Кинетический подход в описании ползучести металлов на основе структурно-аналитической теории прочности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.04, кандидат технических наук Майорова, Элеонора Григорьевна

• Майорова, Элеонора Григорьевна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Майорова, Элеонора Григорьевна

1.1. Кривая ползучести, классификация моделей ползучести.

1.2. Феноменологические модели.

1.3. Физические модели.

1.4. Модель ползучести в рамках структурно-аналитической теори прочности.

1.4.1. Основные методологические принципы построения теории простейшей двухуровневой модели.Ъ

1.4.2. Построение локальных инвариантов для пластическо деформации, осуществляемой скольжением.

Глава 2. Моделирование и анализ деформационных процессов ползучести н основе структурно-аналитической теории.

2.1. Расчет и анализ деформации ползучести в полях переменных статических механических напряжений.3,

2.2. Анализ стационарной ползучести при плоском напряженно: состоянии. Подтверждение гипотезы универсальной кривой.3S

2.3. Моделирование деформационного старения металлов. Взаимосвяз между кривыми активного нагружения и изохронными кривым] стационарной ползучести металлов.4!

2.4. Описание нестационарной ползучести с учетом поле] ориентированных напряжений.

2.5. Выводы. металлов.

3.1. Кинетический подход в описании деформации стационарной ползучести.

3.2. Экспериментальные методы определения основной базовой скорости стационарной ползучести.

3.3. Учет неоднородности напряженно-деформированного состояния при кручении цилиндрических стержней.

3.4. Определение основных параметров термоактивируемой ползучести опытным путем.

3.5. Косвенные способы определения интенсивности скорости стационарной ползучести трубы по опытам на кручение в лабораторных условиях.

3.6. Описание экспериментальной установки и опытных измерений.

3.7 Выбор образцов для испытаний на ползучесть.

3.8 Основные результаты испытаний на ползучесть.

3.9 Испытания на разрыв. Оценка скорости стационарной ползучести по кривым активного нагружения.

3.10 Сопоставление результатов теоретических расчетов и экспериментальных данных.

3.11. Обсуждение результатов и выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетический подход в описании ползучести металлов на основе структурно-аналитической теории прочности»

Актуальность рассматриваемых вопросов. Подавляющая часть реальных металлических конструкций находится в условиях, имеющих статическую и квазистатическую составляющие нагрузки, и поэтому может подвергаться в процессе эксплуатации деформации ползучести. Ползучесть является довольно распространенным механизмом деформации и наиболее заметна, когда есть статическая составляющая нагрузки. Она проявляется в непрерывном росте пластической деформации с течением времени в направлении нагрузки, это приводит не только к накоплению микроповреждений, но и к возникновению направленных, односторонних деформаций, величины которых, как правило, не учитываются обычными строительными нормами и правилами, а, следовательно, и не закладываются в соответствующие проекты сооружений. По нашему мнению, указанные необратимые деформации могут инициировать частичное ухудшение размерной стабильности элементов конструкций, что может приводить к возникновению локальных перенапряжений, которые будут инициировать местные разрушения, как следствие, приводящие к авариям.

Таким образом, всестороннее изучение явления ползучести относится к актуальным задачам теории прочности и прогнозирования долговечности элементов конструкций.

Цель работы.

Разработать методы компьютерного моделирования процессов ползучести, основанные на структурно-аналитической теории прочности и кинетических представлениях о природе микродеформаций.

Провести теоретическое описание а) стационарной стадии ползучести в условиях действия статических и переменных полей напряжений. б) нестационарной стадии ползучести с учетом полей ориентированных микронапряжений.

Исследовать зависимость между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации ползучести.

Провести экспериментальное исследование ползучести. Оценить скорость стационарной ползучести в действующем магистральном газопроводе.

Сопоставить и проанализировать результаты компьютерного моделирования и экспериментального исследования.

Основные положения, выносимые на защиту

Результаты теоретических расчетов на основе моделей ползучести и активной пластичности, разработанных в рамках структурно-аналитической теории прочности;

Методика экспериментального исследования ползучести элементов конструкций, функционирующих в условиях квазистатического плоского напряженного состояния.

Результаты экспериментального исследования и их адекватность расчетным прогнозам.

Научная новизна

В рамках структурно-аналитической теории прочности и кинетических представлений о природе микродеформаций развита модель стационарной ползучести. На примере данной модели исследовано влияние температуры, статических и переменных нагрузок, уровня действующих напряжений на деформацию и скорость деформации ползучести.

