2
ОГЛАВЛЕНИИ
ВВЕДЕНИЕ................................................................4
ГЛАВА I. Феноменология взаимодействия водорода с металлами..............9
1Л. Состояние водорода в металлах.......................................9
1.2. Влияние водорода на механические свойства металлов................16
1.3. Замедленное разрушение металлов, обусловленное водородом..........25
1.4. Теоретические подходы к описанию водородного охрупчивания.........32
Выводы к главе 1.......................................................48
ГЛАВА 2. Моделирование замедленного разрушения металлических
материалов под действием водорода...................................50
2.1 Оптико-телевизионные исследование поверхности деформирования образцов «in situ»..................................................50
2.2. Экспериментальные исследования процесса замедленного разрушения металлов под действием водорода: роль дефектности в зоне
предразрушения......................................................63
2.3. Построение физико-механической модели зарождения и развития трещины в условиях водородного охрупчивания на основе теории накопления повреждений.........................................................69
Выводы к главе II ....................................................89
ГЛАВА 3. Математическая модель зарождения и развития трещины при замедленном разрушении под действием водорода.......................90
3.1 Основные положения феноменологической модели.......................90
3.1.1 Упругопластическая задача....................................90
3.1.2 Нестационарная диффузия водорода в поле механических напряжений с учетом дефектности...................................94
3.1.3 Описание процесса накопления повреждений.....................96
3.2 Постановка связной задачи нестационарной диффузии,
упругопластичности и накопления повреждений........................98
3.3 Численное решение краевой задачи методом конечных элементов 100
3.4 Алгоритм решения связной задачи зарождения и развития трещины под
действием водорода в упруго-пласгическом материале.........103
3.5 Примеры расчета зарождения трещины на образцах с концентратором напряжений при одноосном растяжении.........................107
3.6 Задача о развитии поверхностной трещины в трубе под внутренним давлением в условиях водородного охрупчивания...............116
Выводы к главе III.............................................121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................122
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 124 ПРИЛОЖЕНИЕ.....................................................136
ВВЕДЕНИЕ
4
В большинстве случаев разрушение металлоконструкций связано с хрупким катастрофическим разрушением элементов машин и конструкций при их эксплуатации в условиях низких климатических температур под действием статических и усталостных нагрузок. Это происходит в результате образования холодных трещин (ХТ) в соответствии с закономерностями так называемого замедленного разрушения (ЗР). Одним из основных охрупчивающих факторов при ЗР металлоконструкций, в том числе сварных соединений, является воздействие растворенного водорода. Водород в объеме металла может оказаться в процессе различных металлургических и технологических операций (объемная закалка, сварка, токарная и фрезерная обработка и т. д.).
Анализ характера разрушения металлических материалов под воздействием водорода и неоднородных остаточных или рабочих напряжений показывает, что исследование этого процесса прямыми экспериментальными методами затруднено локальностью, сложностью и взаимосвязанностью протекающих физико-химических и механических процессов. Поэтому для разработки адекватной модели ЗР элементов металлоконструкций и оценки сопротивляемости и ресурса, в том числе индивидуального остаточного, более перспективными и целесообразными становятся теоретические подходы, основанные на физико-математическом моделировании.
Таким образом, в связи с необходимостью увеличения безопасности эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера машин и конструкций, в том числе сварных, а также потребностью в новых материалах с высокими хладостой костью и трещиностой костью, задача создания достоверной расчетной модели замедленного разрушения, образования и развития холодных трещин, развития расчетно-экспериментальных методов оценки поврежденности элементов конструкций с учетом реальных процессов, происходящих в области предразрушения, приобретает особую актуальность.
В данной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований обоснован алгоритм и осуществлена численная реализация модели развития локального разрушения элемента металлоконструкции, находящегося в условиях водородного охрупчивания (ВО). Процесс ВО считается одним из основных механизмов ЗР. Модель основана на соотношениях континуальной механики деформируемого твердого тела, теории накопления повреждений Качанова-Работнова, и учитывает влияние водорода на прочностные свойства материала.
Целью данной работы является разработка экспериментально обоснованной модели замедленного разрушения элемента конструкции при совместном действии водорода и статического нагружения на основе решения связной задачи диффузии, упругопластичиости и накопления локальной поврежден ности.
