влияние параметров наведенной неоднородности на долговечность пластинок, изгибаемых в агрессивных средах / В.В. Петров, О.В. Пенина // Проблемы прочности элементов конструкций под действием нагрузок и рабочих сред: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. - С.42-48.
10. Пенина О.В. Расчет плит из нелинейно-деформируемого материала с произвольной диаграммой деформирования с учетом воздействия агрессивной эксплуатационной среды / В.В. Петров, О.В. Пенина, П.В. Селяев // Academia. 2008. №3. - С. 87-92.
11. Пенина О.В. Долговечность пластинок из нелинейно-деформируемого материала при действии поперечной нагрузки и агрессивной среды / В.В. Пет-
16
ров, О.В. Пенина // Георесурсы: науч.- техн. жури — Казань: Изд-во Казан, унта, 2008. - №1 (24). - С. 28-32.
На защиту выносятся:
1) уточненная математическая модель деформирования и методика
численного решения задач изгиба пластинок в агрессивных средах с учетом
концентрации агрессивной среды в точке материала;
2) дискретный (табличный) способ описания произвольной кривой деформирования материала, заменяющий ее аналитическое описание;
3) методики определения долговечности пластинок, изгибаемых в агрессивных средах и резерва несущей способности (остаточного ресурса) поврежденных пластинок после устранения источника среды;
4) результаты численных экспериментов и аналитические описания
долговечности изгибаемых пластинок в агрессивных средах;
5) результаты численных экспериментов и аналитические выражения, прогнозирующие относительные прогибы пластинок с учетом рабочих сред;
6) результаты численных экспериментов и аналитические описания
резерва несущей способности поврежденных пластинок.
Диссертационная работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский Государственный Технический Университет» под руководством академика РААСН, Заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора, заведующего кафедрой «Механика деформируемого твердого тела» В. В. Петрова. Автор приносит свою искреннюю благодарность научному руководителю Петрову Владилену Васильевичу и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Кривошеину Игорю Васильевичу за внимание и ценные советы, высказанные ими в процессе выполнения работы.
17
ГЛАВА 1
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ВЛИЯНИЮ АГРЕССИВНЫХ СРЕД НА МАТЕРИАЛ КОНСТРУКЦИЙ.
МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ СХЕМ
1.1 Работа конструкций в реальных условиях эксплуатации
Современные технологические процессы подразумевают наличие высоких давлений, температур и эксплуатационных сред, агрессивных по отношению к конструкционным материалам. Избежать влияния этих сред на материалы конструкций в большинстве случаев не удается.
Эксперименты показывают, что свойства напряженных материалов при действии агрессивных сред существенно изменяются, появляются не предусмотренные расчетом деформации и напряжения, что приводит к сокращению нормативного срока эксплуатации. В результате физико-химического взаимодействия рабочих сред с материалами возникает коррозия, снижается надежность машин и оборудования. К последствиям коррозии следует отнести уменьшение предела прочности, изменение характеристик пластичности, ухудшение ряда физико-механических свойств и сокращение долговечности. Необходимость учета этих негативных факторов привела к отдельному направлению исследований, занимающегося расчетом на прочность и долговечность конструкций, работающих в сложных условиях эксплуатации.
1.2 Классификация коррозионных процессов
18
Агрессивная эксплуатационная среда, с которой контактирует конструкция, вызывает явление коррозии. Коррозионное поражение наблюдается в атмосфере, грунтах, речной и морской воде, в технологических средах производств [32]. Повреждение конструкционных материалов происходит по различным вариантам: материал полностью или частично растворяется; продукты коррозии образуются на поверхности изделия (ржавление); возникают локальные разрушения (питтинг, трещины и т. п.); изменяются физико-механические свойства металлов без заметных следов коррозии на поверхности.
Эксперименты подтвердили, что в результате взаимодействия с агрессивной средой, наблюдается не только разрушение металлов с потерей массы [2], но и изменение их физико-химических свойств, существенно ухудшающее эксплуатационные характеристики конструкций [14, 21, 27, 39, 85, 91, 95, 153,187].
