Накопление повреждений

В настоящее время разработано множество моделей и теорий, которые пытаются учесть влияние внутренней структуры материала и накопление пластической деформации на последующее разрушение. Однако до сих пор отдельно существует две группы теорий: пластического деформирования и разрушения. Такое положение обусловлено прежде всего присущей макроподходу ограниченностью, заложенной в его методологии: макрочастица здесь фактически бесконечно малая точка, не имеющая размеров, но в то же время мыслится достаточно большой, чтобы осредненно отражать механические свойства материала, проявляемые им на макроуровне. При этом игнорируется тот факт, что прочностные макрохарактеристики одного и того же материала отличаются при разных внешних воздействиях именно потому, что при различных видах нагружения поля внутренних напряжений и деформаций в самой макрочастице будут существенно неодинаковыми. Это связано с тем, что на самом деле любой материал имеет сложную, как правило, иерархически организованную внутреннюю структуру, которая по-разному эволюционирует при различных внешних воздействиях, приводя как к пластической анизотропии, так и к неодинаковым видам разрушения макрообъема [11].

тывает диапазон напряжений от ств до ак (ломаная линия АБВ). В области малоцикловой усталости можно выделить два характерных участка. На участке I, который иногда называют участком циклической ползучести, разрушение пластичных металлических материалов носит квазистатический характер с образованием шейки в месте излома. Для этого участка характерно непрерывно возрастающее с числом циклов нагружения накопление пластической деформации. При этом петля механического гистерезиса вплоть до разрушения образцов всегда остается открытой. На участке II на поверхности разрушения уже отчетливо можно выделить зону усталостного излома. На этом участке циклического деформирования петля механического гистерезиса становится замкнутой. Напряжение перехода от одного вида разрушения к другому при малоцикловой усталости обозначено как an. Переход от циклической ползучести к собственно малоцикловой усталости сопровождается изменением механизма макропластического деформирования материала.

1. Поскольку усталостные повреждения включают накопление пластической деформации, как предсказать поведение двухфазного материала, в котором упрочняющая фаза часто совершенно непластична?

Ползучесть—накопление пластической деформации и повреждений во времени — по своей природе явление статистическое, и характеристики жаропрочности подчиняются законам теории вероятности [59].

Межзеренное порообразование является результатом усиления роли диффузионных процессов, влияние которых увеличивается с ростом долговечности при снижении действующих напряжении. В связи с этим можно предположить, что уравнение (3.18) достаточно точно описывает накопление пластической деформации при самых низких (близких к рабочим) напряжениях. Расчет подтвердил справедливость этого предположения.

Отмеченные закономерности определяют степень одностороннего накопления необратимой циклической деформации сжатия, характер которой для корсетного сплошного образца показан на рис. 22 [29]. Сопоставление кривых для разных режимов показывает, что накопление деформации сжатия («бочка») за счет выравнивания температурного поля (см. рис. 21) может быть существенным. Например, при увеличении времени цикла в 4 раза накопление пластической деформации к 20-му циклу увеличивается в 30 раз (режимы / и V). В связи с этим можно ожидать, что предельное состояние при неизотермическом на-гружении с длительными выдержками в значительной степени будет определяться величиной длительного статического повреждения. Следует указать, что одностороннее накопление квазистатической сжимающей деформации было обнаружено и в. тонкостенных корсетном и гладком образцах [35].

нагрузок и упругопластических деформаций рабочей зоны. По истечении этого времени реологические процессы проявляются в явной форме и протекает процесс интенсивного роста деформаций ползучести. Из кривой развития деформаций видно, что вклад деформации ползучести в накопление пластической деформации является существенным и его следует учитывать для корректной оценки термоусталостной долговечности.

На рис. 1, а приведены кривые изменения микротвердости переходных слоев биметалла Ст. 3+Х18Н10Т, измеренной в рабочей зоне образца в условиях усталостного нагружения при 20° С. Микротвердость обезуглероженного слоя и слоя стали Ст. 3 незначительно повышается при нагружении до 12-103, что отражает процесс циклического упрочнения металла. Достигнув насыщения, слои начинают разупрочняться. По мере приложения циклической нагрузки накопление пластической деформации в отдельных микрообъемах происходит неравномерно, в первую очередь интенсивно упрочняются микрообъемы, лежащие в наиболее напряженном участке образца, и таким образом рабочая зона находится в неравномерном нагруженном состоянии. При достижении насыщения происходит выравнивание значений микротвердости.

110. Марченко Е. А., Ровинский Б. М., Харач Г. М. Влияние нагрузки на накопление пластической деформации и разрушение поверхностного слоя стали 45 при трении.— В кн.: Расчет и моделирование режима работы тормозных и фрикционных узлов. М., «Наука», 1974.

Процесс малоцикловой усталости при повышенных температурах, при которых уже проявляется влияние длительности и скорости деформирования на накопление пластической деформации и статического повреждения, неизбежно связан с формой и длительностью цикла. Это способствовало привлечению таких интерпретаций условий термоциклического разрушения, в которых в явной форме отражена частота v = 1/Т, где Т — период цикла. С помощью частотных представлений предлагается также охарактеризовать роль выдержек при постоянной деформации или напряжении, столь свойственных работе металла во многих конструкциях. Анализ соответствующих зависимостей,. вытекающих из опытных данных, предложенных рядом авторов, позволил уравнение кривой малоцикловой усталости в размахах 2еар пластической деформации выразить так [3]:

При жестком нагружении с выдержками происходит релаксация напряжений, которой сопутствует накопление пластической деформации при каждом цикле, как это представлено на рис. 4 схематически, а на рис. 5 — в виде экспериментально полученного семейства кривых релаксации [14] для хромо-молибденовой стали при температуре 600° С. Сопоставлены три способа определения разрушающего числа циклов. Определена суммарная накопленная

Постепенное накопление повреждений в металле под дей-

Далее предполагают, что накопление повреждений не зависит от порядка чередования ступеней. Условие суммирования повреждений записыва'ют в следующем виде:

ждается и, следовательно, усталостного разрушения не будет при любом числе циклов напряжения. Если же при повторных нагружениях значения параметров АЭ уменьшаются в малой степени, то, следовательно, идет быстрое накопление повреждений, и, соответственно, быстрое усталостное разрушение объекта.

