Повреждающих напряжений

Измерить степень повреждаемости металла ряда деталей в настоящее время в условиях электростанций весьма затруднительно. Донтехэнерго разработан косвенный метод оценки повреждаемости материалов на основе использования большого массива результатов испытаний металла паропроводов ТЭС на длительную прочность, проведенных с замером текущей деформации.

В условиях эксплуатации устанавливают характер обрастания микроорганизмами материалов, степень повреждаемости материалов и покрытий, осуществляют отбор проб для идентификации бактерий, грибов, актиномицетов и т. п. Обнаружение скоплений микроорганизмов обычно осуществляется визуально или при увеличении и по изменению внешнего вида материала и покрытия.

При оценке повреждаемости материалов (покрытий) важное значение имеет активность микроорганизмов, используемых в эксперименте. Активность СВБ определяют по индексу активности — времени появления черного осадка сульфида железа. В ряде работ отмечалось, что не все микроорганизмы, встречающиеся в природе, целесообразно использовать для испытаний биостойкости металлоконструкций. Ряд грибов из 24 видов, рекомендуемых ГОСТ 15151—69, ГОСТ 9.048—75—ГОСТ 9.052—75 в штаммах, культивируемых в лабораторных условиях (A. niger, P. chrysoge-num, Tr. lignorum и др.) и применяемых в качестве тест-культур для испытаний материалов на биостойкость, имеют пониженную активность по сравнению с теми же штаммами, свежевыделенными в реальных условиях [7, с. 61]. Поэтому для испытаний целесообразно применять последние. При использовании музейных культур необходимо депонировать их на средах, поддерживающих ферментативные свойства, или применять их после адаптации к соответствующему субстрату.

В связи с развертыванием широкого фронта работ по освоению ядерных источников энергии вопрос о стойкости материалов под облучением приобрел необычайную остроту. Это обусловлено прежде всего тем, что неполное понимание процессов, ответственных за радиационную повреждаемость материалов, сдерживает темпы развития данных направлений техники и, кроме того, для обеспечения необходимого «запаса надежности» заставляет эксплуатировать действующие реакторы в невыгодном режиме, при пониженных параметрах и т. д., что сопряжено с большими экономическими потерями. Так, по данным американских исследователей, ущерб американской экономики, обусловленный недостаточным пониманием явлений радиационной повреждаемости материалов, составит в 1982 г. свыше миллиарда долларов [4], если в этом вопросе не будет достигнут существенный прогресс. Приведенные данные свидетельствуют о том, что мы еще не всегда умеем оценивать должным образом экономическую эффективность работ по физике радиационных повреждений материалов, однако при их правильной постановке это, несомненно, очень выгодное вложение средств.

В табл. 2 сгруппированы все наиболее важные (из известных в настоящее время) явления радиационной повреждаемости материалов активных зон ядерных и термоядерных реакторов, расположенные в порядке убывания их значимости для проблемы промышленного освоения ядерных источников энергии.

При переходе от тепловых реакторов к быстрым и в будущем-к термоядерным реакторам значение данной группы явлений радиационной повреждаемости материалов не уменьшится, а возрастет. Это обусловлено, с одной стороны, тем, что переход к более энергонапряженным реакторам приводит к росту механических напряжений в элементах конструкции, а с другой — переход потребует работы материалов при потоках и флюенсах быстрых нейтронов, на два-три порядка более высоких, чем в случае тепловых реакторов. В этих условиях должны в значительно большей степени

По нашему мнению, следующим по значимости для промышленного освоения ядерных источников энергии явлением радиационной повреждаемости материалов следует назвать вакансионное распухание материалов конструкции реактора. Это явление в равной степени важно как для проблемы быстрых реакторов, так и для термоядерных реакторов.

Нам кажется, что в понятие имитации следует вкладывать более широкий смысл. Например, мы считаем, что весьма эффективно наряду с испытаниями на реакторах вести широкие исследования на ускорителях всего комплекса явлений радиационной повреждаемости реакторных материалов, а не только тех явлений, для изучения которых требуется набор больших доз смещений. Можно проиллюстрировать это несколькими примерами из наших работ. Мы изучаем на ускорителях в той или иной степени все перечисленные выше явления радиационной повреждаемости материалов. Характеристики используемых нами имитационных устройств приведены на рис. 1. Для сравнения на вертикальной оси отложены значения скоростей смещения, которые ожидаются в ТЯР и в быстром реакторе БРИГ-300. Из рисунка видно, что мы можем создавать дефекты со скоростями на три порядка большими, чем, например, в реакторе БРИГ-300.

