НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ФІЗИКО-МЕХАНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ім. Г.В. КАРПЕНКА

БІЛИЙ

Орест Левкович

УДК 620.191.33

ОЦІНКА ТРІЩИНОУТВОРЕННЯ БІЛЯ КОНЦЕНТРАТОРІВ НАПРУЖЕНЬ

ЗА ЦИКЛІЧНОГО НАВАНТАЖЕННЯ СТАЛЕЙ

В КОРОЗІЙНИХ СЕРЕДОВИЩАХ

01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка НАН України

Науковий керівник: | член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук

ДМИТРАХ Ігор Миколайович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В.Карпенка НАН України, (м. Львів),

завідувач відділу фізичних основ руйнування та міцності матеріалів

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, старший науковий співробітник

ОРИНЯК Ігор Володимирович,

Інститут проблем міцності ім. Г.С.Писаренка НАН України, (м. Київ),

завідувач відділу фізичних основ міцності та руйнування

доктор технічних наук, професор

НИКИФОРЧИН Григорій Миколайович,

Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, (м. Львів),

завідувач відділу корозійно-водневої деградації та захисту матеріалів

Провідна установа: | Інститут прикладних проблем механіки і математики

ім. Я.С. Підстригача НАН України,

відділ механіки деформівного твердого тіла, м. Львів

Захист відбудеться “ 16 ” березня 2005 р. о 16 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .226.02 у Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Фізико-механічного інституту ім. Г.В. Карпенка НАН України за адресою: 79601, м. Львів, МСП, вул. Наукова, 5.

Автореферат розіслано “ 11 ” лютого 2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради | ПОГРЕЛЮК І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Оцінка залишкового ресурсу та продовження безпечної роботи відповідальних конструкцій і технологічного обладнання є на сьогоднішній день актуальною науково-технічною задачею. Технічна діагностика та інженерний досвід засвідчують, що в таких об’єктах зростає число, так званих, нетрадиційних пошкоджень, які не прогнозувалися нормативними інструкціями та документами і виникають внаслідок тривалої роботи устаткування або різноманітних відхилень від експлуатаційних режимів. Такі пошкодження в більшості мають корозійно-механічну природу і виникають, у першу чергу, в місцях підвищеної концентрації напружень, що спричинена конструктивними особливостями або технологією виготовлення деталі чи вузла.

Експлуатаційна практика засвідчує, що власне в цих місцях і виникають основні поломки та руйнування конструктивних елементів. При цьому за фізичною природою такі процеси руйнування є багатостадійними локалізованими процесами зародження та розвитку тріщиноподібних дефектів до критичних розмірів. Тут визначальне значення мають фізико-хімічні чинники локальної взаємодії напруженого металу та робочого середовища, які принципово змінюють кінетику пошкоджуваності матеріалу та прискорюють процес його руйнування в десятки разів.

Аналіз літературних даних, присвячених дослідженню корозійно-механічної пошкоджуваності та руйнуванню металевих конструкційних матеріалів біля концентраторів напружень, показав, що є недостатній розвиток підходів і методик, які б враховували специфіку локальної взаємодії корозійно-агресивних середовищ з деформованим металом. Ця обставина стримує розробку адекватних розрахункових схем для оцінки періоду зародження та кінетики розвитку тріщиноподібних дефектів від конструктивних і технологічних концентраторів напружень різного типу. Окрім цього є затруднена достовірна оцінка потенційної небезпеки експлуатаційних концентраторів напружень, якими є різноманітні корозійно-механічні пошкодження типу виразок, пітингів та інших.

У зв’язку з цим оцінка тріщиноутворення біля концентраторів напружень за циклічного навантаження сталей в корозійних середовищах є актуальною науковою та прикладною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота пов’язана з наступними науково-дослідними темами, які виконувалися у Фізико-механічному інституті ім. Г.В. Карпенка згідно тематичних планів Національної академії наук України і в яких дисертант був виконавцем:

· тема НД-10/167 “Дослідження характеристик фізико-хімічних процесів руйнування деформованих металів при локальній взаємодії з робочими корозійними середовищами” ( номер державної реєстрації – U003370);

· тема НД-10/208 “Дослідження та оцінка процесів корозійного руйнування зварних з’єднань різної геометрії на основі розгляду локальних синергетичних чинників концентрації напружень та робочого середовища в зоні зварного шва” (номер державної реєстрації – U004860).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є оцінка зародження та розвитку тріщиноподібних дефектів біля концентраторів напружень різного типу (конструктивні, технологічні, експлуатаційні) на основі розроблених модельних схем, що враховують специфіку локальної взаємодії корозійних середовищ з деформованим металом.

Досягнення поставленої мети вимагало вирішення наступних задач:

· запропонувати модельні схеми, що відображають вплив фізико-хімічних чинників взаємодії середовища та деформованого металу біля концентраторів напружень різного типу (напівколовий виріз, зварне з’єднання, корозійна виразка);

· обґрунтувати базові параметри та модифікувати експериментальні методики корозійно-механічних випробовувань для дослідження локальних процесів корозійно-втомного руйнування матеріалу біля концентраторів напружень;

· експериментально встановити стадійність та характеристики корозійно-втомного тріщиноутворення біля концентраторів напружень у конструкційних сталях на прикладі напівколового концентратора напружень, Т-подібного зварного з’єднання та з’єднання “антикорозійна наплавка – корпусна сталь”;

· розробити аналітично-експериментальні методи оцінки локальної корозійно-механічної міцності матеріалу біля концентраторів напружень із урахуванням специфіки їх природи;

· застосувати одержані результати для інженерних оцінок міцності та довговічності реальних конструктивних елементів.