Задачи, сформулированные для достижения поставленной цели:
- Установление основных феноменологических закономерностей проявления и механизмов ЗР под действием водорода на основе анализа существующих подходов к описанию водородного охрупчивания;
- Исследование методами оптической, оптико-телевизионной, электронной растровой и зондовой (туннельной) сканирующей микроскопии поверхностей разрушения элементов конструкций и модельных образцов, подверженных воздействию водорода, и экспериментальное обоснование механизма замедленного разрушения под действием водорода;
- Разработка математической модели ЗР под действием водорода на основе выявленных закономерностей проявления данного процесса, численная реализация модели и сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными. Проведение вычислительного эксперимента.
Научная новизна.
Для анализа явления замедленного разрушения металлов под действием водорода впервые применен комбинированный иерархический подход, позволивший на основе теоретического анализа, экспериментальных
6
исследований на различных структурных уровнях и численного моделирования решить связную диффузионно-упругопластическую задачу замедленного разрушения иод действием водорода, учитывающую накопление материалом поврсжденности и влияние водорода на его механические свойства.
На основе проведенных экспериментальных исследований показано, что при замедленном разрушении под действием водорода происходит формирование специфической структуры деформации, которое проявляется на субмикроуровне в виде интенсификации зарождения и транспорта
микродефектов в места сегрегации водорода.
Разработана математическая модель замедленного разрушения металлических материалов под действием водорода, основанная на связном решении задач упругопластичносги, диффузии водорода в поле механических напряжений с учетом изменяющейся дефектности среды, и накопления материалом повреждаемости под действием внешней нагрузки и водорода.
Научная и практическая ценность работы состоит в разработке экспериментально обоснованной теоретической модели ЗР металлов под действием водорода, корректно описывающей все этапы возникновения и
развития трещины. Модель основана на решении связной задачи,
сформулорованной в рамках континуальной механики деформируемого
твердого тела.
Большую ценность представляет применение разработанной модели в качестве средства уточнения состояния элементов конструкций для оценки ресурса, в том числе остаточного, потенциально опасных объектов, работающих в условиях водородного охрупчивания. Дан анализ влияния водорода на характер разрушения материала. Решение поставленных задач вносит существенный вклад в понимание процессов, происходящих при ЗР.
Исследования, представленные в работе, выполнены в соответствии с планами научно-исследовательских работ - по программе "Механика, научные основы машиностроения" СО РАН (тема 1.11.1.10 /рег. 01 960 000 989/ «Разработка методов моделирования неравновесных процессов в гетерогенных
7
материалах и создание новых материалов, технологий и основ оптимального проектирования для повышения надежности и работоспособности конструкций и машин, работающих под действием статических и динамических нагрузок в условиях Севера» на период 1996-2000 гг., и тема /Индекс 2.3.3., 2.3.6, per. ГР 01.2.00.107181/ «Разработка и усовершенствование методов расчета прочности, надежности и оценки ресурса элементов машин и конструкций, работающих в условиях Севера» на период 2001-2005 гг.) и республиканской целевой НИР «Разработка новых сварочных технологий и критериев оценки прочности и ресурса для техники Крайнего Севера», выполняемой по заказу Министерства промышленности PC (Я). Теоретические и модельные исследования выполнялись в рамках программы комплексных интег рационных проектов СО РАИ (проект №2), Федеральной программы по поддержке ведущих научных школ (00-15-99061), инициативных проектов РФФИ (98-01-01370, 98-02-03714, 00-01-96210, 01-01-00161), программы «Интеграция» Минобразования и Минатома РФ (проект 1.53 «Атом»).