Можно назвать ряд факторов, которые ограничивают достоверность полученных результатов,— ограниченность облучаемого объема и близость свободной поверхности (толщина облученного слоя при имитации вакансионного распухания обычно порядка 1 мкм), направленность ионного потока, неизбежные отличия в спектре первично выбитых атомов и т. д. Несмотря на серьезность, указанные ограничения не являются, по нашему мнению, принципиальными, так как всегда можно предложить опыт, который позволит повысить достоверность получаемых результатов. Однако ускоренные имитационные опыты имеют ограничение принципиального характера, не зависящее от устройства, на котором производится имитация. Оно сводится к следующему. Явления радиационной повреждаемости материалов, как правило, являются комплексными и складываются из целого ряда частных явлений, входящих в него как звенья. Процесс образования первично выбитых атомов — только одно из этих звеньев. При ускоренной имитации мы чаще всего воздействуем практически только на это звено. Для ускорения других звеньев общего процесса обычно при ускоренной имитации используется повышение температуры. Однако трудно ожидать, чтобы все явления, определяющие радиационную повреждаемость данного типа, обладали одинаковой энергией активации. Следовательно, повышение температуры изменяет относительный вклад отдельных явлений в общий процесс. Повышение температуры может также влиять на фазовую стабильность материала. Поэтому ускоренная имитация должна использоваться только для предварительного отбора материала. Основная роль должна всегда принадлежать пред-

В последнее время появилось много практических задач, указывающих на нарушение универсальности нормального закона распределения вероятностей. Ситуации, возникающие при изучении механических причин повреждаемости материалов в радиотехнике, деталей из стекла, сплавов, сталей, а также результаты усталостных испытаний, распределения дисбалансов и т. д., свидетельствуют о том, что многие параметры, рассматриваемые как случайные величины реальных процессов, имеют отличающуюся от нормальной, а зачастую даже не одновершинную функцию плотности вероятности. Поэтому возникает необходимость глубже исследовать причины происходящих явлений и попытаться дать новые теоретические схемы вероятностных расчетов.

Таким образом, в зависимости от максимальной температуры испытания существуют две характерные области повреждаемости материалов при коррозионно-тер- ьоо 500 БОО по воо ттах,"с МИЧеской усталости. До темпера- Рис. 60. Температурная зависимость тур, соответствующих максималь- показателя К для различных ста-ному значению коэффициента К, лей: окислительная среда ускоряет образование трещин и интенсифицирует ее распространение. При более высоких температурах окислительная среда, ускоряя образование трещин, замедляет интенсивность их роста и изменяет вид (см. рис. 59).

В уточненных расчетах передач, рабо тающих с большим общим числом циклов, учитывают слабый наклон правой ветви кривой усталости Велера. Расчет при переменном режиме нагружения усложняется дополнительным учетом повреждающих напряжений в зоне правой ветви кривой усталости.

Закономерности процесса накопления усталостных повреждений подвергаются исследованию прямыми и косвенными методами, т. е. путем сопоставления опытных данных при нестационарном переменном нагружении с феноменологическими гипотезами, с одной стороны, и измерением изменения твердости, акустической или магнитной проницаемости, с другой. Устанавливаются границы применимости простого линейного суммирования относительных долговечностей, оправдывающегося в основном для напряжений, превышающих предел усталости, и оценивается нижняя граница повреждающих напряжений, существенно меньшая исходного предела усталости. Для уровней напряжений, находящихся в окрестности предела усталости, накопление повреждения оказывается замедленным по сравнению с линейной гипотезой, и для ее использования предлагаются поправки, зависящие главным образом от формы спектра. Они оказываются особенно существенными для контактных напряжений. Наряду с использованием гипотез о накоплении повреждения используются свойства вторичных кривых усталости, получаемые для параметров типизированных спектров эксплуатационной нагруженное™. Эти результаты способствовали усовершенствованию расчета на усталость при нестационарном нагружении, отразив в ряде случаев существенную роль для запаса прочности части спектра напряжений ниже предела усталости.

Коэффициент запаса при нестационарной нагрузке согласно выражению (1.32) аналогичен коэффициенту запаса при стационарной нагрузке. Для спектрального режима он показывает, во сколько раз можно повысить (потенциально) общий уровень напряжений спектра или при той же нагрузке уменьшить момент сопротивления детали, чтобы коэффициент запаса по долговечности при нестационарной нагрузке стал равным единице. Вычисление запаса прочности по напряжениям целесообразно тогда, когда эксплуатационный режим нестационарный, но напряжения в основном не-превышают нижней границы повреждающих напряжений.