Показано, что при кинетическом характере реализации процессов ползучести на микроуровне при сложном напряженном состоянии с достаточной степенью точности соблюдается единая универсальная связь между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации.

Предложена методика оценки скорости ползучести элементов конструкций, функционирующих в условиях сложного напряженного состояния по косвенным измерениям в лабораторных условиях. Она основана на кинетических представлениях о реализации деформации ползучести и на гипотезе существования единой универсальной зависимости между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации.

Предложен способ оценки скорости стационарной ползучести металлоконструкций, основанный на сравнении кривых активного нагружения и изохронных кривых ползучести в различных временных интервалах.

Практическая ценность.

Предложена методика оценки скорости ползучести элементов конструкций, функционирующих в условиях сложного напряженного состояния. Методика апробирована в лабораторных условиях в опытах на кручение сплошных цилиндрических образцов. В теоретическом плане методика базируется на кинетических представлениях о реализации деформации ползучести и на гипотезе существования единой универсальной зависимости между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации стационарной ползучести. Указанная методика реализована в серии экспериментов на ползучесть, выполненных на образцах из основного металла магистрального газопровода для предприятия ООО «Севергазпром». Выполнена оценка интенсивности скорости стационарной ползучести для действующего газопровода из сталей Х70 и 17ГС.

Заключение диссертации по теме «Механика деформируемого твердого тела», Майорова, Элеонора Григорьевна

Результаты работы приведены на рис.3.20. Здесь сплошные линии отвечают эксперименту, а штриховые - расчету. Легко видеть, что имеется хорошее совпадение экспериментальных и расчетных кривых.

Для расчета процессов ползучести было использовано определяющее соотношение (2.16) с уравнением для pik в форме (2.15). Моделировали ползучесть в режиме кручения. Температура и напряжение в (2.16) соответствовали экспериментальным значениям. Количественного совпадения результатов добивались, варьируя параметры (30 ,Uo и ho- В качестве экспериментальных данных использовали результаты испытаний на ползучесть, описанные в 3.9. На рис.3.21, 3.22 сплошные линии отвечают эксперименту, штриховые- расчету.

700 600 500 400 300 200 100 о ст,МПа г--------

•

10

15

20

25

Рис. 3.20 Диаграммы активного деформирования для стали Х70 (срок эксплуатации 20 лет)

0,25

0,2

0,15

0.1 е,%

200000 400000 t.c

600000

Рис.3.21 Сопоставление экспериментальной и теоретической кривых ползучести для стали 17ГС (срок эксплуатации 30 лет) при температуре 870К и напряжении 200 МПа.

Результаты численного моделирования вполне согласуются количественно с экспериментальными данными и демонстрируют возможности выполнения расчетов в рамках структурно-аналитической теории прочности.

0.6 ! ' е,% | j |

0.45

0 20000 40000 60000 80000 t.c

Рис.3.22 Сопоставление экспериментальной и теоретической кривых ползучести для стали 17ГС (срок эксплуатации 30 лет) при температуре 570К и напряжении 200 МПа.

3.11. Обсуждение результатов и выводы.

Расчет скоростей ползучести для основного материала МГ для эксплуатационных температур показал, что скорость ползучести в эксплуатационных условиях может составлять приблизительно

2 - Ю-10 ^6-10~,0с-1. Пересчет и оценка ё по соотношению (3.30) дает более низкие значения s«10~12 -г Ю-11 с-1. Примерно такие же значения скорости ползучести дает ее оценка по кривым активного нагружения: г и 2,3 • 10'11 с-1. Указанное расхождение может быть связано со следующими обстоятельствами: систематической погрешностью, вносимой косвенными измерениями; малым объемом выборки экспериментальных исследований; неоднозначным влиянием температуры на скорость ползучести.

Тем не менее, настоящие исследования достаточно отчетливо показывают следующее.

1. В процессе эксплуатации основной металл МГ подвергается явлению ползучести.

2. Скорость ползучести может варьироваться в широких пределах, завися как от температуры, так и от механических напряжений. Причем, если увеличение механических напряжений приводит к однозначному повышению скорости ползучести, то температура оказывает неоднозначное влияние на скорость установившейся ползучести.

3. Наиболее нежелательным в смысле роста скорости ползучести является ступенчатый режим нагружения, когда увеличение механических напряжений на 15-20 МПа (примерно 1/15 от уровня действующих кольцевых напряжений ок в МГ) приводит к увеличению скорости ползучести на два порядка и более (рис. 3.12б-г3.15 б). Это свидетельствует о том, что внезапное повышение давления может оказать чрезвычайно опасным для действующего трубопровода.

