ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................4
1. ПРОБЛЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНЫХ ТЕРМОРАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
1.1. Влияние нейтронного облучения на деформационные свойства нержавеющих сталей......................................6
1.2. Механические свойства конструкционных графитов в условиях термических и радиационных воздействий.................14
1.3. Моделирование упруговязкопластического поведения материалов
и конструкций при терморадиационных нагружениях............19
1.4. Выводы. Цели диссертационной работы...................23
2. МОДЕЛИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ И ГРАФИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ ТЕРМОРАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
2.1. Формулировка математической модели деформирования материалов, находящихся под воздействием термических и радиационных полей.....................................25
2.2. Базовая модель деформирования графита при терморадиационных воздействиях.........................29
2.3. Модель деформирования нержавеющих сталей при терморадиационных воздействиях.........................32
2.4. Математическая модель деформирования трансверсально-изотропных материалов в условиях квазистатических силовых и терморадиационных воздействий..........................39
2
3. МЕТОДИКА ЧИСЛЕНОГО РЕШЕНИЯ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАДАЧ УПРУГОВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ ТЕРМОСИЛОВЫХ И РАДИАЦИОННЫХ НАГРУЖЕНИЯХ
3.1. Описание процессов деформирования элементов конструкций
при квазистатических термосиловых и радиационных нагружениях...46
3.2. Численное решение задач методом конечных элементов........52
3.3. Комбинированная шаговая схема решения задач упруговязкопластического деформирования конструкций при квазистатических термосиловых и радиационных воздействиях.58
3.4. Алгоритм вычисления необратимых деформаций на подэтапе нагружения................................................62
3.5. Принципиальная схема организации вычислительного процесса.71
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ТЕРМОРАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
4.1. Численное моделирование процессов деформирования графитовых конструкций при терморадиационных воздействиях.74
4.2. Численное моделирование поведения конструкций из нержавеющих сталей при действии термических и
радиационных полей.............................................82
4.3. Численное моделирование кинетики НДС обечайки отражателя нейтронов в условиях термического и радиационного воздействия.88
4.4. Численное моделирование на основе структурнофеноменологической модели процессов деформирования конструкций, выполненных из трансверсально-изотропных материалов.......97
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................102
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................104
3
ВВЕДЕНИЕ
Многие конструктивные элементы современной техники, в частности ядерных энергетических установок, работают продолжительное время в условиях механических и физических воздействий, что приводит к необходимости исследования поведения в процессе эксплуатации наиболее ответственных узлов. Характерной особенностью, отличающей условия эксплуатации ряда ответственных узлов ядерных энергетических установок (ЯЭУ), является работа в течение длительного срока в условиях повышенных температур и интенсивного радиационного облучения. Эксплуатация конструкции в условиях радиационного воздействия приводит к значительным изменениям механических свойств и дополнительным эффектам поведения облучаемого материала, оказывающим существенное влияние на процессы деформирования конструкции в целом.
Материалами, наиболее широко используемыми в ядерных энергетических установках, являются нержавеющие стали и искусственные конструкционные графиты. Нейтронное облучение вызывает радиационное формоизменение и радиационную ползучесть нержавеющих сталей, значительно влияет на протекание процессов термической ползучести и пластичности. В конструкционных графитах, наряду с перечисленными эффектами в процессе облучения проявляется также анизотропия свойств, оказывающая существенное влияние на поведение этих материалов в условиях терморадиационных воздействий. Для адекватного отражения процессов деформирования элементов конструкций, работающих в условиях термических и радиационных воздействий, должны быть созданы математические модели, описывающие упруговязкопластическое поведение конструкционных материалов с учетом основных эффектов возникающих при нейтронном облучении. Кроме того, необходимо разработать алгоритмы и численные методики, реализующие созданные модели в виде программных средств численного исследования упруговязкопластического деформирования конструкций при терморадиационных воздействиях.
4
Таким образом, проблема численного моделирования упруговязкопластического поведения конструкций при квазистатических термосиловых и радиационных воздействиях представляется весьма актуальной.
