Механизмов повреждения

Процессы разрушения и деформирования при ползучести являются термоактивированными кинетическими процессами и происходят одновременно в течение практически всего времени пребывания материала под нагрузкой. Изучение процесса разрушения должно происходить в тесной связи с изучением процессов деформирования при ползучести. Поэтому прежде, чем рассматривать морфологические особенности разрушения, рассмотрим различные температурно-силовые области, в которых в основе процессов ползучести и разрушения лежат разные механизмы, вызывающие кинетические закономерности накопления деформации и несплошностей при ползучести. Этой цели служат так называемые карты механизмов ползучести и разрушения.

Ползучесть — весьма сложное явление, которое не удается описать на основе единых физических представлений. В зависимости от температурно-силовых условий испытаний реализуются те или иные механизмы деформирования. Точность прогнозирования характеристик жаропрочности в значительной степени зависит от того, ведется ли оно в области действия одних и тех же механизмов деформирования или происходит Переход в область другой группы механизмов. В последнее время появились работы, в которых на основании анализа кинетических особенностей ползучести при различных температурно-силовых условиях предложены карты механизмов ползучести некоторых чистых металлов и сталей [1,2]. Построение таких картограмм имеет большое теоретическое и практическое значение для диагностики и прогнозирования жаропрочных свойств металла. В [3,4] представлены карты механизмов ползучести и разрушения для стали 12Х1МФ, широко применяемой в теплоэнергетике.

Анализ кинетических кривых ползучести с использованием указанных зависимостей позволил авторам провести темпера-турно-силовые границы между областями температур и построить карты механизмов ползучести и разрушения стали 12Х1МФ. Карта механизмов ползучести представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Карта механизмов ползучести 12Х1МФ.

Для выяснения соответствия температурно-силовых областей разных механизмов ползучести и областей структурных и морфологических признаков на карту механизмов ползучести нанесены результаты структурного анализа (рис. 1.2). Из рисунка видно, что каждой области соответствуют характерные структурные признаки, являющиеся следствием действия определенной группы механизмов ползучести.

Соответственно для каждой области карты механизмов ползучести характерно наличие структурных и фрактографических признаков, по которым можно при исследованиях микрострук-

Рис. 1.2. Структурные признаки различных зон карты механизмов ползучести: а — преимущественный характер субграниц; • — клубковые, X — сетчатые; б — развитие процессов рекристаллизации; Q — отсутствие рекристаллизации, Q — стадия in situ, • — рекристаллизация

Рассмотренные карты механизмов ползучести и типов разрушения имеют кроме теоретического большое практическое значение. Основные направления практического применения карт следующие:

Разрушения в условиях эксплуатации, соответствующих области в карты механизмов ползучести наблюдаются при перегревах металла труб пароперегревателей. Как видно из картограммы (рис. 1.2), при нагреве до температур, превышающих 620 °С, в металле развиваются процессы рекристаллизации. Это приводит к возрастанию деформационной способности металла, полной трансформации структуры стали в феррито-карбид-ную структуру, интенсификации процессов перехода легирующих элементов в карбидные фазы. Долговечность труб в условиях такого перегрева не превышает 10—15 тыс. ч. Для труб, разрушившихся в условиях ползучести, характерно наличие значительного слоя окалины и присутствие на наружной поверхности труб продольных трешин, сопутствующих основному разрыву. В случае перегрева до указанных температур разрушение происходит с относительно большим увеличением периметра трубы, заметным утонением стенки за счет повышенной деформационной способности в этих условиях. Характерно широкое раскрытие трубы в месте сквозной трещины. Микромеханизм разрушения соответствует порообразованию. Структура металла разрушенной трубы становится ферритной с крупными карбидными частицами по границам зерен. Вблизи разрушения имеет место некоторый рост зерна. Присутствие всех перечисленных признаков 'свидетельствует о том, что разрушение исследуемой трубы произошло в результате длительного перегрева.

При отсутствии перегрева в расчетных температурных условиях пароперегревательные трубы работают также в области ползучести и при длительной эксплуатации (свыше 105 ч) происходит их разрушение в результате отработки ресурса. Темпе-ратурно-силовые условия эксплуатации пароперегревателей соответствуют условиям области б карты механизмов ползучести. Разрушение развивается по механизму порообразования. Однако

На рис. 1.10, в представлен пример разрушения пароперепускной трубы 0 133x17 мм в месте приварки ее к коллекторной трубе 0 325x43 мм в зоне сварного шва. Рабочая температура этой трубы 565 °С. Основной тип разрушения — клиновидные трещины, распространяющиеся по границам зерен от тройных узлов. Разрушение произошло через 65 тыс. ч эксплуатации под действием высоких компенсационных напряжений. Морфология разрушения свидетельствует о том, что по температурно-силовым условиям рассматриваемый узел работал в области а карты механизмов ползучести. Заметных структурных изменений в стали в процессе эксплуатации не произошло.