При построении вероятностных моделей отказов (см. например [30]) экспериментальные данные по долговечности элементов представляются эмпирическими функциями распределения (ЭФР) как зависимости вероятности разрушения образцов от времени, числа нагружений и т.д. Приведенные ЭФР являются ступенчатыми функциями, для которых, строго говоря, неприменим традиционный аппарат дифференцирования. Однако, физический смысл эмпирической информации (накопление повреждений, приводящих к разрушению образцов) и схожесть графического представления позволяет сделать вывод, что данные графики можно с уверенностью отнести к типу "чертова лестница" [4] и анализировать эти явления с учетом мультифрактального характера процесса разрушения материалов (рисунок 2.24).

ет, что значения энергии активации элементарного процесса должны быть взаимосвязаны между собой. Рассмотрим эту взаимосвязь на примере анализа изменения энергии активации процесса деформации, являющейся важным параметром, определяющим накопление повреждений в материале под нагрузкой с течением времени. Все элементарные акты перемещения дефектов кристаллической решетки требуют атомной перестройки путем обратимого разрыва межатомной связи.

Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки работает в условиях действия механических напряжений, высоких температур и коррозионно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Современные методы механики деформируемого твердого тела позволяют прогнозировать долговечность конструкций на основе расчета напряженно-деформированного состояния для любой точки конструкции. Но для расчета напряженно-деформированного состояния на действующей конструкции необходимо точное знание всех термомеханических режимов эксплуатации либо текущей диаграммы нагружения. Знание исходных на момент изготовления конструкции механических свойств металла недостаточно, так как они в процессе эксплуатации существенно изменяются. Проведение стандартных механических испытаний на действующей конструкции невозможно, поэтому в настоящее время расчет напряженно-деформированного состояния для оценки долговечности осуществляется с использованием данных о свойствах материала в исходном состоянии, что не обеспечивает необходимую точность.

Оборудование предприятий нефтехимии и нефтепереработки работает в условиях действия механических напряжений, высоких температур, природных и технологических коррозионно-активных сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Преобладающая часть парка оборудования нефтепереработки имеет поверхностный контакт с рабочей средой, эксплуатируется в очень жестких режимах — в условиях действия высоких давлений и температур. Современные технологические процессы ориентированы на углубление переработки нефтяного сырья. Увеличение выхода светлых нефтепродуктов связано с повышением роли деструктивных процессов переработки нефти, что в свою очередь ведет к интенсификации технологических процессов и усложнению конструкции оборудования. В последние годы в переработку вовлекаются все большие объемы нефтей с повышенным содержанием сероводорода, минеральных солей и газоконденсатов с высоким содержанием агрессивных компонентов. Это обстоятельство значительно усложняет условия эксплуатации оборудования, вызывая интенсивное развитие различных коррозионных процессов. Коррозионная активность технологических сред является одним из основных факторов, снижающих надежность металлических конструкций и способствующих зарождению трещин [4]. Агрессивное воздействие рабочих сред обусловлено обводненностью нефти, наличием в ней кислых компонентов, сернистых и хлористых соединений, а так же применением в процессе подготовки и переработки коррозионно-активных реагентов. Как показали результаты диагностирования 59 резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов (годы постройки 1975 — 80 , объем резервуаров 20 000 NT), при суммарном содержании в нефти воды, хлора и серы более 3 % коррозионное растрескивание имело место во всех резервуарах, эксплуатировавшихся более 15 лет [3]. Особую опасность представляет разрушение оборудования в условиях действия водороДосодержащих и водородо-выделяющих сред.

Оборудование предприятий нефтепереработки работает в условиях действия механических напряжений, высоких температур и коррозиокно-активных рабочих сред, инициирующих возникновение и накопление повреждений, приводящих со временем к нарушению его работоспособности. Процесс зарождения и накопления

Столь подробное экспериментальное и теоретическое исследование пластических зон в §§ 25, 26 связано с необходимостью подчеркнуть роль пластического деформирования, в процессе которого происходит накопление повреждений и микроразрушений, подготавливающих макроскопическое разрушение.

ки В рост замедляется в 10... 100 раз, а на участке ВС суммарный счет остается практически постоянным. В этом проявляется эффект Кайзера. В процессе циклических нагрузок происходит медленное накопление повреждений в металле образца, после этого эффект Кайзера перестает действовать и перед моментом появления видимой трещины происходит ускоренный рост N (участок CD) и далее медленное увеличение N с ростом трещины (DE). При до-

При построении вероятностных моделей отказов (см..например,[30]) экспериментальные данные по долговечности элементов представляются эмпирическими функциями распределения (ЭФР) как зависимости вероятности разрушения образцов от времени, числа нагружений и т.д. Приведенные ЭФР являются ступенчатыми функциями, для которых, строго говоря, неприменим традиционный аппарат дифференцирования. Однако физический смысл эмпирической информации (накопление повреждений, приводящих к разрушению образцов) и схожесть графического представления позволяет сделать вывод, что данные графики можно с уверенностью отнести к типу "чертова лестница" [4] и