Об’єкт дослідження: процеси руйнування зразків із конструкційних сталей, що містять концентратори напружень різного типу в умовах сумісної дії циклічних навантажень та корозійних середовищ.

Предмет дослідження: характеристики та критерії корозійно-механічного тріщиноутворення біля концентраторів напружень різного типу із врахуванням специфіки локальної взаємодії корозійного середовища та деформованого матеріалу.

Методи дослідження. Методологічною основою роботи є фізико-хімічна механіка руйнування конструкційних металів та сплавів:

· методами експериментальної механіки руйнування матеріалів визначались часові залежності росту тріщиноподібних дефектів від параметрів прикладеного навантаження та фізико-хімічних умов випробувань;

· поєднанням методів механічних випробувань матеріалів та стандартних електрохімічних вимірювань визначались базові параметри локальних корозійних процесів в залежності від напружено-деформованого стану матеріалу та тривалості випробувань;

· на основі фундаментальних співвідношень механіки деформівного твердого тіла із застосуванням методу скінчених елементів визначався локальний розподіл напружень біля напівколового вирізу;

· методами пластичних реплік встановлювались особливості зародження та розвитку тріщин на поверхні напівколового концентратора напружень;

· методами механіки руйнування визначались кінетичні діаграми росту корозійно-втомних тріщин у досліджуваних матеріалах за різних фізико-хімічних умов випробування.

Наукова новизна одержаних результатів. У дисертації розроблені та апробовані методи оцінки міцності сталей біля концентраторів напружень різного типу, які враховують фізико-хімічну взаємодію матеріалу з корозійним середовищем. У цих рамках запропоновано критерій зародження корозійно-втомної макротріщини з поверхні напівколового концентратора напружень, що полягає в реалізації деякої критичної комбінації локального ефективного напруження в зоні процесу та густини струму електрохімічного розчинення металу на його деформованій поверхні. На основі кінетики росту корозійно-втомної тріщини запропонована та апробована аналітична залежність для оцінки довговічності Т-подібного зварного з’єднання з асиметричним швом, що є функцією розмаху прикладених циклічних напружень і параметрів електрохімічного розчинення металу в зоні зварного шва. Розроблений аналітичний метод прогнозування розвитку корозійної виразки (як потенційного концентратора напружень) в тришаровому матеріалі, що базується на закономірностях зміни густини корозійних струмів в околі виразки, розрахованих за запропонованим методом еквівалентного електрода.

Практичне значення одержаних результатів. У роботі запропонована оцінка безпечного періоду експлуатації пошкоджених трубчатих елементів пароперегрівачів енергоблоків за максимумом на діаграмі “густина поверхневих тріщин – число циклів навантаження”. Здійснена експериментально-аналітична оцінка корозійно-втомної довговічності Т-подібних зварних з’єднань з асиметричним швом, виготовлених з листових середньоміцних сталей. Побудовані узагальнені діаграми циклічної корозійної тріщиностійкості з’єднання “антикорозійна наплавка – корпусна сталь”, що містять базові дані про опір поширенню тріщини як в компонентах з’єднання, так і в зонах їх сплавлення, що є основною при розробці інженерно-технічних заходів для запобігання їх корозійно-механічних пошкоджень в умовах довготривалої експлуатації.

Особистий внесок здобувача. Основні результати та положення, які становлять суть дисертації, отримані автором самостійно. У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: в [1, , , ] – реалізація експериментів та узагальнення одержаних даних; [7] – одержання експериментальних даних про зародження та розвиток корозійно-втомних тріщин у зварних з’єднаннях і розрахунок на цій основі їх довговічності; [6] – чисельна перевірка модельної схеми для оцінки довговічності зварних з’єднань в умовах корозійної втоми; [2, ] – одержання аналітичних співвідношень, придатних для безпосередніх практичних розрахунків, а також аналітичні дослідження закономірностей зміни густини корозійного струму в циліндричній виразці в з’єднанні “двошарова антикорозійна наплавка – корпусна сталь”.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації були представлені на ІІ-й Міжнародній конференції “Механіка руйнування та міцність конструкцій” (Львів, 1999 р.); міжнародній конференції “Нові тенденції в дослідженнях втоми та руйнування” (Метц, Франція 2002 р.); на ІV та VI міжнародних конференціях “Проблеми корозії та протикорозійного захисту матеріалів” (Львів, 1998 і 2002 р.), а також на відкритих науково-технічних конференціях молодих науковців і спеціалістів: КМН-2000 (Львів, 2000 р.), “Інструмент-2000” (Львів, 2000 р.) та КМН-2003 (Львів, 2003 р.), де автор особисто доповідав одержані результати.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 праць, з них 6 у фахових виданнях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, переліку літературних джерел (121 найменування) і додатку. Загальний обсяг роботи становить 150 сторінок, в тому числі 60 рисунків, 21 таблиця.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі проаналізовано стан проблеми дослідження корозійно-механічної пошкоджуваності та руйнування металевих конструкційних матеріалів біля концентраторів напружень, обґрунтовано актуальність вибраної теми, сформульовано мету дослідження та задачі для її досягнення, показано наукову новизну, практичне значення та апробацію результатів дисертації.