Достоверность полученных результатов обеспечивае тся
По постановке задачи и методам решения - математической корректностью поставленных в рамках механики деформируемого твердого тела задач; применением теоретически обоснованных и апробированных численных методов; проверкой работоспособности разработанных алгоритмов и оценкой точности счета на тестовых примерах; сравнением результатов численного расчета с опубликованными данными других авторов, а также сопоставлением расчетных данных с экспериментальными данными;
По использованию апробированных методик эксперимента - широким применением на практике методов фрактографического анализа изломов, туннельной сканирующей микроскопии (ИФТПС СО РАН, г.Якутск), технологией распознавания образов оптического увеличения в на базе стандартного видеосигнала (ИФПМ СО РАН, г.Томск).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной конференции "Сварка и сварочные
материалы" (г. Санкт-Петербург, 1998), Международной конференции "Прочность сварных соединений" (г. Киев, 1998), Республиканской научно-практической конференция молодых ученых и студентов "Шаг в будущее" (г. Якутск, 1998), Международной конференции "Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций" (г. Киев,2000), Международной конференции "Физико-технические проблемы Севера" (г. Якутск, 2000), Пом Международном Симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин в условиях холодного климата (г. Якутск, 2000), II и III "Лаврентьевских чтениях" (г. Якутск, 2000, 2001 - серебряная медаль), VI Международной конференции по компьютерному конструированию материалов (г. Томск,
2001), III Международной конференции по математическому моделированию (г. Якутск, 2001), VIII Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Пермь, 2001); Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» (г. Черноголовка,2002); на семинарах лаборатории физической мезомеханики ИФГ1М СО РАН (г. Томск, 2001), и лаборатории микро и макро механики разрушения ИМАШ РАН (г. Москва, 002), отдела хладостойкости материалов и конструкций ИФТПС СО РАН (г. Якутск, 1999-
2002).
Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 14-ти публикациях, а также в итоговом отчете по Программе "Механика, научные основы машиностроения" СО РА! I за отчетный период 1996-2000 гг.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы (162 наименования) и приложения. Работа изложена на 146 -ти страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка и 2 таблицы.
ГЛАВА I. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВОДОРОДА С МЕТАЛЛАМИ.
9
1.1. Состояние водорода в металле.
Все металлы окклюдируют водород из электролитов, газовой среды, при трибохимических процессах и т.п. При этом взаимодействие водорода с металлом включает в себя ряд взаимосвязанных стадий /14,37/:
1. Физическая и химическая адсорбции водорода поверхностью металла;
2. Эволюция водорода на поверхности, приводящая к переходу атомов водорода через поверхность раздела «среда-металл»;
3. Транспорт водорода в решетке металла;
4. Абсорбция водорода вглубь металла;
5. Аккумуляция водорода в местах, приводящая к образованию трещин.
Проникновение водорода из электролитов в металл начинается с
адсорбции его ионов (вернее гидратированных ионов); из газовой среды адсорбируют как ионы, так и атомы водорода. Физическая адсорбция обусловлена действием сил Ван-Дер-Ваальса между молекулами адсорбанта и поверхностью металла, при этом не происходит никакого обобществления и переноса электронов между молекулами твердого тела. В результате физической адсорбции образуется адсорбированный слой на поверхности раздела «среда-металл». При химической адсорбции молекулы водорода в конечном итоге распадаются на атомы, которые затем диффундируют вглубь металла. В ионизированном состоянии (Н4 либо Н') водород легко диффундирует в металл, а в атомарном состоянии - только тогда, когда у металла расстояние между положительными ионами в решетке больше эффек тивного диаметра атома водорода /87/.
При рассмотрении проблемы поглощения металлом водорода одно из центральных мест занимают вопросы диффузии водорода в решетке металла.
10
Известно, что системы «металл-водород» состоят из двух неэквивалентных в диффузионном отношении подсистем: кристаллической матрицы с малой
диффузионной подвижностью атомов и внедренных атомов водорода, диффузионная подвижность которых весьма высока. При условиях, близких к нормальным, коэффициенты диффузии водорода в металлах в Ю20-1030 раз больше коэффициентов самодиффузии атомов металла /12/. Это определяет фундаментальные физические различия в поведении систем «металл-водород» по сравнению с чистыми металлами или систем замещения.
При выводе общих уравнений, описывающих диффузию водорода в твердом растворе сделаны следующие допущения /37,87/:
- Все свойства материала изотропны;
- Влияние магнитного и гравитационного полей на диффузию водорода пренебрежимо мало;
- Коэффициент диффузии водород в металле и напряжения в нем не зависят от концентрации водорода.
Диффузия водорода в поле действующих напряжений описывается уравнением /34/:
— = £>У2С-^-У<тУС (1.1)
81 КГ
где С, Д Ун- концентрация водорода, коэффициент диффузии и парциальный молярный объем водорода в металле соответственно; ст- гидростатическое механическое напряжение; /?- газовая постоянная; Т- абсолютная температура; V и V - операторы Лапласа и градиента.
