Экспериментально-теоретическое исследование ползучести и длительной прочности металлов при одноосном и сложном напряженных состояниях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Назаров, Владлен Витальевич

• Назаров, Владлен Витальевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Назаров, Владлен Витальевич

Введение

1. Экспериментально-теоретическое исследование влияния водорода на ползучесть и длительную прочность сплава ВТ

Введение

1.1. Испытательный комплекс для проведения высокотемпературных длительных испытаний металлов при совместном действии растяжения и кручения

1.2. Моделирование ползучести и длительной прочности сплава ВТ6 без внедренного водорода

1.2.1. Простая математическая аппроксимация экспериментальных результатов скорости установившейся ползучести и длительной прочности

1.2.2. Моделирование деформации ползучести

1.3. Влияние водорода на ползучесть и длительную прочность при одноосном растяжении сплава ВТ6

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментально-теоретическое исследование ползучести и длительной прочности металлов при одноосном и сложном напряженных состояниях»

2.1. Постановка задачи------------------------------------------------------------43

2.2. Решение уравнения до момента достижения частицами среды внешней границы кольца (первый этап диффузионного процесса)-----45

2.3. Решение уравнения при ненулевой концентрации среды во всем поперечном сечении цилиндра (второй этап процесса диффузии)------47

2.4. Сравнительный анализ приближенного и точного решений--------50

Заключение--------------------------------------------------------------------------54

3. Выбор критериев длительной прочности металлов при сложном напряженном состоянии

Введение-----------------------------------------------------------------------------55

3.1. Постановка задачи------------------------------------------------------------56

3.2. Методика количественной обработки экспериментальных результатов длительной прочности--------------------------------------------59

3.3. Анализ результатов----------------------------------------------------------61

Заключение--------------------------------------------------------------------------66

4. Кинетический подход к описанию длительной прочности металлов при двухосном растяжении

Введение-----------------------------------------------------------------------------67

4.1.1. Длительная прочность при стационарном двухосном растяжении-- 69

4.1.2. Результаты вычислений---------------------------------------------------72

4.1.3. Анализ результатов-------------------------------------------------------75

4.2. Длительная прочность при одноосном и двухосном напряженных состояниях

4.2.1. Результаты экспериментальных исследований----------------------78

4.2.2. Учет мгновенной поврежденности для изотропного материала- 81

4.2.3. Учет анизотропии материала и взаимной зависимости компонентов вектора поврежденности----------------------------------------83

4.3. Влияние пути кратковременного нагружения на длительную прочность с учетом анизотропии материала

4.3.1. Экспериментальные данные---------------------------------------------84

4.3.2. Моделирование накопления поврежденности в процессе кратковременного нагружения с учетом прочностной анизотропии материала----------------------------------------------------------------------------85

4.3.3. Длительная прочность----------------------------------------------------95

Заключение--------------------------------------------------------------------------96

Заключение------------------------------------------------------------------------------97

Список литературы--------------------------------------------------------------------100

Приложение-----------------------------------------------------------------------------110

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Как правило, элементы многих конструкций, изготовленных из металлов или сплавов, работают в условиях высокотемпературной ползучести при сложном напряженном состоянии. Прогнозирование времени разрушения таких элементов конструкций представляет собой довольно трудную задачу, которая до сих пор не решена. Следует отметить, что проведение экспериментальных исследований длительной прочности при сложном напряженном состоянии связано со значительными техническими трудностями, поэтому количество таких испытаний невелико. Автору диссертации известны 28 серий испытаний на длительную прочность при сложном напряженном состоянии, проведенных отечественными и зарубежными учеными. Для определения критерия длительной прочности металлов в этих условиях был проведен количественный анализ всех этих экспериментальных данных. Рассмотрены критериальный и кинетический варианты моделирования длительной прочности металлов. Исследование длительной прочности металлов при сложном напряженном состоянии, бесспорно, является важным направлением научных исследований механики деформируемого твердого тела.

Агрессивная среда способна оказать существенное влияние на длительную прочность конструкционных материалов. При этом время разрушения элементов конструкций может уменьшаться в несколько раз. Изучение этого влияния чрезвычайно актуально. В данной работе проведено экспериментально-теоретическое исследование влияния агрессивной среды на длительную прочность толстостенного цилиндра при переменных растягивающих напряжениях.