У першому розділі зроблено огляд літератури, який висвітлює специфіку локалізованих процесів руйнування конструкційних матеріалів за одночасної дії механічних навантажень та корозійних робочих середовищ. Наведено основні визначення та положення механіки руйнування матеріалів у корозійних середовищах. Проведено критичний аналіз сучасного стану проблеми зародження та росту корозійно-механічних дефектів біля концентраторів напружень різних типів. Запропоновано схематичну класифікацію концентраторів напружень і, на цій основі, окреслено коло питань, актуальних до вирішення.

Другий розділ присвячений розробці модельних схем взаємодії середовища з деформованим металом біля концентраторів напружень різних типів, а саме: біля напівколового вирізу, як прикладу конструктивного концентратора напружень; зварного шва, як типового технологічного концентратора напружень; корозійної виразки, як прикладу експлуатаційного концентратора напружень.

Для оцінки напружено-деформованого стану матеріалу біля напівколового концентратора напружень (рис. ) найбільш адекватним є застосування пружно-пластичних підходів. Тому з фізичної точки зору, а також враховуючи необхідність розгляду процесів взаємодії деформованого матеріалу та корозійного середовища, нами був використаний так званий “об’ємний підхід”, який постулює існування деякого об’єму матеріалу, в якому, власне, і відбувається початок руйнування (“зона процесу”).

Цей підхід приводить до двопараметричного критерію процесу руйнування матеріалу. Перший параметр – це ефективна відстань , яка визначає протяжність зони процесу по координаті x. Другий параметр – це так зване “ефективне напруження” , яке визначається, як деяке усереднене напруження, що діє в зоні процесу. Його обчислення побудоване на знанні поля напружень біля вершини концентратора, а також форми і розмірів зони процесу. В загальному вигляді співвідношення для визначення можна записати в наступному вигляді:

, (1)

де  – розтягуючі напруження в напрямку осі ;  – віддаль від вершини надрізу;  – відносний градієнт напружень, що визначається з виразу:

. (2)

Параметр  визначається як віддаль, що відповідає мінімуму відносного градієнту напружень . Таким чином, локальний механічний стан матеріалу біля концентратора напружень в розглянутому випадку буде характеризуватися двома параметрами: та . |

Рис. . Схематичне представлення основних фізико-хімічних чинників, що визначають стан матеріалу біля

напівколового концентратора напружень.

Корозійну ситуацію на поверхні напівколового вирізу будемо характеризувати значенням електродного потенціалу E та густиною струму електрохімічного розчинення металу i, що є функціями прикладених напружень (рис. 1).

Сукупність механічних (, ) та електрохімічних параметрів (значення електродного потенціалу Е, густина струму електрохімічного розчинення металу і) описує фізико-хімічну ситуацію матеріалу і служить за основу при розробці критерію зародження корозійно-втомної макротріщини з поверхні напівколового концентратора напружень.

У розділі також запропоновано модельну схему зварного з’єднання, як специфічного типу технологічного концентратора напружень, в умовах електрохімічної корозії металу. На її основі показано, що зародження корозійно-втомної макротріщини довжиною а=а0 в зоні процесу можна описати за допомогою зазначених вище параметрів шляхом врахування впливу зварного шва його заміною на еквівалентний напівколовий концентратор напружень та описом фізико-хімічного стану зони процесу для заданої системи „матеріал-середовище”, а саме параметрами: електродним потенціалом металу в зоні зварного шва E та густиною струму електрохімічного розчинення металу і:

, (3)

де Cj – деякі константи системи “матеріал – середовище”; N – число циклів навантаження.

Як потенційний концентратор напружень було розглянуто корозійну виразку на деформованій поверхні металу у формі циліндра радіуса r0 та висоти h (рис. ). При цьому вважали, що виразка буде розвиватися переважно в глибину матеріалу, тобто поверхня матеріалу і стінки виразки умовно будуть пасивними (поверхня 1), а матеріал дна виразки – активним (поверхня 2). За основний параметр, що описує ситуацію в околі корозійної виразки, взяли густину корозійного струму і. Прийнявши анодне розчинення металу як домінантний механізм росту корозійної виразки, вважаємо, що електрохімічна ситуація в її околі буде визначатись наступними параметрами (див. рис. ): сукупністю електродних потенціалів Е та поляризаційних опорів b на поверхнях І та ІІ, а також  – питомою електропровідністю корозійного середовища. |

Рис. . Схема корозійної виразки на деформованій поверхні металу.

