Моделирование замедленного разрушения элементов конструкций под действием водорода на основе решения связной задачи

• Автор: Архангельская, Екатерина Афанасьевна
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Якутск
• Количество страниц: 146 с. : ил

ГЛАВА I. Феноменология взаимодействия водорода с металлами
1Л. Состояние водорода в металлах
1.2. Влияние водорода на механические свойства металлов
1.3. Замедленное разрушение металлов, обусловленное водородом
1.4. Теоретические подходы к описанию водородного охрупчивания
Выводы к главе
ГЛАВА 2. Моделирование замедленного разрушения металлических
материалов под действием водорода
2.1 Оптико-телевизионные исследование поверхности деформирования образцов «in situ»
2.2. Экспериментальные исследования процесса замедленного разрушения металлов под действием водорода: роль дефектности в зоне
предразрушения
2.3. Построение физико-механической модели зарождения и развития трещины в условиях водородного охрупчивания на основе теории накопления повреждений
Выводы к главе II
ГЛАВА 3. Математическая модель зарождения и развития трещины при замедленном разрушении под действием водорода
3.1 Основные положения феноменологической модели
3.1.1 Упругопластическая задача
3.1.2 Нестационарная диффузия водорода в поле механических напряжений с учетом дефектности
3.1.3 Описание процесса накопления повреждений
3.2 Постановка связной задачи нестационарной диффузии,
упругопластичности и накопления повреждений
3.3 Численное решение краевой задачи методом конечных элементов
3.4 Алгоритм решения связной задачи зарождения и развития трещины под
действием водорода в упруго-пластическом материале
3.5 Примеры расчета зарождения трещины на образцах с концентратором напряжений при одноосном растяжении
3.6 Задача о развитии поверхностной трещины в трубе под внутренним давлением в условиях водородного охрупчивания
Выводы к главе III
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 124 ПРИЛОЖЕНИЕ

В большинстве случаев разрушение металлоконструкций связано с хрупким катастрофическим разрушением элементов машин и конструкций при их эксплуатации в условиях низких климатических температур под действием статических и усталостных нагрузок. Это происходит в результате образования холодных трещин (ХТ) в соответствии с закономерностями так называемого замедленного разрушения (ЗР). Одним из основных охрупчивающих факторов при ЗР металлоконструкций, в том числе сварных соединений, является воздействие растворенного водорода. Водород в объеме металла может оказаться в процессе различных металлургических и технологических операций (объемная закалка, сварка, токарная и фрезерная обработка и т. д.).
Анализ характера разрушения металлических материалов под воздействием водорода и неоднородных остаточных или рабочих напряжений показывает, что исследование этого процесса прямыми экспериментальными методами затруднено локальностью, сложностью и взаимосвязанностью протекающих физико-химических и механических процессов. Поэтому для разработки адекватной модели ЗР элементов металлоконструкций и оценки сопротивляемости и ресурса, в том числе индивидуального остаточного, более перспективными и целесообразными становятся теоретические подходы, основанные на физико-математическом моделировании.
Таким образом, в связи с необходимостью увеличения безопасности эксплуатирующихся в условиях Крайнего Севера машин и конструкций, в том числе сварных, а также потребностью в новых материалах с высокими хладостойкостью и трещиностойкостью, задача создания достоверной расчетной модели замедленного разрушения, образования и развития холодных трещин, развития расчетно-экспериментальных методов оценки поврежденное элементов конструкций с учетом реальных процессов, происходящих в области предразрушения, приобретает особую актуальность.

ГЛАВА II. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАМЕДЛЕННОГО РАЗРУШЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ВОДОРОДА.
2.1. Оптико- телевизионные исследования поверхности деформирования образцов «in situ»
Необходимая информация для изучения закономерностей деформации и разрушения в присутствии водорода может быть получена в процессе испытаний исходных и наводороженных образцов. Испытывались два вида образцов: гладкие и с -образным надрезом. Образцы имеют плоскую форму в виде двойной лопатки 18x3x2 мм3, радиус перехода к рабочей части - 2 мм. Захват при нагружении выполнялся через плечики образца при растяжении двумя стержнями диаметром 3,8мм. Надфилем трехгранного сечения наносился надрез в центре образца на глубину 0,5мм (рис.2.1). Небольшой размер образцов дает возможность получить достаточное количество экспериментальных данных при малом расходе основного металла.
Материал исследований -высокопрочная низколегированная сталь
14Х2ГМР (состав, %: С 0.16-Рис.2.1. Вид образца и зоны наблюдения. 0.19, Мп 0.74, Si 0.40-0.46, Cu<0.01, СоО.01, Mo 0.25-0.27, Cr 0.54-0.59, Ni 0.011-0.017, A1 0.036), в отожженном состоянии. Для наводораживания отжиг осуществлялся при 400°С в течение 1,5 часа в атмосфере водорода (100 ата), затем производился продув инертным газом (N2) соответственно. Поверхность образцов полировалась стандартным механическим способом, перед проведением работ обезжиривалась.
Испытания на квазистатическое растяжение (скорость деформирования -мм/сек) производили на установке тип ИМАШ. С помощью оптико-