Анализ механизмов повреждения. Выявление определяющих параметров технического состояния

нии металла происходит изменение размеров, формы и ориентации магнитных доменов, при этом домены вступают во взаимодействие с дефектами кристаллической решетки и макроскопическими дефектами [76, 77]. Следовательно, величина магнитной проницаемости щ, в значительной степени определяется поврежденностью материала, что делает возможным использование данной характеристики для анализа механизмов повреждения исследуемых сталей.

доминированием механизма диффузии водорода или совместного влияния этого и других механизмов повреждения материала, когда у вершины усталостной трещины происходит постепенное ослабевание роли одних процессов разрушения и деструкции материала и нарастание интенсивности других процессов.

Разрушение и усталость композиционных материалов — это, очевидно, одна из наиболее спорных и, несомненно, одна из наиболее важных областей технологии, требующая исследования и понимания, когда этот класс материалов необходимо использовать — например, при создании конструкций. Применение методов линейной механики разрушения к этим материалам ограничено не только из-за анизотропии и неоднородности структуры композитов, но также из-за способности отдельных компонентов деформироваться пластически. Кроме того, механизмы повреждения композитов совершенно отличны от механизмов повреждения однородных и изотропных материалов, и, таким образом, основные понятия и допущения, которые применимы к более простым материалам, здесь несправедливы. В этом томе я попытался объединить исследователей различных специальностей для обсуждения и обобщения основных понятий, теорий и экспериментов, разработанных до настоящего времени, в целях лучшего понимания разрушения и усталости композитов.

механизмов повреждения магистрального газопровода из

Здесь Nf — число циклов до разрушения, а и Ь — константы. Первая постоянная сильно меняется от металла к металлу, обычно она возрастает с увеличением пластичности [24]. Ъ * —0,6 для многих металлов, хотя для суперсплавов часто сообщают более отрицательные величины. Считают полезным рассматривать поведение, соответствующее формуле Мэнсона—Кофина как нормальное и как основу для сравнения и оценок значимости других механизмов повреждения.

Таким образом, выполненный анализ прочности, ресурсоспо-собности и механизмов повреждения шпилек показал, что разрушение шпилек вызвано наложением комплекса факторов, связанных с недостатками проектирования и эксплуатации, а именно: не полный анализ возможных термовоздействий на узел уплотнения и ошибка в определении величины податливости шпильки на стадии проектирования, невыполнение требований

Вторая группа методик предназначена для оценки сопротивления различных материалов, в том числе покрытий, термической усталости. Основными для этой группы являются требования по сопоставимости условий нагружения и недопустимости существенного превышения термических нагрузок (для форсированного получения заметной поврежден-ности материала при термоциклировании) по сравнению с эксплуатационными. Нарушение этого условия, приводя к изменению механизмов повреждения, приводит к некорректным выводам о реальных возможностях материалов. Предпочтение при этом целесообразно отдать испытанию моделей, сопоставляя результаты по" характеру и степени повреждения областей максимальной нагруженности материала в масштабе действующих (расчетных) температур, напряжений, деформаций или их амплитуд (размахов) в цикле.

различных динамических воздействий (см. рис. 4.8) [207, 210, 211]. Экспериментально регистрируемая диаграмма циклического деформирования материала, а следовательно, и определяющие кинетику квазистатической ds и усталостной df составляющих его повреждения деформационные параметры, имеют в этом случае (например, для двухчастотного режима жесткого нагружения) особый характер (рис. 5.4) и оказываются функционально зависящими от условий такого сложного процесса нагружения. При этом в дополнение к уже рассмотренным выше и влияющим на процесс накопления повреждений факторам относятся также частота /2, амплитуда еа2 наложенной высокочастотной деформации, а также их соотношения с соответствующими базовыми низкочастотными характеристиками малоциклового деформирования /2 //] и е2а /еа{ (рис. 5.4) [51, 148]. При этом с использованием многопараметрических механизмов повреждения материала суммирование его составляющих в условиях присутствия дополнительных высокочастотных деформаций также можно рассматривать через компоненты односторонне накопленной и циклических пластических деформаций с учетом изменения их кинетики при мягком нагружении (рис. 5.4, б).

Анализ механизмов повреждения

При решении краевых задач используются несколько различающиеся модели раэупрочняющихся сред, в частности, допускается кусочно линейная (с линейным разупрочнением) связь между дериаторными составляющими напряжений и деформаций, а объемное растяжение считается упругим [96]. Принимается нелинейный пластический закон скольжения в области контакта упругих частиц, включающий стадию разупрочнения от сдвига и участок остаточной прочности [147]. Считается приемлемой для решения задач горной геомеханики кусочно линейная аппроксимация диаграмм, полученных при одноосном сжатии и различных боковых давлениях, с учетом разрыхления материала и остаточной прочности после разупрочнения [198, 276]. Используется модель, учитывающая смену механизмов повреждения: разупрочнение с отрицательным мгновенным значением модуля сдвига и начальным положительным модулем объемного сжатия при отрицательной объемной деформации и разупрочнение с отрицательным модулем Юнга и начальным коэффициентом Пуассона при положительном значении объемной деформации [255].