Слід зауважити, що оскільки дно виразки є зоною підвищеної концентрації напружень, то для деформованої поверхні металу відповідні електрохімічні параметри будуть функціями напруженого стану матеріалу, тобто: E2(), b2k(), b2a(). Таким чином, в загальному випадку густина корозійного струму в околі виразки буде описуватися деяким функціоналом від наступних параметрів:

. (4)

Рішення задачі зводиться до встановлення залежності (4) для конкретних випадків. У даному розділі, використовуючи метод еквівалентного електрода, була запропонована аналітична процедура визначення густини корозійного струму для циліндричної виразки. В подальшому це слугувало основою для прогнозування розвитку в часі таких виразок, як потенційних концентраторів напружень, у з’єднанні “двошарова антикорозійна наплавка – корпусна сталь”.

Третій розділ містить методики та результати експериментальних досліджень корозійного руйнування біля концентраторів напружень. Тут використано ряд спеціальних дослідних установок для експериментального дослідження процесів корозійно-втомного руйнування. В залежності від досліджуваного об’єкту (напівколовий концентратор напружень, зварний шов, поверхнева корозійна виразка) були використані різні сталі та сплави. Цей вибір був здійснений, виходячи із реальних прототипів досліджуваних об’єктів, які зустрічаються в інженерній практиці.

Дослідження корозійного руйнування матеріалу біля напівколових концентраторів напружень були виконані на зразках зі сталі , а корозійним середовищем слугував 3%-ний розчин NaCl в дистильованій воді. У результаті була встановлена стадійність та особливості утворення макротріщини з його поверхні.

Процес утворення макротріщини можна умовно розділити на дві стадії: утворення поодиноких тріщин характерної довжини a* і зростання їх густини q до деякого критичного значення q=q* (перша стадія); друга стадія – це інтенсивний ріст і злиття поверхневих корозійно-втомних тріщин, що призводить до утворення макротріщини. Окрім цього показано, що поверхня концентратора є більш корозійно пошкодженою при випробуваннях в умовах (E=-400 мВ) активного анодного розчинення, ніж при випробуваннях в умовах (E=-600 мВ) вільної корозії. Це підтверджує положення, що електрохімічне розчинення металу відіграє визначальну роль на всіх стадіях процесу корозійно-втомного руйнування матеріалу з поверхні напівколового концентратора напружень. Також слід відмітити, що для досліджених випадків стадія І складає близько 60%, а стадія ІІ – % від загального періоду утворення корозійно-втомної макротріщини біля вершини концентратора напружень (рис. ). |

Рис. . Значення числа циклів навантаження N в залежності від параметра та характерні стадії корозійно-втомного руйнування матеріалу на поверхні напівколового концентратора напружень: а – стадія І; б – стадія ІІ.

Дослідження зварного шва були виконані на зразках з Т-подібного з’єднання з асиметричним швом. Матеріалом зразків були листові вуглецеві сталі з різною границею міцності: Е36 (0,2=390 МПа; b=550 МПа) та HLE (0,2=560 МПа; b=630 МПа). Тут за корозійне середовище служила дистильована вода.

Встановлені кінетичні залежності зародження та розвитку корозійно-втомних тріщин біля вершини такого технологічного концентратора напружень за найбільш характерних електрохімічних умов випробовування, а саме за умов вільної корозії, анодного розчинення та утворення водню в результаті катодних електрохімічних реакцій у зоні зварного шва (див. рис. ). Вказані залежності відображають вплив водного корозійного середовища на втомний процес у порівнянні з випробуваннями на повітрі для обох досліджуваних зварних з’єднань. Тут слід відмітити суттєве прискорення процесу за умов електрохімічної корозії (тобто при потенціалах поляризації поверхні шва E=-600 мВ та E=-500 мВ) з’єднань у порівнянні з випробовуваннями на повітрі. В загальному корозійно-втомне руйнування даних зварних з’єднаннях може бути представлене як утворення щілини і зародження втомної тріщини на межі розділу “базовий матеріал – зварний шов”, подальший розвиток якої веде до повного руйнування зразка.

Рис. . Залежність довжини втомної тріщини а від числа циклів навантаження N для зварних з’єднань E36 (a) і HLE (б) при сталому розмаху циклічних напружень на повітрі та в корозійному середовищі за різних потенціалів поляризації.

У розділі також досліджено циклічну тріщиностійкість специфічного з’єднання „двошарова антикорозійна наплавка – корпусна сталь”, яке складалось із базового металу (сталь 15Х2МФА), на поверхню якого наплавлені два шари антикорозійних наплавок: перший зі сталі 07Х25Н13, другий – Х20Н10Г2Б. Тут всі дослідження були проведені в 1%-ному розчині Н3ВО3 з додатком КОН до рН .

Одержані за різних умов випробовувань результати містять базові дані про опір поширенню тріщини як в компонентах з’єднання, так і в зонах їх сплавлення (ЗС). Узагальнено вони були представлені за допомогою відомої степеневої залежності Періса (див. таблицю 1).