Первая глава диссертация посвящена анализу проблемы моделирования поведения конструкций, эксплуатирующихся в условиях интенсивных терморадиационных воздействий, в которой на основе обзора литературных источников и актуальности темы формулируются цели диссертационной работы.
Во второй главе формулируются модели упруговязкопластического деформирования конструкционных материалов при терморадиационных нагружениях.
Третья глава содержит описание методики численного решения методом конечных элементов задач упруговязкопластического деформирования конструкций при квазистатических термосиловых и радиационных нагружениях.
В четвертой главе представлены верификация разработанных моделей, методики и программных средств, численные исследования влияния эффектов, возникающих при радиационном воздействии на поведение облучаемых материалов, результаты решения ряда конкретных задач упруговязкопластического деформирования изделий, выполненных из нержавеющей стали и графита в условиях терморадиационных воздействий.
В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.
5
1. ПРОБЛЕМА МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ
ИНТЕНСИВНЫХ ТЕРМОРАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
1.1. Влияние нейтронного облучения на деформационные свойства нержавеющих сталей
Нейтронное облучение, как правило, вызывает существенное увеличение условного предела текучести а02 сталей, изменение предела прочности сь и уменьшение характеристик пластичности при практически неизменном модуле упругости [1,2, 16, 17, 22]. В работе [3] приведены диаграммы растяжения стали 304 после облучения при температуре Гобл = 540 ±50° С интегральной дозой
нейтронного облучения (р{ = 1.1- 1022н/см2 с энергией £>0.1МэВ. В зависимости от температуры испытания диаграммы растяжения существенно изменяют свою форму. При этом диаграммы, соответствующие растяжению облученных образцов, всегда лежат выше диаграмм в исходном состоянии, а их площадь, характеризующая работу деформирования и разрушения значительно меньше. Сокращение работы деформирования и разрушения, несмотря на повышение пределов текучести и прочности, обусловлено значительным сокращением способности к пластическому деформированию и изменению степени деформационного упрочнения.
Как правило, с увеличением температуры испытания Ги различие между характеристиками облученных и исходных образцов уменьшается вплоть до окончательного исчезновения. С ростом Ги свыше 0.57^ (Тт - температура плавления) значения оь и а02 облученных и исходных образцов стремятся к
сближению и при ГИ=870°С полностью восстанавливаются прочностные свойства [3]. Анализ экспериментальных данных также позволяет отметить, что нейтронное облучение обуславливает разную степень изменения предела прочности <5Ь и предела текучести о02 в различных температурных условиях. Как
6
правило, степень увеличения а02 в результате нейтронного облучения значительно выше, чем аь.
Результаты исследования влияния величины интегральной дозы нейтронов при сохранении постоянных значений других параметров опытов на изменение (5Ь и а02 аустенитных жаропрочных сталей показывают, что у них при относительно низких температурах испытания и высоких температурах облучения не наступает заметного насыщения в изменении указанных величин по-
О") / 'У
еле облучения, вплоть до значения щ = 10 н/см . Увеличение сь и а02 с рос-
22 2
том интегральной дозы до значений ^ = 10 н/см (£>1МэВ) без заметного эффекта насыщения наблюдается у сталей 316, 3161 и 347 [4]. При этом интенсивность радиационного упрочнения для этих сталей при соблюдении идентичных условий облучения и испытания практически одинакова. Насыщение в изменении свойств происходит быстрее при снижении температуры облучения. Например, свойства стали 347 при 20и316°С практически не изменяются по-
01 О
еле облучения дозой более 10 н/см (£>1 МэВ) при температуре 60°С, но оь и о0 2 продолжают возрастать если Гобл =290° С [5].
В аналогичных условиях облучения и испытания насыщение в изменении свойств стали 347 происходит при <р( = 5 • 1021н/см2 (Е > 1 МэВ) [6-9].
Приведенные данные соответствуют экспериментальным результатам по исследованию свойств стали 1Х18Н9Т. Под действием нейтронного облучения существенно возрастают оь и а0 2 этой стали с увеличением его дозы [10, 11].