Зависимость коэффициента диффузии О от температуры представляется в виде закона Аррениуса /37/:
О=О0 ехр(-0/КТ), (1.2)
где 0~ энергия активации.
Водород, перешедший вглубь металла за счет диффузии, определенным образом распределяется среди атомов кристаллической решетки металла. Экспериментальные данные показывают, что водород может находиться в
и
металле в различных состояниях /24,37/: образовать твердые растворы “нового типа”; сегрегировать на несовершенствах кристаллического строения; адсорбироваться на поверхности микронесплошностей и частицах вторых фаз; скапливаться в микропорах в молекулярной форме; вступать в химическое взаимодействие с основным металлом (образуя гидриды) либо с его примесями. Эти состояния взаимосвязаны и между водородом, находящимся в различных состояниях, существует динамическое равновесие. При этом в зависимости от особенностей металла то или иное состояние водорода может доминировать.
Анализ литературы, проведенный в /15/ показал, что как статические (растворимость), так и динамические (диффузия и проникновение) характеристики поведения водорода в металлах и сплавах в значительной мере зависят от степени совершенства кристаллической решетки.
Решетка реальных металлов насыщена дефектами, имеющими размеры от субмикроскопических до макроскопических. Эти дефекты оказывают большое влияние на прочностные свойства в агрессивных средах /25, 122/. Дефекты кристаллического строения по геометрическому признаку можно разделить на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), двумерные и объемные (трехмерные) /15/. Примером точечных дефектов могут служить вакансии и атомы замещения /24/. Их линейный размер не превышает нескольких межатомных расстояний. Линейными являются краевые, винтовые дислокации, пересечение трех границ зерен /96/. Пример двумерных дефектов -межзеренные границы, границы раздела фаз и двойниковые границы /34, 142/. Объемными дефектами в металлах являются области объемного растяжения, скопления дислокаций, объемные микропоры и микронссплошности /24,88-89/.
При обсуждении причин расхождения параметров, характеризующих поведение водорода в области высоких и низких температур, отмечено, что они зачастую вызваны различными несовершенствами кристаллической структуры. Если рассмотрим процесс растворения водорода в условиях неизменности структуры в металлах с эндотермическим характером поглощения, то величина 5НР (растворимость в регулярной решетке) монотонно увеличивается с ростом
температуры по экспоненциальному закону 5У/' ~ ехр(-Н/ЯТ). Напротив, количество водорода, связанного в дефектах, быстро убывает по закону Бид ~ ехр(иЛ1Т) (растворимость в дефектах решетки). В связи с отмеченными особенностями нужно подчеркнуть, что доминирующее величину содержания водорода при высоких температурах составляет его доля в регулярной решетке. Тогда как при низких температурах окклюзия водорода реальными металлами определяется в основном взаимодействием его атомов с микродефектами (т.е. в основном водород находится в обратимых и необратимых ловушках).
По мнению Смита /144/, окклюзия - результат внедрения водорода в трещины, поры и щели, размеры которых существенно превышают свойственные междоузлиям; растворение же атомов водорода в междоузлиях регулярной решетки нс имеют серьезного значения.
Ярким подтверждением влияния дефектов на поведение водорода в металлах и сплавах является сильная зависимость его параметров от степени холодной пластической деформации. Келер и Дэвис /15/, изучавшие влияние холодной деформации на плотность и окклюзию водорода в малоуглеродистой стали, отмечают, что с ростом обжатия (0-80 %) плотность стали меняется экстремально, достигая минимума при 8=60%. Одновременно существенно возрастает дефектность решетки металла, число микродефектов и количество окклюдированного водорода. В частности, в холоднодеформированном (на 60 %) металле оно достигает при 250°С примерно 9см7100гр, что на два порядка выше решеточной растворимости (~0,08см3/100гр). С ростом температуры Бн в холоднокатан ном металле сначала быстро убывает, достигая минимума (Ч,5см3/100гр) при 450°С, после чего медленно увеличивается. При последующем же охлаждении вплоть до 400°С политермы 8Н, снятые при нагревании и охлаждении, совпадают, в то время как при более низких температурах между ними обнаруживается большое различие. Это указывает на то, что в процессе нагрева исчезли некоторые из дефектов. Однако температурная зависимость растворимости водорода, установленная при охлаждении, сохраняет экстремальный характер (с минимумом вблизи 350°С),
- Київ+380960830922