Таблиця 

Матеріал | da/dN=C(K)n, м/цикл

Повітря,  0,1 Гц | рН ,  0,1 Гц | рН ,  0,017 Гц

C | n | R2 | C | n | R2 | C | n | R2

04Х20Н10Г2Б | 310-11 | 2,68 | 0,98 | 210-16 | 7,26 | 0,95 | 110-13 | 4,67 | 0,92

ЗС-І | 810-14 | 4,37 | 0,99 | 710-15 | 5,99 | 0,93 | 210-14 | 5,05 | 0,84

07Х25Н13 | 510-12 | 3,17 | 0,98 | 210-14 | 5,57 | 0,97 | 110-13 | 4,45 | 0,91

ЗС-ІІ | 210-11 | 2,79 | 0,98 | 310-12 | 3,54 | 0,97 | 210-16 | 6,08 | 0,88

15Х2МФА | 710-12 | 3,04 | 0,98 | 110-12 | 3,80 | 0,98 | 210-13 | 4,02 | 0,87

У четвертому розділі наведені критерії та оцінка корозійно-втомного тріщиноутворення біля концентраторів напружень.

Для напівколового концентратора напружень, виходячи із запропонованої його модельної схеми, а також з аналізу експериментальних результатів досліджень, за період утворення макротріщини було прийнято число циклів навантаження N=N*, що необхідне для досягнення деякої критичної густини q* поверхневих тріщин, що мають сталу (характеристичну) довжину a=a*.

Тут вважалось, що критеріальне співвідношення для оцінки періоду зародження макротріщини повинно бути деякою критичною комбінацією ефективного напруження в зоні процесу та параметрів електрохімічного розчинення металу на його деформованій поверхні, тобто:

, (5)

де  – розмах ефективних напружень; m і C – константи, що залежать від системи “матеріал-середовище” та виду навантаження; M – молекулярна вага металу; z – число електронів, що беруть участь в реакції електрохімічного розчинення металу; F – стала Фарадея;  – густина металу;  – частота циклічного навантаження; i(N) – густина струму електрохімічного розчинення металу, як функція числа циклів навантаження N.

Залежність (5) є основою для визначення величини і передбачає знання функції i(N), яку на основі експериментальних даних можна задати аналітично. При перевірці справедливості формули (5) нами було прийнято:

, (6)

де  – густина струму корозії. Це пояснюється тим, що саме за таких умов були одержані базові експериментальні дані про зародження корозійно-втомної макротріщини з поверхні концентратора.

Із залежності (5), враховуючи умову (6), можна одержати наступну формулу для оцінки періоду зародження макротріщини :

. (7)

В залежності (7) змінними параметрами є та , а решта – це константи електрохімічного розчинення металу для заданої системи “метал-середовище”, а також частота циклічного навантаження , що є заданою величиною. Значення густини корозійного струму визначались експериментально за стандартною процедурою електрохімічних вимірювань. Значення було розраховано на основі співвідношень (1) та (2).

Об’єктом для розрахунку був балковий зразок з напівколовим концентратором напружень радіуса r=5 мм, навантажений в умовах чистого згину (рис. а), тобто зразок, використовуючи який були одержані експериментальні дані про стадійність розвитку тріщиноподібних дефектів з поверхні напівколових концентраторів напружень в умовах сумісної дії циклічних навантажень та корозійних середовищ. Розрахунок проведений методом скінчених елементів (рис. б) за різних значень прикладеного до зразка номінальних напружень . Як основа для визначення , був розрахований розподіл пружно-пластичних напружень біля вершини напівколового вирізу, взявши до уваги, що зразок виготовлений зі сталі , діаграма розтягу якої описується аналітично, як .

(а) | (б)

Рис. . Балковий зразок в умовах чистого згину (а) та сітка для його розрахунку методом скінчених елементів (б).

Використовуючи ці дані, а також значення густини корозійного струму , які визначалися експериментально, на основі формули (7) було розраховано період утворення макротріщини з поверхні напівколового концентратора напружень за різних умов випробувань (таблиця 2). Порівняння цих значень з відповідними експериментальними даними показало їх задовільне узгодження, що свідчить про достовірність запропонованого методу.

Таблиця 2

№

з/п | ,

МПа | E,

мВ | ,

А/м2 | ,

МПа | Розрахунок

, цикли | Експеримент

, цикли

1

2 | 130

130 | -400

-600 | 0,058

0,020 | 205,4

205,4 | 18087

36651 | 20000

29000

3

4 | 160

160 | -400

-600 | 0,166

0,038 | 252,6

252,6 | 4434

19369 | 6000

14000

Основою оцінки корозійно-втомної міцності Т-подібних зварних з’єднань була експериментально встановлена стадійність їх руйнування. Тут була запропонована модельна схема утворення корозійно-втомної тріщини довжиною а, що ґрунтується на домінантній ролі процесу електрохімічного розчинення металу в зоні зварного шва при корозійній втомі. Вона передбачає взаємозв’язок між довжиною тріщини а, розмахом прикладеного циклічного напруження і параметрами електрохімічного розчинення металу. На її основі була встановлена наступна формула для визначення довжини корозійно-втомної тріщини а впродовж числа циклів навантаження N:

, (8)

де k та n – константи системи матеріал – середовище;  – значення струму корозії при N=0.

Формула (8) була експериментально перевірена за різних умов випробовувань, і задовільне співпадання експериментальних та розрахункових даних (рис. 6) підтверджує її достовірність та прийнятність для оцінки процесу корозійно-втомного тріщиноутворення у Т-подібних зварних з’єднаннях.

