Сапунов Прогнозирование ползучести и длителноы прочности 2015

Для оценки состоятельности уравнений(1.3) - (1.5) использованы результаты эксплуатационных измерений ползучести металла трубы стали марки 15Х1М1Ф с соответствующими структурами(в исходном состоянии). Получено, что расчетные величины деформации, накопленные за соответствующее время, превышают результаты эксплуатационных измерений всего на доли процента.

Обработка результатов испытаний одной партии стали 12Х1МФ с бейнитной структурой, позволила получить уравнение состояния в виде

e0 = 0 , то уравнение примет вид

Аналогичный анализ данных, полученных при исследовании металла труб из стали 15ХМ и 12МХ после длительной эксплуатации, показал, что с помощью уравнения типа(1.2) можно прогнозировать закономерность роста пластической деформации ползучести после 200 тыс. ч эксплуатации. В этом случае за нижний предел интегрирования уравнения типа (1.2)

следует принимать величину деформ, нациикопленной за предшествующее время эксплуатации.

Таким образом, проведенный анализ показал, что с помощью уравнений типа (1.2) можно описать основные закономерности ползучести жаропрочных марок сталей энергетического машиностроения и проводить оценку величины деформации ползучести металла для многих элементов энергоустановок.

21

1.3. Ползучесть и разрушение в условиях постоянных нагрузок и температур

Длительные испытания металлических материалов на базе до 100 тыс.ч ведутся практически во всех промышленно развитых странах с целью получения характеристик жаропрочности путем прямого эксперимента. Указанные результаты опубликованы в справочной и периодической литературе и могут быть использованы для проверки существующих и вновь разрабатываемых методов длительной экстраполяции жаропрочности.

Вметаллических материалах при высоких температурах и длительном воздействии нагрузки непрерывно протекают физико-химические процессы, определяющие их способность сопротивляться деформированию и разрушению в зависимости от природы материала и внешней среды.

Внастоящее время еще не представляется возможным прогнозировать во времени изменение структурного состояния материала в конкретных условиях службы в зависимости от количественного и качественного -со става химических элементов и образуемых ими соединений. Поэтому новые жаропрочные материалы и способы прогнозирования их работоспособности создаются подбором соответствующих элементов в первом случае и функциональных зависимостей между временем, напряжением и

температурой - во втором.

Эмпирические уравнения ползучести обладают большой«долгоживучестыо», так как при всей своей простоте дают возможность решать частные задачи с достаточной для практики точностью. Промежуточное положение между эмпирическими и физическими подходами в изучении ползучести занимают феноменологические модели, обладающие достаточной простотой и позволяющие обобщить основные характеристики явления, обеспечивая возможность использования теории в инженерной практике.

Утверждается, что описать процесс ползучести во всех диапазонах напряжений одними и теми же константами невозможно. Необходимо искать пути и принципы, позволяющие выделить отдельные группы материалов, для которых должны развиваться неодинаковые способы прогнозирования жаропрочности. Часто вследствие той или иной математической обработки данные испытаний трактуют как реальный физический эффект, тогда как это неизбежный результат лишь математических преобразований. Считается, что полное описание процессов ползучести для сложнолегированных сталей и сплавов с учетом многообразия физических явлений,

22

вызывающих изменение механизмов деформирования во времени, оказывается не только невозможным, но и бесплодным.

В жаропрочных металлических материалах при длительных высокотемпературных испытаниях или эксплуатации одновременно действуют несколько механизмов деформирования и разрушения. В зависимости от напряжения и времени действия нагрузки на процесс повреждения материала могут оказывать превалирующее влияние те или иные механизмы, вызывая соответствующий тип разрушения(внутриили межзеренное). Поэтому аналитические зависимости с постоянными значениями определяющих констант нельзя использовать для достоверного описания ползучести и длительной прочности не только в широком температурномин тервале, но и при одном уровне температуры в большом диапазоне длительностей разрушения (до 100 тыс. ч).

Многообразие законов сопротивления длительному разрушению и ползучести для металлов подробно изложено в ряде монографий и указывает на сложность проблемы создания приемлемой теории ползучести металлических материалов.

Не повторяя известных положений, связанных с временными аспектами прочности и пластичности, остановимся на тех экспериментально установленных и проверенных фактах, которые будут необходимы для обос-

нования некоторых подходов к вопросам прогнозирования длительной прочности и ползучести металлических материалов.

На рис. 1.6 приведены диаграммы длительной прочности хромоникельмолибденовой стали (T = 500 °С) в логарифмической (ломаная прямая 1) и полулогарифмической (2) системах координат. Точками различной конфигурации показаны экспериментальные результаты.

Рис. 1.6

23

Точка перелома sа на диаграмме длительной прочности1 имеет конкретный физический смысл и разделяет результаты испытаний на две области превалирующего влияния механизмов деформирования и разрушения - до 300 и ниже 300 МПа.