Титановые сплавы широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. При решении некоторых технологических проблем в сплавы из титана внедряют водород. В диссертации описаны результаты экспериментально-теоретического исследования влияния водорода на характеристики ползучести сплава ВТ6 вплоть до разрушения. Математическое моделирование этих опытных данных достигнуто на основе кинетической теории ползучести Ю.Н. Работнова. Полученные результаты представляют немалый интерес для специалистов, занимающихся изучением сплавов из титана. Актуальность проделанной работы подтверждена двумя актами внедрения.

Цели работы

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Назаров, Владлен Витальевич

Основные результаты выполненных исследований состоят в следующем:

1.Ha установках ИМех-5 проведено экспериментальное исследование влияния предварительно внедренного водорода (вплоть до уровня 0,3 % по массе) на характеристики ползучести и длительной прочность сплава ВТ6. Приведены экспериментальные данные, полученные при одноосном растяжении цилиндрических образцов при температуре 600°С. Отмечено, что увеличение концентрации водорода приводит к значительному уменьшению скорости ползучести, увеличению времени разрушения и снижению предельной деформации. Исследование особенностей макроскопических характеристик ползучести дополнено изучением изменений микроструктуры образцов. Теоретическое описание полученных экспериментальных данных выполнено на основе кинетической теории ползучести. Проведено моделирование немонотонной зависимости предельной деформации ползучести от напряжения.

2. Рассмотрена длительная прочность растягиваемого толстостенного цилиндра с агрессивной средой в его внутренней полости. Основное внимание уделяется анализу диффузионного процесса окружающей среды в материал цилиндра. Получено приближенное решение уравнения диффузии при двух видах граничных условий и проведена оценка полученных погрешностей. Показана высокая точность полученного приближенного решения. Получена зависимость времени разрушения цилиндра от уровня меняющегося во времени осевого напряжения и уровня концентрации среды на внутренней поверхности полого цилиндра.

3. Для определения критерия длительной прочности при сложном напряженном состоянии в диссертации поставлены и решены две задачи: определение зависимости эквивалентного напряжения сте от главных напряжений сг,, сг2 и аъ и определение зависимости времени разрушения t* от выбранного эквивалентного напряжения ае. В качестве эквивалентного напряжения сге рассмотрены шесть комбинаций главных напряжений, а в качестве зависимости t*{ae) рассмотрены степенная и дробно-степенная модели длительной прочности. Предложена новая мера суммарного разброса экспериментальных и теоретических значений времен разрушения /*, позволяющая сравнивать результаты расчетов одних и тех же опытных данных при использовании различных видов зависимостей ае(а,,а2,сг}) и t'(ae). Предложены различные способы замены неоднородного напряженного состояния однородным. Предложен метод оценки различных видов ае экспериментальным данным.

4. Проведена количественная обработка всех известных автору экспериментальных данных по длительной прочности при сложном напряженном состоянии. Получены предпочтительные эквивалентные напряжения для различных видов нагрузок. Выявлено, что использование усложненных зависимостей аД<7,,сг2,сгз) с дополнительными материальными параметрами, как правило нецелесообразно. Показано, что при описании большинства серий испытаний обе рассмотренные зависимости t\ae) приводят к близким результатам, в некоторых случаях применение дробно-степенной модели предпочтительно.

5. На основе кинетической теории Ю.Н. Работнова проведено моделирование всех известных автору экспериментальных данных по длительной прочности при двухосном растяжении трубчатых образцов. Отличительная особенность данного подхода заключается в использовании векторного параметра поврежденности. Проведено обобщение известных соотношений при учете исходной анизотропии материала и мгновенной поврежденности, полученной при нагружении образцов. С использованием предложенного метода проведено моделирование ряда особенностей явления длительной прочности при сложном напряженном состоянии. Учет анизотропии приводит к значительному уменьшению суммарного разброса экспериментальных и теоретических значений времен разрушения (в среднем в 1.5 раза). Показано хорошее соответствие полученных теоретических значений коэффициента прочностной анизотропии с известными экспериментальными значениями. Впервые теоретически описаны экспериментальные результаты испытаний, в которых время разрушения при стационарном сложном напряженном состоянии зависит от программы предварительного кратковременного нагружения. Кроме того, впервые описано уменьшение времени разрушения трубчатых образцов при добавлении к осевому напряжению поперечного напряжения того же уровня.

100

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Назаров, Владлен Витальевич, 2007 год

1. Johnson А.Е., Henderson J., Mathur V.D. Combined stress creep fracture of a commercial copper at 250°C // The Engineer. 1956. V.202. № 5248. P.261-265.