Рис. . Порівняння експериментальних (точки) і розрахункових (лінії) значень довжини корозійно-втомної тріщини a в Т-подібному зварному з’єднані Е36 в залежності від числа циклів навантаження N при Е=-600 мВ (а) та Е=-500 мВ (б).

У розділі також здійснений аналітичний прогноз розвитку циліндричної корозійної виразки (як потенційного концентратора напружень) у з’єднанні “двошарова антикорозійна наплавка – корпусна сталь”.

Показано, що ріст корозійної виразки в часі суттєво залежить від її початкової довжини. При цьому зони сплавлення є найбільш корозійно активними, особливо зона сплавлення нижній шар наплавки – базовий матеріал: сталь 07Х25Н13 – сталь 15Х2МФА (рис. 7). |

Рис. . Зміна форми циліндричної корозійної виразки (r=0,1мм, h=8мм) після експозиції  5 год.

В п’ятому розділі наведено застосування одержаних результатів для інженерних оцінок міцності та довговічності конструктивних елементів.

Здійснено оцінку періоду утворення макротріщини на внутрішніх поверхнях пошкоджених трубчатих елементів пароперегрівачів із енергоблоків Трипільської та Вуглегірської ТЕС (таблиця 3), які передчасно виходять з ладу в результаті розвитку тріщин (рис. ). |

Таблиця 3.

Сталь

D, мм

S, мм

Час експлуатації,

тис. год

ТЕС

16ГС

57

6,0

>100

Трипільська

Х18Н12Т

31

6,0

139

Вуглегірська

Рис. . Типовий приклад руйнування труби пароперегрівача із сталі Х18Н12Т (Вуглегірська ТЕС).

Основним висновком, що випливає з результатів досліджень є те, що існує деяке максимальне значення густини поверхневих корозійно-втомних тріщин q* (рис. ). Це значення слід вважати характеристичним для даних процесів, оскільки після його досягнення на поверхні матеріалу починається процес розвитку та злиття тріщиноподібних дефектів, що відбивається спаданням функції . При цьому для кожного з досліджуваних випадків існує як своє властиве значення параметра q*, так і час досягнення цього значення, що визначається числом циклів навантаження N*. На цій основі запропоновано оцінку безпечного періоду експлуатації пошкоджених трубчатих елементів пароперегрівачів енергоблоків ТЕС за максимумом на діаграмі “густина поверхневих тріщин – число циклів навантаження”.

Рис. . Залежність густини втомних тріщин на внутрішній поверхні тонкостінного трубчатого елементу від числа циклів навантаження для сталі ГС (а) та Х18Н12Т (б) в номінальному середовищі (1) та з домішкою мурашиної кислоти (2).

Для оцінки довговічності Т-подібних зварних з’єднань із листових матеріалів, на основі залежності (8), запропоновано та апробовано формулу (9) для прогнозування числа циклів навантаження N до утворення в з’єднанні корозійно-втомної тріщини довжиною а. Тут необхідно зауважити, що найкраща кореляція розрахункових та експериментальних даних спостерігається для довжин тріщин близько міліметра (рис. 10). Це вказує на практичну застосовність формули в інженерній практиці, оскільки прямі експериментальні дослідження показали, що довговічність зварних з’єднань E36 і HLE визначається часом зародження втомної тріщини довжиною приблизно a 1 мм. |

. (9)

Рис. . Експериментальні і розраховані значення числа циклів навантаження N до зародження корозійно-втомної тріщини довжини a в Т-подібному зварному з’єднанні Е36.

Для з’єднання “антикорозійна наплавка – корпусна сталь” були побудовані узагальнені діаграми циклічної корозійної тріщиностійкості, що містять базові дані про опір поширенню тріщини як в компонентах з’єднання, так і в зонах їх сплавлення в залежності від умов випробувань (рис. 11). |

Рис. . Приклад узагальненої діаграми циклічної корозійної тріщиностійкості зварного з’єднання “антикорозійна наплавка – корпусна сталь” (середовище pH 8; 80C; ?=0,017 Гц; R=0).

Такі узагальнені діаграми є базовими для оцінки залишкового ресурсу зварних з’єднань типу “антикорозійна наплавка – корпусна сталь” та розробки інженерно-технічних заходів для запобігання їх корозійно-механічних пошкоджень в умовах довготривалої експлуатації.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ВИСНОВКИ

У дисертації наведено обґрунтування і вирішення науково-технічної задачі, яка полягає у розробці методів оцінки тріщиноутворення біля концентраторів напружень за циклічного навантаження сталей в корозійних середовищах. В результаті виконання роботи отримані наступні основні результати:

1. Запропоновано модельну схему взаємодії середовища з деформованим металом біля напівколового концентратора напружень, що базується на домінантній дії процесу електрохімічного розчинення металу на його поверхні і враховує розподіл пружно-пластичних напружень біля його вершини.

2. Експериментально встановлена стадійність утворення макротріщини з поверхні напівколового концентратора напружень в умовах сумісної дії циклічних навантажень та корозійних середовищ і показано, що цей процес можна умовно розділити на дві основні стадії: утворення поодиноких тріщин характерної довжини a* і зростання їх густини q до деякого критичного значення q=q* (стадія І); інтенсивний ріст та злиття поверхневих корозійно-втомних тріщин, що призводить до утворення макротріщини (стадія ІІ).