Диаграмма длительной прочности2 в полулогарифмических координатах также имеет перелом, но в точке sв . Однако эта точка в данном случае физического смысла не имеет, так как не связана с разделением областей с разными механизмами разрушения. Таким образом, выбор полулогарифмической системы координат для аппроксимации результатов испытаний указанной стали физически несостоятелен.

Диаграммы длительной прочностисплава инконель 718, приведенные на рис. 1.7, аппроксимированы в логарифмической системе координат прямолинейными отрезками с точками переломов. Результаты испытаний сопровождались металлографическим анализом структурного состояния материала после разрушения с установлением областей раздела с различающимися типами разрушения (по линии а-а).

Рис. 1.7

При аппроксимации опытных данных для этого же сплава при температуре 649 °С в логарифмической и полулогарифмической системах координат можно получить, что точки перелома для обеих диаграмм практически совпадают и для обеих систем координат

24

имеют физический смысл, так как определяют границу перехода от одного типа разрушения к другому

Для хромомолибденованадиевой стали закономерность развития деформации до разрушения во всем исследованном интервале напряжений одинакова и имеет такой же характер, как и для стали, результаты испытаний которой представлены на рис. 1.6 до напряжения 300 МПа. Возможно, что с увеличением продолжительности испытаний деформация при разрушении хромомолибденованадиевой стали будет возрастать так же, как и у хромоникельмолибденовой. Для подтверждения этого положения необходимы результаты испытаний этой же стали при более высоких температурах на базе, значительно меньшей 10 тыс. ч.

Вид диаграммы длительной прочности в значительной степени зависит от выбранного масштаба графика и не определяет физическую сущность процесса в целом. Независимо от формы диаграммы необходимо выделять области с разными типами разрушения и разными действующими механизмами, определяющими тип разрушения. Только в пределах таких областей можно предполагать существование корреляционных связей между макрохарактеристиками жаропрочности, основанных на единстве исходных предпосылок.

С феноменологической точки зрения любая диаграмма длительной прочности может быть аппроксимирована степенной функцией с различающимися для каждой области типов разрушения численными значениями коэффициентов. При строгом физическом подходе к описанию диаграмм длительной прочности необходимо конструировать принципиально различные по своей сущности уравнения для каждой из областей с разными типами разрушения и разными механизмами деформирования.

1.4. Экстраполяция экспериментальных данных для одного уровня температуры

Для экстраполяции характеристик длительной прочности на заданный срок службы необходимо располагать экспериментальными данными с продолжительностью, не более чем в 10 раз меньшей времени, на которое ведется экстраполяция. Так, для прогнозирования жаропрочности на 100 тыс. ч принято считать достаточными результаты испытаний на базе, ограниченной 10 тыс. ч с учетом статистики. Такая продолжительность

25

длительных испытаний (год и 52 суток) приемлема при создании новых изделий с учетом разработки технического проекта, изготовления и испытания нового опытного образца машины и ее доводки. Однако, как показано выше, результаты испытаний при одном уровне температуры и значительно большей продолжительности не позволяют осуществить достоверное прогнозирование в область других механизмов деформирования, приводящим к иным типам разрушения, поскольку такие экспериментальные данные не содержат информации о том, как будет вести себя материал в новых условиях. Необходимо располагать данными для более высоких температур по сравнению с той, для которой следует провести экстраполяцию.

Анализ имеющихся в литературе экспериментальных данных и опыт эксплуатации ряда теплоустойчивых сталей при температурах, не превышающих 550 °С, свидетельствуют о том, что диаграммы длительной прочности таких сталей на базе до 100 тыс. ч в логарифмической системе координат аппроксимируются близкими к прямым либо плавными кривыми линиями с малой кривизной. Именно это явилось причиной широкого распространения различного рода функциональных зависимостей, связывающих напряжение и время до разрушения, а также попытки их применения для более высоких температур и, что совершенно неоправданно, для новых материалов, по которым нет опыта длительной эксплуатации и отсутствуют экспериментальные данные на базе, соизмеримой с ресурсом службы изделия.

Для аппроксимации прямолинейных диаграмм длительной прочности в логарифмической системе координат применяют степенную зависимость

где B и m - постоянные коэффициенты, значения которых определяются на основании диаграммы длительной прочности при ограниченной(например, до 10 тыс. ч) базе испытаний. В дальнейшем прогнозирование осуществляется по приведенному уравнению с установленными значениями коэффициентов.

Для прямолинейной аппроксимации диаграмм длительной прочности в полулогарифмической системе координат применяют экспоненциальную зависимость

26

где A и g - постоянные коэффициенты, определяемые так же, как и постоянные B и m .

В некоторых работах отмечается, что в полулогарифмической системе координат диаграммы длительной прочности в общем случае имеют вид S -образных кривых. Если исключить первый участок диаграммы, который можно построить по экспериментальным данным малой продолжи-

тельности, то для аппроксимации оставшихся двух участков можноис пользовать две экспоненты:

t = Ae-g1s и t = A e-g2s ,

где g1 и g2 - характеристики углов наклона первой и второй экспонент в полулогарифмической системе координат.