При ^ » 5• 1021н/см2,(£ > 1 МэВ) и 7^л = 2204-250°С практически наступает насыщение в изменении механических свойств. При определенных режимах облучения и испытания происходит не только насыщение в изменении о0 2, но и некоторое снижение предела прочности [12], что объясняется значительным ослаблением деформационного упрочнения стали.
Сплавы на основе никеля в результате сложного легирования титаном, ниобием, молибденом, вольфрамом имеют более высокие жаропрочные свойст-
7
ва по сравнению с хромоникелевыми сталями [1]. Кроме того, они обладают отличной коррозионной стойкостью против воздействия перегретого водяного пара, что обуславливает их пригодность для использования в ответственных узлах ядерных реакторов [1]. При относительно низких температурах облучения и испытания никелевые сплавы упрочняются, причем прирост условного предела текучести может быть связан с интегральной дозой щ выражением [13, 14]:
Ао0 2 = 41 - ехр{-Вер,)]”, (1.1)
где А, В и п - коэффициенты, устанавливаемые экспериментально и зависящие от состояния исходной структуры и условий нагружения. Если облучение производится при повышенных или высоких температурах, то изменение оь и а0 2 в зависимости от величины интегральной дозы может иметь сложный характер.
Радиационное облучение наряду с изменением пределов прочности и текучести вызывает существенное уменьшение пластичности нержавеющих ау-стенитных сталей и никелевых сплавов. Однако, основным достоинством указанных материалов является то обстоятельство, что даже при значительных до-
л
зах облучения (до 10 н/см ) в большинстве случаев они все же сохраняют определенный запас пластичности в зоне нормальных и умеренно повышенных температур [1].
Степень уменьшения пластичности свойств аустенитных нержавеющих сталей зависит от многих факторов, основными из которых являются величина интегральной дозы облучения и температура испытания. С ростом дозы облучения влияние температуры испытания сокращается и в области значений
1021-1022н/см2 становится несущественным для температур 300-ь750°С. В меньшей степени на сокращение пластических свойств жаропрочных нержавеющих сталей влияет температура облучения не выше 350°С [15].
Как отмечено в [2], влияние температуры облучения как на степень охрупчивания, так и на величину радиационного упрочнения малоуглеродистых сталей начинается приблизительно с 230°С. Выше этой температуры измене-
8
ние характеристик пластичности сталей тем меньше, чем выше температура облучения. В результате облучения при 450-^-500° С и выше даже довольно большими флюенсами свойства металлов практически не изменяются. Следует также отметить [2], что радиационное охрупчивание металлов при облучении нейтронным потоком наблюдается также при температурах выше 0.57^. Это явление получило название высокотемпературного охрупчивания (ВТРО).
Влияние радиационных излучений на сопротивление ползучести сталей и сплавов, особенно при непосредственном облучении во время деформирования, изучено недостаточно [1]. Опыты по исследованию релаксации напряжений в пружинах из сплава нимоник-80А [18], облучаемых нейтронным потоком с интенсивностью (4.8-г5)-1022н/(см2 -с) при температуре 325ч-525°С, показали существенное увеличение скорости релаксации напряжений во всем исследованном диапазоне температур, подтверждая предположения о возможном ускорении процессов накопления деформации ползучести в результате облучения [13]. Установлено, что с ростом температуры облучения роль ее в ускорении
процессов релаксации снижается. При Гобл = 525°С и
10 о
^=5.5-10 н/см (£>1МэВ) относительное снижение напряжений составило
61.5%, а при Гобл = 425°С и той же дозе - лишь 30.7%, т.е. в 2 раза меньше. В этих же условиях термическая релаксация равнялась примерно 32 и 8%, т.е. наблюдалось существенное (в 4 раза) различие релаксационной способности, что подтверждает уменьшение влияния температуры на сопротивление релаксации в радиационных условиях.
Исследования проведенные на стали 304 [19], не дали однозначных результатов при изучении влияния облучения на сопротивление ползучести. Эта сталь после аустенизации испытывалась в интервале температур 500-г750°С, и изменений в сопротивлении ползучести в реакторных условиях практически не обнаружено. Противоположный результат показали исследования той же стали
при температуре 650° С и воздействии потока быстрых и тепловых нейтронов
9
- Киев+380960830922