4. Наличие сильной зависимости скоростей ползучести от величин действующих напряжений говорит о том, что наиболее опасные участки МГ находятся в следующих областях: а) повышенного действия механических напряжений; б) повышенной плотности концентраторов механических напряжений (сварные швы, коррозия, раковины, гофры и др.).

5. Эксплуатация МГ под рабочим давлением в течение длительного времени приводит к заметной деградации механических свойств (рис. 3.17). Т.е., кривые деформирования 1 и 2 на рис.3.17 можно рассматривать как изохронные кривые ползучести, что в конечном итоге позволяет свести проблему изучения ползучести материала к изучению механических свойств в условиях активного нагружения.

6. Найден эффективный способ оценки скорости ползучести основного металла МГ, позволяющий сократить время испытаний на ползучесть примерно в 102-103 раз.

92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В рамках структурно-аналитической теории прочности и на основе кинетических представлений о природе микродеформации разработаны методы компьютерного моделирования деформационных процессов ползучести. На основе разработанных методов проведены численные эксперименты, позволившие изучить влияние напряжения, температуры и режимов нагружения на деформацию ползучести. В частности, а) показано, что оценивать деформации, инициированные ползучестью в условиях знакопостоянного циклического действия нагрузок можно, используя приближение для деформации при статической нагрузке под действием напряжения, равного среднему напряжению за цикл. б) показано, что для кинетического характера реализации процессов ползучести на микроуровне при сложном напряженном состоянии с достаточной степенью точности соблюдается единая универсальная связь между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации. в) теоретически показано, что процесс старения материала в нагруженном состоянии приводит к изменению (деградации) механических характеристик материала, которое проявляется в том, что в состаренном металле при том же уровне напряжений достигается большая деформация. г) установлено, что изохронные кривые стационарной ползучести можно рассматривать как кривые активного нагружения при измененных феноменологических параметрах Аа иЛ д) получено качественное описание нестационарной ползучести, обусловленной ориентированными микронапряжениями. На основе данной модели изучено влияние основных феноменологических параметров, известных как энергия активации процесса ползучести и структурно-чувствительный множитель на деформацию нестационарной ползучести.

2. Предложена методика оценки скорости установившейся ползучести элементов конструкций, функционирующих в условиях сложного напряженного состояния. Она основана на моделировании процесса ползучести и разрушения металла в лабораторных условиях при неоднородном кручении. В теоретическом плане методика базируется на кинетических представлениях о реализации деформации ползучести и на гипотезе существования единой универсальной зависимости между интенсивностью напряжений и интенсивностью скорости деформации.

3. Выполнено широкое экспериментальное исследование ползучести. На основе разработанной методики получены оценки величин скоростей ползучести основного металла МГ (магистрального газопровода). Выявлено влияние температуры и напряжений на скорость стационарной ползучести. Исследован характер ползучести при постоянной нагрузке и ступенчатом нагружении. Результаты опытов представлены графически на диаграммах (см. рис.3.9-3.16). Экспериментально показано, что деформационное старение металла в процессе длительной эксплуатации на линиях МГ приводит к заметной деградации механических свойств и изменению диаграммы растяжения (см. рис. 3.19).

4. Показано, что экспериментальные диаграммы активного нагружения образцов сплава Х70, изготовленных из фрагментов газопровода в условиях действия эксплуатационных нагрузок находятся в хорошем качественном соответствии с имеющимися теоретическими диаграммами старения материала.

5. На основе выполненных экспериментов и анализа их результатов были выработаны предложения и рекомендации для предприятия ООО «Севергазпром».

94

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Майорова, Элеонора Григорьевна, 2004 год

1. Андраде К. Представление о ползучести/ Сб. «Ползучесть и возврат».-М.: Металлургиздат, 1961.

2. Аршакунин АЛ, Локощенко A.M., Киселевский В.Н. и др. Закономерности ползучести и длительной прочности. Справочник. /Под ред. С.А.Шестерикова.-М.: Машиностроение, 1983.-102с.

3. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы: Учебное пособие.-М.: Наука, 1987.-600с.

4. Бетехтин В.И., Владимиров В.И. Проблемы прочности и пластичности твердых тел.-Л.: Наука, 1979.-С. 142-154.

5. БетехтинВ.И., Владимиров В.И., Петров А.И., Кадомцев А.Г. // Проблемы прочности-1979, №7.-С.38-45.

6. Бойл Дж., Спенс Дж. Анализ напряжений в конструкциях при ползучести. М.: Мир, 1986.-360 с.