На основании анализа большого количества диаграмм длительной прочности установлены эмпирические соотношения, позволяющие определить точку пересечения экспонент и угол наклона второй экспоненты по известному углу наклона первой:

P = 4 , C = 2 ; для сплавов на хромоникелевой основе- P = 2, C = 2,5.

В практике обработки результатов испытаний на длительную прочность используют, как правило, логарифмическую систему координат, в которой диаграммы представляются в виде кривых. Для их аналитической аппроксимации, как правило, используют зависимость, состоящую из про-

27

Коэффициентам этой зависимости a , b и c часто приписывают определенный физический смысл или называют их константами материала, зависящими от температуры и напряжения, в то время как они являются лишь коэффициентами формы кривой (диаграммы) на том участке, на котором они определены. Однако для материалов с высокой структурной стабильностью прогнозы, выполненные с использованием зависимости, состоящей из произведения степенной и экспоненциальной функций типа (1.9), достаточно достоверны.

В литературе можно найти работы по анализу возможностей известных методов экстраполяции и их различных модификаций с выводами о преимуществах того или иного подхода. Следует отметить, что все достаточно известные методы и их модификации дают отклонения по напряжению (в сопоставлении с экспериментом) в пределах 20 - 40 % . По времени до разрушения отклонения намного больше. Более того, один и тот же метод для разных материалов может давать разные отклонения экстраполируемых характеристик, поскольку диаграммы длительной прочности для них имеют разную форму.

На настоящее время считается, что во всех случаях при выборе методов прогнозирования предпочтение следует отдавать темпера- турно-временным зависимостям.

1.5.Расчетные методы прогнозирования ползучести

идлительной прочности

Надежность определения срока безаварийной работы элементов

энергетических установок является величина условного предела - дли тельной прочности. Срок службы корректируется временем накопления допустимой величины деформации ползучести, которая в одних случаях определяется особенностью конструкции, в других - особенностями

28

материала. Бесспорным является мнение о том, что работоспособность элементов конструкции, изготавливаемых из жаропрочных материалов, определяется не только сопротивлением разрушению при ползучести, но и деформационной способностью, т. е. величиной деформации ползучести при длительном разрыве. Использование материалов с пониженной деформационной способностью может привести к преждевременным, по сравнению с расчетом, разрушениям. В настоящее время отсутствуют общепризнанные рекомендации по величине допустимой деформации ползучести с учетом особенностей марки стали и ее исходного состояния, а также требования по величине допустимой деформации ползучести при

длительном разрыве, гарантирующие безаварийную работу в реальных условиях эксплуатации различных элементов энергоустановок.

Оценку всего комплекса характеристик прочности и ползучести материалов проводят по результатам выборочных испытаний, так как

неоднородность свойств промышленных партий металла приводит к рассеянию результатов испытаний, что еще в большей степени увеличивает минимально необходимое количество испытаний. В связи с этим решение задачи оценки характеристик жаропрочности материалов с большими сроками службы проводят на основании прогноза, основанного на статистической обработке опытов.

Экстраполяция на расчетный срок службы по результатам испытаний ограниченной длительности оправдана только в том случае, когда в пределах прямых экспериментов закономерности ползучести, механизмы деформирования и сопутствующего разрушения идентичны механизмам, определяющим поведение материала в условиях эксплуатации. Развития

соответствующих физических процессов в рамках доступны экспериментов обычно добиваются повышением, по сравнению с рабочей, температуры испытания. В этом случае для прогноза используют температурно-силовые зависимости характеристик жаропрочности.

сформулировать некоторые представления о его природе. В результате многочисленных испытаний и анализа полученных данных была сформулирована кинетическая концепция процесса разрушения твердых

29

тел, утверждающей, что основой разрушения является последовательность элементарных актов распада межатомных связей, в которой тепловое движение атомов играет значительную роль. На основании этого был сделан вывод, что в процессе механического разрушения твердых тел тепловое движение играет такую же важную роль, как и нагрузка.

В твердом теле флуктуации энергии атомов приводят к разрывам межатомных связей и перегруппировкам атомов. Эти термофлуктуационные процессы могут происходить как в нагруженном теле, так и ненагруженном. Действие же механических напряжений существенно изменяет скорости этих процессов и обусловливает их направленность, препятствуя рекомбинации.

Последователями школы .СН. Журкова1 выдвинута кинетическая

межатомных связей. Согласно этой концепции процесс длительного разрушения металлических материалов предлагается описывать экспоненциальной зависимостью. Соответственно для времени разрушения при

численно близка к периоду тепловых колебаний атомов в твёрдых телах.

1 Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел// Изв. АН

СССР. Сер. Неорган. материалы. 1967. Т. 3. № 10. С. 1767 - 1775.

30