3. Запропонована схема зварного з’єднання як специфічного типу технологічного концентратора напружень в умовах електрохімічної корозії металу. На цій основі експериментально показано, що процес втомного руйнування Т-подібних асиметричних зварних з’єднань має наступну послідовність: утворення щілини на межі розділу “базовий матеріал – зварний шов”; зародження тріщини біля вершини щілини як концентратора напружень; подальший розвиток корозійно-втомної тріщини, що призводить до повного руйнування зразка. Тут встановлено, що для з’єднань із листових вуглецевих середньоміцних сталей, що застосовуються в транспортному машинобудуванні, їх довговічність визначається часом зародження втомної тріщини довжиною приблизно а=1 мм.

4. Запропоновано та перевірено критерій зародження корозійно-втомної макротріщини з поверхні напівколового концентратора напружень, що полягає в реалізації деякої критичної комбінації ефективного напруження в зоні процесу та параметрів електрохімічного розчинення металу на його деформованій поверхні.

5. Здійснений аналітичний прогноз розвитку циліндричної корозійної виразки (як потенційного концентратора напружень) у з’єднанні “двошарова антикорозійна наплавка – корпусна сталь” і показано, що найбільш небезпечним є випадок, коли дно початкової виразки розташоване в зоні сплавлення “нижній шар наплавки – базовий матеріал”.

6. Побудовані узагальнені діаграми циклічної корозійної тріщиностійкості з’єднання “антикорозійна наплавка – корпусна сталь”, що містять базові дані про опір поширенню тріщини як в компонентах з’єднання, так і в зонах їх сплавлення.

7. Запропоновано оцінку безпечного періоду експлуатації пошкоджених трубчатих елементів пароперегрівачів енергоблоків ТЕС за максимумом на діаграмі “густина поверхневих тріщин – число циклів навантаження”.

ПЕРЕЛІК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. PanasyukDmytrakh I.M., YezerskaBilyyCorrosion fatigue cracks nucleation and growth behavior from semicircular notches // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – . –№ 5. – С. .

2. Колодій Б.І., Дмитрах І.М., Білий О.Л. Метод еквівалентного електрода для визначення електрохімічних струмів у корозійній виразці // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – . – № 5. – С. .

3. Дмитрах І.М., Колодій Б.І., Білий О.Л. Густина електрохімічного струму з поверхні корозійних виразок в тришаровому матеріалі // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – . – № 2. – С. .

4. Дмитрах І.М., Вайнман А.Б., Єзерська О.А., Білий О.Л., Котельников М.І. Про механізм тріщиноутворення та оцінки тріщиностійкості поверхонь металу деяких елементів пароводяного тракту енергоблоків ЗКТ // Енергетика та електрифікація –  – №7. – С. .

5. Дмитрах І.М., Вайнман А.Б., Білий О.Л., Єзерська О.А., Грабовський Р.С. Характеристики корозійної тріщиностійкості та оцінка залишкової довговічності конструктивних елементів енергообладнання // Матеріали 2-ї міжнародної конференції “Механіка руйнування та міцність конструкцій” – Львів. – . – 3. – С. 33.

6. DmytrakhPluvinageand BilyyEngineering model for life assessment of the tee welded joints under corrosion fatigue conditions // Фізико-хімічна механіка матеріалів. – . – Спец. вип. № 3. – С. .

7. DmytrakhPluvinageand BilyyEngineering life assessment of the welded joints under corrosion fatigue // International conference “New trends in fatigue and fracture”: University of Metz, France. – . –  p.

8. Дмитрах І.М., Вайнман А.Б., Єзерська О.А., Вовк Р.І., Білий О.Л. Особливості зародження та розвитку корозійно-втомних тріщин на поверхнях пароперегрівачів енергоблоків закритичного тиску // Матеріали Міжн. конф.-виставки“Корозія`98” – Львів. – С. .

9. Білий О.Л. Кінетика корозійно-втомних тріщин на поверхні сталі 20 в середовищі із різним рН // Матеріали XV-тої відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів. – Львів: ФМІ НАН України. – 2000. – С. .

10. Білий О.Л. До оцінки міцності зварних елементів конструкцій промислового обладнання в робочих умовах // Матеріали науково-технічної конференції “Інструмент – ”,  – Львів: ФМІ НАН України. – р.C. .

11. Білий О.Л. Оцінка кінетики росту корозійної виразки у з’єднанні „антикорозійна наплавка – корпусна сталь” // Матеріали XVІІІ-тої відкритої науково-технічної конференції молодих науковців і спеціалістів. – Львів: ФМІ НАН України. – 2003. – С. .

АНОТАЦІЯ. Білий О.Л. Оцінка тріщиноутворення біля концентраторів напружень за циклічного навантаження сталей в корозійних середовищах – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – механіка деформівного твердого тіла. – Фізико-механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України, м. Львів, 2005.

Дисертація присвячена проблемам механіки руйнування конструкційних сталей за сумісної дії циклічних навантажень і корозійних середовищ. Наведені методи оцінки їх міцності біля концентраторів напружень різного типу (напівколовий виріз, зварне з’єднання, корозійна виразка), які враховують фізико-хімічну взаємодію деформованого матеріалу з корозійним середовищем.