При разделении коррозионных процессов на отдельные виды ученые принимают за основу три основных признака: механизм протекания процесса, характер коррозионного разрушения и вид агрессивной среды. Согласно принятой в отечественной литературе [6 — 7, 72, 75 — 76] классификации, коррозионные процессы могут иметь в своей основе химический или электрохимический механизм. По характеру воздействия различают сплошную или местную коррозии. Сплошная коррозия может быть равномерная или неравномерная в зависимости от скорости протекания коррозии на равных участках поражаемой поверхности. Особые виды коррозионного разрушения возникают при совместном действии агрессивной среды и механических напряжений. Эти разрушения называют «коррозия под напряжением» и представляют особый интерес. Такой вид коррозии недостаточно изучен, и ее исследование является важной для проектирования конструкций, работающих под нагрузками в реальных средах.
Зарубежные исследователи, в лице 5. ЗаЬпго [236], предлагают другую классификацию. Коррозионные процессы разделены на семь классов: избира-
19
тельная, щелевая, механико-химическая, электрохимическая, химическая, биологическая и высокотемпературная коррозии. Внутри каждого класса выделены характерные виды коррозии, такие как коррозионное растрескивание, коррозионная усталость, эрозия, обесцинкование, графитизация, водородное охрупчивание и т. д. Каждый вид имеет особенности, которые следует учитывать при математическом моделировании коррозионных процессов, что делает невозможным построение единой теории для всех случаев коррозии.
В этой работе рассматривается только случаи равномерной коррозии по верхней и нижней граням материала.
Изучением поведения материалов с учетом внешних факторов занимается физико-химическая механика материалов (ФХММ) как «наука о деформировании и разрушении реального твердого тела, о связи этих процессов с физикохимическими явлениями, протекающими как в объеме тела, так и на его поверхности, в том числе обусловленными влиянием внешней среды» [95]. Основоположником этой науки является П.Л. Рибипдер.
Влияние среды на материал можно разделить на три разных вида: изменение толщины или сечения элементов, изменение сплошности материала и изменение механических свойств материала конструкции. В первом случае действие среды отражается в расчетных схемах при помощи измеряемого параметра, называемого внешним параметром поврсжденности. В других случаях это влияние учитывается при построении моделей материала конструкции (внутренний параметр поврежденности). Оценка свойств материалов традиционными методами оказывается недостаточной для определения надежности конструкций. Важным достижением является применение при анализе коррозионного разрушения принципов механики разрушения [144]. При этом полагают, что непрерывность строения идеализированного тела сохраняется и в процессе его деформирования. Воздействие агрессивной среды приводит к нарушению сплошности тела, и мера сплошности (плотность сплошности) уменьшается в точках деформируемого тела.
20
1.3 Влияние агрессивных рабочих сред на прочностные и деформационные характеристики материалов
В исследовании A.B. Шрейдера и др. [223] рассматривается влияние водорода на свойства сталей. Отмечается, что имеющиеся экспериментальные данные, с точки зрения расчетов на прочность неполны, а по некоторым материалам противоречивы.
В [144] Р.II. Паркинс показывает, что при наводораживании низкоуглсро-дистой стали происходит уменьшение модуля упругости, аналогичный вывод содержится в работах JI.A. Гликмана и др. [26-28] (рис. 1 -2).
б час
Рис. 1 Рис. 2
В [28] Л.А. Гликманом и Ы.Н. Колгатиным приводится кривая деформирования армко-железа, показанная на рис.1 в исходном состоянии (кривая 1) и после водородного охрупчивания (кривая 2). На рис. 2 показано снижение модуля упругости стали 20 в среде водорода [27]. М. Смяловски в работе [189] говорит о неизменности и даже некотором увеличении модуля упругости. В [237]
- Київ+380960830922