2. Сдобырев В.П. Длительная прочность сплава ЭИ437Б при сложном напряженном состоянии // Известия АН СССР. 1958. № 4. С.92-97.

3. Зверьков Б.В. Длительная прочность труб при сложных нагрузках // Теплоэнергетика. 1958. № 3 С.51-54.

4. Сдобырев В.П. Критерий длительной прочности для некоторых жаропрочных сплавов при сложном напряженном состоянии // Известия АН СССР ОТН. 1959. №6. С.93-99.

5. Johnson А.Е., Henderson J., Mathur V.D. Complex strees creep fracture of an aluminium alloy // Aircraft Eng. 1960. V.32. № 376. P.161-170.

6. Трунин И.И. Оценка сопротивления длительному разрушению и некоторые особенности деформирования при сложном напряженном состоянии // Журнал прикладной механики технической физики. 1963. №1. С. 110-114.

7. Сдобырев В.П. Ползучесть и длительная прочность при растяжении с кручением // Инженерный журнал АН СССР. 1963. Т.З. №2. С.413-416.

8. Соснин О.В., Горев Б.В., Никитенко А.Ф. К обоснованию энергетического варианта теории ползучести. Сообщение 1. Основные гипотезы и их экспериментальная проверка // Проблемы прочности. 1976. №11. С.3-8.

9. Локощенко A.M., Мякотин Е.А., Шестериков С.А. Ползучесть и длительная прочность стали Х18Н10Т в условиях сложного напряженного состояния // Изв. АН СССР МТТ. 1979. №4. С.87-94.

10. Ю.Павлов П.А., Курилович Н.Н. Длительное разрушение жаропрочных сталей при нестационарном нагружении // Проблемы прочности. 1982. №2. С.44-47.

11. Голубовский Е.Р. Длительная прочность и критерий разрушения при сложном напряженном состоянии сплава ЭИ698ВД // Проблемы прочности. 1984. №8. С.11-17.

12. Голубовский Е.Р., Подъячев А.П. Оценка длительной прочности при сложном напряженном состоянии никелевых сплавов с поликристалической и монокристалической структурой // Проблемы прочности. 1991. №6. С. 1722.

13. Kooistra L.F., Blaser R.U., Tucker J.T. High temperature stress rupture testing of tubular specimens // Trans. ASME. 1952. V.74. №5. P.783-792.

14. Кац Ш.Н. Исследование длительной прочности углеродистых труб // Теплоэнергетика. 1955. №11. С.37-40.

15. Кац Ш.Н. Разрушение аустенитных труб под действием внутреннего давления в условиях ползучести // Энергомашиностроение. 1957. №2. С.2-5.

16. Лагунцов И.Н., Святославов В.К. Испытание пароперегревательных труб из стали 12ХМФ на длительную прочность // Теплоэнергетика. 1959. №7. С.55-59.

17. Кац Ш.Н. Влияние добавочных осевых усилий на длительную прочность котельных труб // Теплоэнергетика. 1960. №5. С. 12-16.

18. Лебедев А.А. Экспериментальное исследование длительной прочности хромоникелевой стали в условиях двухосного растяжения // Термопрочность материалов и конструкционных элементов. Киев. Изд:. Наук. Думка. 1965. С.77-83.

19. Hayhurst D. R. Creep rupture under multi-axial states of stress // Journal of the mechanics and physics of solids. 1972. V.O. №6. P.381- 390.

20. Brown R.J., Lonsdale, Flewitt The role of stress state on the creep rupture of 1% Cr 1/2% Mo and 12% Cr 1% Mo VW tube steels // Creep and fract. Eng. Mater. And struct. Proc. Int. conf. Swansea (24-27. 3.1981). Swansea. 1981. P.545-558.

21. Лебедев А.А. Обобщенный критерий длительной прочности // Термопрочность материалов и конструкций элементов. Киев. Изд.: Наук. Думка. 1965. С.69-76.

22. Локощенко A.M., Шестериков С.А. Исследование длительной прочности металлов при сложном напряженном состоянии // Проблемы прочности. 1986. №12. С.3-8.

23. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций // Москва. Изд.: Наука. 1966. 752с.

24. Наместникова И.В., Шестериков С.А. Векторное представление параметра поврежденности // Деформирование и разрушение твердых тел. Труды Ин-та механики МГУ. Москва. 1985. С.43-52.