Запропонована модельна схема взаємодії середовища з деформованим металом біля напівколового концентратора напружень і розроблений критерій зародження корозійно-втомної макротріщини, який полягає в реалізації деякої критичної комбінації ефективного напруження в зоні процесу та параметрів електрохімічного розчинення металу на його деформованій поверхні.

Встановлені особливості та стадійність корозійно-втомного руйнування Т-подібних асиметричних зварних з’єднань, як специфічного типу технологічного концентратора напружень в умовах електрохімічної корозії металу.

Побудовані узагальнені діаграми циклічної корозійної тріщиностійкості з’єднання “антикорозійна наплавка – корпусна сталь”, що містять базові дані про опір поширенню тріщини як в компонентах з’єднання, так і в зонах їх сплавлення.

Запропонований метод оцінки безпечного періоду експлуатації пошкоджених трубчастих елементів пароперегрівачів енергоблоків ТЕС за максимумом на діаграмі “густина поверхневих тріщин – число циклів навантаження”.

Ключові слова: циклічне навантаження, концентратори напружень, ефективне напруження, розмах циклічних напружень, тріщиноподібні дефекти, коефіцієнт інтенсивності напружень, період зародження та швидкість росту тріщини, корозійне середовище, електрохімічне розчинення металу.

АННОТАЦИЯ. Билый О.Л. Оценка трещинообразования около концентраторов напряжений при циклическом нагружении сталей в коррозионных средах. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – механика деформируемого твердого тела. – Физико-механический институт им. Г.В. Карпенко НАН Украины, Львов, 2005.

Диссертация посвящена проблемам механики разрушения конструкционных сталей в условиях совместного воздействия циклических нагружений и коррозионных сред. Разработаны и апробированы методы оценки прочности сталей около концентраторов напряжений различного типа (полукруговой вырез, сварное соединение, коррозионная язва), которые учитывают физико-химическое взаимодействие деформированного материала с коррозионной средой.

Предложена модельная схема взаимодействия среды с деформированным металлом около полукругового концентратора напряжений и экспериментально установлена стадийность образования макротрещины с его поверхности. На этой основе разработан критерий зарождения коррозионно-усталостной макротрещины с поверхности полукругового концентратора напряжений, который состоит в реализации некоторой критической комбинации эффективного напряжения в зоне процесса и параметров электрохимического растворения металла на его деформированной поверхности.

Установлены особенности и стадийность коррозионно-усталостного разрушения Т-образных асимметричных сварных соединений, как специфического типа технологического концентратора напряжений в условиях электрохимической коррозии металла, а также предложена экспериментально-аналитическая оценка их долговечности.

Построены обобщенные диаграммы циклической коррозионной трещиностойкости соединения “антикоррозионная наплавка – корпусная сталь“, которые содержат базовые данные о сопротивлении развитию трещины, как в компонентах соединения, так и в зонах их сплавления; а также аналитически прогнозировано развитие цилиндрической коррозионной язвы (как потенциального концентратора напряжений) в соединении “двухслойная антикоррозионная наплавка – корпусная сталь” и установлен наиболее опасный участок размещения дна начальной язвы: зона сплавления “нижний слой наплавки – базовый материал”.

Предложен метод оценки безопасного периода эксплуатации трубчатых элементов пароперегревателей энергоблоков ТЭС, в которых обнаружены коррозионно-механические трещиноподобные дефекты, по максимуму на диаграмме “плотность поверхностных трещин – число циклов нагружения“.

Ключевые слова: циклическое нагружение, концентраторы напряжений, эффективное напряжение, размах циклических напряжений, трещиноподобные дефекты, коэффициент интенсивности напряжений, период зарождения и скорость роста трещины, коррозионная среда, электрохимическое растворение металла.

SUMMARY. BilyyAssessment of cracks nucleation at stress concentrators under cyclic loading of steels in corrosive environments. –

The dissertation for gaining a scientific degree of the candidate of sciences (engineering) in specialty 01.02.04. –of deformed solids – Karpenko Physico-Mechanical Institute of National Academy of Science of Ukraine, Lviv, 2005.

The dissertation is devoted to fracture mechanics problems of structural steels under joint action of cyclic loading and corrosive environments. The methods for strength assessment at stress concentrators of different types (semicircular notch, welded joint, corrosion pit) are developed with takes into account of physical and chemical interaction of deformed metal and corrosive environment.

The criterion of corrosion fatigue crack nucleation is proposed as relation of some effective stress and parameters of electrochemical dissolution on the deformed metal surface. The corrosion fatigue stages of the tee joints with asymmetric weld as specific type of stress concentrators were determined and assessment of their durability has been done. The basic diagrams of corrosion fatigue crack growth resistance for three-layered material (“anticorrosive fusing-hull steel”) were defined that provide the data for quantitative assessment of fatigue strength of components and zones of fusion

Key words: cyclic loading, stress concentrators, cyclic stress range, crack-like defects, stress intensity factor, period of crack nucleation and crack growth rate, corrosive environment, electrochemical dissolution of metal.