Источником ошибок при расчете является неопределенность границ напряжений, при которых принятая гипотеза справедлива. Формально эти ошибки вносятся в расчет при выборе параметров I и k (формулы (1.28) — (1.31)). Границы повреждающих напряжений определяются согласно принятой гипотезе. Естественными границами для вычисления повреждения могут быть границы спектра эксплуатационных нагрузок, если они попадают в область повреждающих напряжений. Однако спектры эксплуатационных нагрузок в основном состоят из малых значений амплитуд и лишь небольшую их часть составляют повреждающие нагрузки. По условиям статистической обработки эти участки спектра не разделяются. Они описываются общей аналитической зависимостью Ф'(а), как правило, выходящей за пределы повреждающих напряжений. В области перехода от неповреждающих напряжений к повреждающим Ф'(а) является очень быстро убывающей функцией. При больших значениях <т это убывание имеет асимптотический характер. Если кривая усталости N(a) представляет собой функцию, убывающую более медленно, чем Ф'(с) в области перехода (что чаще всего бывает в реальных деталях), результаты расчета ресурса оказываются существенно зависимыми от величины параметра k. С физической точки зрения это означает, что накопление повреждения происходит в основном вследствие большого числа циклов эксплуатационной нагрузки, незначительно превышающей нижнюю границу повреждающих напряжений (или напряжений, способствующих развитию усталостной трещины). Поскольку эта граница очень влияет на результат расчета, необходимо точно ее определить.

Определение границ повреждающих напряжений при программных испытаниях на усталость важно не только для расчетов, но и для методики составления программ стендовых испытаний на служебную выносливость достаточно сложных конструкций. Для форсирования испытания проводятся по усеченным спектрам эксплуатационной нагрузки, обычно по спектрам, не содержащим нагрузок малой величины. Актуальность определения нижней границы повреждающих напряжений для таких испытаний очевидна.

метрами a-i=710 дан/см2; Л^0=1-106; /п = 3,6. Ориентировочно долговечность элемента, вычисленная по зависимостям линейного суммирования повреждений, составляет nc —107 циклов. Нижнюю границу повреждающих напряжений (Татш примем равной 0,7 ff-i, или 500 дан/см2. Для определения верхней границы вос-

Если основываться на результатах1 исследований сопротивления усталости в условиях стационарных режимов асимметричного нагружения (при г> —1), необходимо принять, что статические нагрузки, вызывающие снижение характеристик сопротивления усталости при стационарных режимах, будут также cnoco6cfBOBaTb снижению границы повреждающих напряжений и при программируемых режимах. Это условие можно записать в виде

роль в накоплении повреждения напряжений ниже исходного предела усталости и отдельных этапов процесса усталостного разрушения (до и после появления макротрещины). Первые результаты таких исследований показали преимущество поэтапного изучения влияния различных факторов на нижнюю границу повреждающих напряжений спектра [2, 3, 6]. До настоящего времени остается невыясненным вопрос о влиянии форм спектров, которые в зависимости от условий эксплуатации. конструкций могут быть различными, на закономерности усталостного повреждения. • Экспериментально не проверены степень повреждающего действия малочисленных, но значительных по величине перегрузок и возможность расчетной его оценки. Аналитический расчет, выполненный на основе линейной интерпретации накопления усталостного повреждения, показывает, что степень повреждающего действия обычно не велика, вместе с тем воспроизведение редко встречающихся перегрузок при практической реализации дискретной программы существенно усложняет методику испытаний и испытательное оборудование в связи с трудностями точной дозировки малого числа циклов одинаковых напряжений на больших частотах возбуждения.

Выполненные в последнее время работы [9, 10, 11] свидетельствуют о существовании 'взаимодействия между напряжениями различной величины (при случайном их чередовании), а также о существовании нижней границы повреждающих напряжений спектра, распространяющихся ниже исходного предела усталости. Авторы указанных выше работ экспериментально _ подтвердили справедливость предположения о том, что недогруз^ ки.в период развития трещины становятся активными и участвуют в накоплении повреждения. Следует ожидать, что дальнейшие исследования в этом направлении внесут коррективы в методику расчетов на усталость при нестационарных режимах нагружения в зависимости от способа ведения расчета (по критерию трещинообразования или по критерию разрушения). Вместе с тем работ, посвященных изучению кинетики усталостного разрушения, сравнительно немного, что, по-видимому, объясняется отсутствием надежной и доступной аппаратуры для наблюдения за ростом трещин усталости.

Здесь cramax — максимальная амплитуда программного блока; аа{ — i'-я амплитуда программного блока; 0 < ka < 1 •— постоянное число, определяющее нижнюю границу повреждающих напряжений; амплитуды Gai < &а0_1Д не оказывают влияния на процесс усталостного разрушения и не учитываются при вычислении сумм, входящих в формулы (5.33), (5.34) (по опытным данным можно принять ka = 0,5).

В табл. 2.14 представлены значения случайных чисел, смоделированных случайных величин и расчетные ресурсы детали с учетом и без учета верхней границы повреждающих напряжений. Величины ресурсов Li (при N = 30) были систематизированы в виде функции распределения и нанесены на вероятностную бумагу логарифмически нормального закона (рис. 2.17). Дальнейшая статистическая обработка LI производится с помощью гв/ методов, изложенных в гл. 1.