25. Мякотин Е.А. Учет прочностной анизотропии при оценке длительной прочности реальных труб в условиях плоского напряженного состояния // Проблемы прочности. 1982. №5. С.20-23.

26. Локощенко A.M., Назаров В.В., Платонов Д.О., Шестериков С.А. Анализ критериев длительной прочности металлов при сложном напряженном состоянии // Известия РАН. Механика твердого тела. 2003. №2. С.144-149.

27. Локощенко A.M. Ползучесть и длительная прочность металлов в агрессивных средах // Москва. Изд. Московского ун-та. 2000. 178с.

28. Баренблатт Г.И. О некоторых приближенных методах в теории одномерной неустановившейся фильтрации жидкости при упругом режиме // Изв. АН СССР. ОТН. 1954. №9. С.35-49.

29. Шестериков С.А., Юмашева М.А. К проблеме терморазрушения при быстром нагреве //Изв. АН СССР. МТТ 1983. №1. С.128-135.

30. Мищенко Л.Д., Дьяченко С.С., Тарабанова В.П. Исследование изменений структуры и характера разрушения стали 15Х1М1Ф в процессе ползучести // Изв. ВУЗов. Черная металлургия. 1978. №2. С.110-112.

31. Локощенко A.M., Шестериков С.А. Модель длительной прочности с немонотонной зависимостью деформации при разрушении от напряжения // ПМТФ. 1982. №1. С.160-163.

32. Носов В.К., Колачев Б.А. Водородное пластифицирование при горячей деформации титановых сплавов // М.: Металлургия. 1986.118с.

33. Ильин А.А., Колачев Б.А., Носов В.К., Мамонов A.M. Водородная технология титановых сплавов // М.: МИСИС. 2002.392с.

34. Баррет Ч.С., Массальский Т.Б. Структура металлов // М.: Металлургия. 1984. 352с.

35. Колачев Б.А., Мальков А.В. Физические основы разрушения титана // М.: Металлургия. 1983.160с.

36. Шестериков С.А., Юмашева М.А. Конкретизация уравнения состояния в теории ползучести // Изв. АН СССР. МТТ. 1984. №1. С.86-91.

37. Писаренко Г.С., Лебедев А.А. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии // Киев: Наук, думка. 1976.415с.

38. Johnson А.Е. Complex-stress creep of metals // Metallurgical Reviews. 1960. V.5. №20. P.447-506. // Механика. Период, сб. перев. иностр. статей. 1962. №4. С.91-146.

39. Браун Р. Дж., Лонсдейл Д., Флюитт П., Испытания на длительную прочность при многоосном напряженном состоянии и анализ данных для жаропрочных сталей // Тр. Амер. о-ва инж.-механиков. Теорет. основы инж. расчетов. 1982. Т.104. №4. С.56-65.

40. Локощенко A.M. Длительная прочность металлов при сложном напряженном состоянии // Проблемы прочности. 1983. №8. С.55-59.

41. Локощенко A.M. К выбору критерия длительной прочности металлов при сложном напряженном состоянии // Проблемы прочности. 1989. №9. С.З-6.

42. Биргер И.А. Об одном критерии разрушения в пластичности // Известия РАН. Механика твердого тела. 1977. №4. С.143-150.

43. Трунин И.И. Критерий прочности в условиях ползучести при сложном напряженном состоянии // Прикладная механика. Киев. 1965. 1. вып.7. С.77-83.

44. Трунин И.И. Обобщенный критерий сопротивления разрушению материалов при сложном напряженном состоянии // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1968. №8. С.50-55.

45. Милейко С.Т. Длительная прочность конструкционных материалов при сложном напряженном состоянии // Докл. АН СССР. 1976. Т.228. №3. С.562-565.

46. Kissel W., Blum F. Neue Festigkeitshypotese // Schweizerische Technische Zeitschrift. 1965. 62. №32. S.641-645.

47. Локощенко A.M., Назаров В.В. Выбор критериев длительной прочности металлов при сложном напряженном состоянии // Авиационно-космическая техника и технология. Изд. ХАИ. Харьков. 2004. №7 (15). С.124-128.

48. Локощенко A.M., Назаров В.В. Выбор критерия длительной прочности металлов при сложном напряженном состоянии // Девятая Международная научно-техническая конференция по динамике и прочности автомобиля. Тезисы докладов. Москва. 2005. С.190-192.