7. Быковцев Г.И., Горелов В.И. Феноменологическое построение кинетических уравнений теории ползучести // ДАН СССР.-1985, Т.283, №1.-С.58-61

8. Вассерман Н., Гревин И. Текстура металлических материалов. М.: Металлургия, 1969.-654 с.

9. Гарофало Ф. Законы ползучести и длительной прочности металлов и сплавов.-М.: Металлургия, 1968.-304с.

10. Гуляев А.П. Металловедение. 5-е изд.-М.: Металлургия, 1977.-664 с.

11. ГОСТ 3248-60, 20.506.85. Металлы. Метод испытания на ползучесть.

12. Давиденков Н.Н. Динамические испытания металлов.-М., JI.: Госиздат, 1929.-368 с.

13. Даниловская В.И., Иванова Г.М., Работнов Ю.Н. Ползучесть и релаксация хромомолибденовой стали.// Известия АН СССР, Отд. техн. наук— 1955, №5.-С. 102-109.

14. Жуков A.M., Работнов Ю.Н. Исследование пластических деформаций стали при сложном нагружении // Инженерный сборник.- 1954, т. XVIII.— С.105-112.

15. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. // Вестн. АН СССР.-1968, т.З-С.46-52.

16. Журков С.Н., Нарзуллаев Б.Н. Временная зависимость прочности твердых тел. // ЖТФ.-1953, т.23, № 10.- С. 1163-1167.

17. Журков С.Н., Санфирова Т.П. Связь между прочностью и ползучестью металлов и сплавов. //ЖТФ.-1958,т.28, № 8.-С.23-29.

18. Журков С.Н., Санфирова Т.П. Температурно-временная зависимость прочности чистых металлов. // ДАН СССР.-1955, т.101, №2.-С. 34-38.

19. Зубчанинов В.Г. Механика сплошных деформируемых сред.- Тверь, ТГТУ, 2000.- 703 с.

20. Кадашевич Ю.И., Новожилов В.В. Микронапряжения в конструкционных материалах.-JI.: Машиностроение, 1990.-223с.

21. Кадашевич Ю.И., Новожилов В.В. Теория пластичности, учитывающая остаточные микронапряжения.//Прикладная математика и механика.-1958, т. XXII, В.1.— С.78-79.

22. Карманов В.Г. Математическое программирование.-М.: Наука, 1986.— 238с.

23. Качанов JI.M. Основы теории пластичности М.: Наука, 1969.-420с.

24. Качанов JI.M. Теория ползучести.- М.: Физматгиз, 1960.-455с.

25. Кеннеди А. Дж. Ползучесть и усталость в металлах.-М.: Металлургия, 1965.-312с.

26. Ковпак В.И. Прогнозирование длительной работоспособности металлических материалов в условиях ползучести.-Киев, 1990.-255с.

27. Кривенюк В.В. Прогнозирование ползучести и длительной прочности металлических материалов на сроки службы до 300000ч и более.// Проблемы прочности-2003, №4.-С.104-120

28. Куманин В.И. Долговечность металлов в условиях ползучести.-М.: Металлургия, 1988.-225с.

29. Куров И.Е. Физические основы ползучести и длительной прочности: Учебное пособие-Горький, ГГУ, 1983

30. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов.-М.: Машиностроение, 1980.-493с.

31. Лепин Г.Ф. Ползучесть металлов и критерии жаропрочности металлических материалов.-М.: Металлургия, 1976.-334с.

32. Лихачев В.А., Владимиров В.И. Роль упрочнения в ползучести и температурном последействии. // Физ. мет. и металловед., 1965, т. 19, вып.1.-С. 17-18.

33. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Структурно аналитическая теория прочности. Изд. Санкт-Петербург. 1993. 471 с.

34. Лихачев В.А., Малинин В.Г. Физико-механическая модель упруго-пластических свойств материалов, учитывающая структурные уровни деформации и кинетические свойства реальных кристаллов. // Известия вузов. Физика, 1984, № 9.-С.23-28.

35. Локощенко A.M., Шестериков С.А. Ползучесть. В сб.: Механика, 1963.(Итоги науки. ВИНИТИ АН СССР). М, 1965.-С. 177-227.

36. Любашевская И.И. Высокотемпературная ползучесть материалов и элементов конструкций. // Автореф. дисс. На звание к.ф.-м.н. 01.02.04.-Новосибирск, 2002.-С.42-45.

37. Людвик П. Основы технологической механики В кн. Расчеты на прочность. Вып.15.-М.: Машиностроение, 1971.-С. 137-145.