49. Соснин О.В. Энергетический вариант теории ползучести и длительной прочности. Ползучесть и длительная прочность неупрочняющихся материалов. Сообщение 1. //Проблемы прочности. 1973. №5. С.45-49.

50. Соснин О.В. О варианте теории ползучести с энергетическими параметрами упрочнения // В сб.: "Механика деформируемых тел и конструкций". М.: Машиностроение. 1975. С.460-463.

51. Овчинников И.Г. Об одной модели разрушения пластинки в агрессивной среде // В сб.: "Прикладная теория упругости". Саратов. 1980. С.128-132.

52. Rabotnov Yu.N. Creep rupture // Proceedings applied mechanics conference. Slanford University. 1968. P.342-349.

53. Murakami S., Ohno N. A continuum theory of creep and creep damage // "Creep in Structures. Proc. 3rd IUTAM Symp. (Leicester, 8-12.IX.1980)". Berlin e.a. 1981. P.422-443. Discuss. 444.

54. Murakami S., Imaizumi T. Mechanical description of creep damage state and experimental verification // J. mec. theor. et appl. 1982. Vol.l. №5. P.743-761.

55. Локощенко A.M., Назаров В.В. Исследование длительной прочности металлов при сложном напряженном состоянии с помощью кинетического подхода // Научная конференция МГУ "Ломоносовские чтения". Секция механики. Тезисы докладов. Москва. 2005. С. 139.

56. Локощенко A.M., Назаров В.В. Кинетический подход исследования длительной прочности металлов при двухосном растяжении // Авиационно-космическая техника и технология. Изд. ХАИ. Харьков. 2005. №10 (26). С.124-128.

57. Назаров В.В. Применение кинетической теории для описания длительной прочности металлов при двухосном растяжении // Труды конференции-конкурса молодых ученых 12 октября-17 октября 2005 г. Изд. Моск. ун-та. Москва. 2006. С.191-198.

58. Сухарев М.Г., Локощенко A.M. Нестационарное течение в газопроводе, вызванное внезапным прекращением подачи газа // Известия ВУЗов. Нефть и газ. 1979. №1. С.63-69.

59. Панферов В.М., Кузнецов В.Н., Король Е.З. Приближенный метод решения нестационарной задачи // Тепловые напряжения в элементах конструкций. Вып. 10. Киев: Наукова думка. 1970. С. 195-200.

60. Кузнецов В.Н., Агахи К.А. Приближенный метод решения задач теплопроводности и диффузии // Известия АН Азерб.ССР. Сер. физ.-техн. и мат. наук. 1985. №1. С.130-135.

61. Лембке К.Э. Движение грунтовых вод и теория водосборных сооружений // Журнал министерства путей сообщения. 1886. №2. С.507-539; 1887. №17. С.122-140; 1887. №18. С.141-154; 1887. №19. С.155-166.

62. Назаров В.В. Решение уравнения диффузии для кольца // XVII Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2005). Тезисы докладов. Москва. 2005. С.51.

63. Хэмонд К., Наттинг Дж. Металловедение жаропрочных и титановых сплавов. Перевод с анг. под ред. Глазунова С.Г. // Труды международной конференции "Деформация и свойства материалов для авиационной и космической техники". М.: Металлургия. 1982. С.73-111.

64. Ковальков В.К., Назаров В.В., Новотный С.В. Методика проведения высокотемпературных испытаний при сложном напряженном состоянии. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2006. Т.72. №4. С.42-44.

65. Локощенко A.M., Назаров В.В., Новотный С.В., Ковальков В.К. Экспериментальное исследование ползучести и длительной прочности титановогосплава ВТ6 при температуре 600°С // Вестник двигателестроения. Изд. ОАО "Мотор Сич". Запорожье. 2006. №3. С.56-59.

66. Назаров В.В. Ползучесть и длительная прочность сплава ВТ6 при 600°С // XVIII Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС-2006). Тезисы докладов. Москва. 2006. С.43.

67. Назаров В.В. Влияние водорода на ползучесть и длительную прочность титанового сплава ВТ6 при одноосном растяжении // Труды конференции-конкурса молодых ученых 12 октября-14 октября 2004 г. Изд. Моск. ун-та. Москва. 2004. С.169-173.

68. Локощенко A.M., Назаров В.В. Моделирование влияния диффузии окружающей среды на длительную прочность полого цилиндра при одноосном110