38. Людвик П. Элементы технологической механики.- В кн. Расчеты на прочность.Сборник статей. Вып. 15.-М.: Машиностроение, 1971 .-С. 132166.

39. Малинин Н.Н. Основы расчетов на ползучесть.-М.: Машгиз, 1948.-120 с.

40. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести./ Под редакцией. С.Д. Пономарева. -М.: Машиностроение, 1968. -400 с.

41. Миллер К. Ползучесть и разрушение./ Пер с англ.-М.: Металлургия, 1986.—120с.

42. Михлин С.Г., Смолицкий К.И. Приближенные методы решения дифференциальных уравнений.-М: Наука, 1965.-383с.

43. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Изд. иностр. лит., 1954.-647С.

44. Надаи А. Влияние времени на ползучесть.-В кн.: Теория пластичности. Сборник статей.М.: Изд. иностр. лит., 1948.-С405-426.

45. Наместников B.C., Работнов Ю.Н. О наследственных теориях ползучести //Журн. прикл. механики и техн. физики.-!961, №4.-С. 148-150

46. Никитенко А.Ф. Ползучесть и длительная прочность металлических материалов.-Новосибирск: НГАСУ, 1997.-278 с.

47. Никитенко А.Ф. Об уравнении ползучести металлов с упрочнением // Журн. Прикл. Механики и техн. физики, 1969, №3 С. 183-184.

48. ОдквистФ. Технические теории ползучести металлов.-Механика. Сб. переводов, 1970,№3.-С.99-115

49. Прокопович И.Е., Зедгенидзе В.А. Прикладная теория ползучести М.: Стройиздат, 1980.-240с.

50. Работнов Ю.Н. Избранные труды. Проблемы механики деформируемого твердого тела.-М.: Наука, 1991 —196с.

51. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций.-М.:Наука, 1966.-752с.

52. Работнов Ю.Н. Опытные данные по ползучести технических сплавов и феноменологические теории ползучести (обзор) // ПМТФ, 1965, №1.-С.141-159.

53. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.И. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974.— 560 с.

54. Соснин О.В., Горев Б.В., Никитенко А.Ф. К обоснованию энергетического варианта теории ползучести. Основные гипотезы и их экспериментальная проверка. Сообщение 1. //Проблемы прочности 1976, №7- С.3-8

55. Степанов В.А., Песчанская Н.Н, Шпейзман В.А. Прочность и релаксационные явления в твердых телах. JI.: Наука, 1984.58. Трунин И.И., Логинов Э.А. Метод прогнозирования длительной прочности металлов и сплавов// Машиноведение.— 1971, №2.- С.66-74.

56. Турчак Л.И., Плотников П.В. Основы численных методов: Учебное пособие.-М.: Физматлит, 2002.-304с.

57. Установка для испытания образцов материалов при сложном напряженном состоянии: А.с. № 1809356 СССР: G 01 N 3/08 / Власов В.П., Андронов И.Н., Какулия Ю.Б.:- 4908828/28. Заявл. 07.02.91: Опубл. 15.043.93. Бюл. № 14: черт.

58. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов-М: Наука, 1972.-544 с.

59. Хажинский Г.М. О теории ползучести и длительной прочности металлов. // Известия АН СССР. Механика твердого тела, 1971, № 6.-С.29-36.

60. Чадек Йозеф. Ползучесть металлических материалов.-М.: Мир, 1987 — 302с.

61. Шестериков С.А., Локощенко A.M. Ползучесть и длительная прочность. В сб.: Механика деформируемого твердого тела: М., 1980, Т.З.-С.З-104

62. Шмидт Е., Боас В. Пластичность кристаллов, в особенности мтаплических. М.; Л.: Госнаучтехиздат, 1938.-316 с.

63. Шоль Н.Р., Лихачева Л.М., Туманова О.М., Лихачев В.Н. Информатика: Учебное пособие, УГТУ, 2000.-160 с.

64. Davis E. A. Creep and relaxation of oxygen-free copper.// Journal of applied mechanics. 1938, Vol.5, No 2, p.A-101-A-105.

65. Johnson A. Creep and relaxation of metals at high temperatures.-// Engineering, 1949, Vol.168, No 4362, p.237-239.

66. Breczko T. Mikronaprezenia w mechanice zloznych odkstceu plastycznych metaly о sieci Al. Stadium reperts Institut Potstawa mych problemew techniki Polskiey Academii nauk. Warszawa, 1985.- 117c.

67. Taira S. Lifetime of structures subjected to varying load and temperature. / Сб. «Creep in structures».-Springer, 1962.