Прочность графитовых материалов и конструкций при малоцикловом нагружении

• Автор: Чернявский, Александр Олегович
• Шифр специальности: 01.02.06
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 245 с. : ил.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И РАСЧЕТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЧНОСТИ ГРАФИТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ
1.1 «. ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРАФИТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
12, Деформационные и прочностные характеристики
конструкционных графитов. Экспериментальные данные
1.3 , Существующие методы моделирования свойств графита
1.4 Существующие методы расчета графитовых конструкций
1.5" , Задачи данного исследования
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ ГРАФИТОВ
2.1 Модель деформирования графита при одноосном напряженном состоянии
2.2 Результаты моделирования процесса изотермического циклического деформирования и разрушения
2.3 Моделирование процессов деформирования при
длительном нагружении
2.4 Моделирование процесса неизотермического деформирования
2.Г Моделирование свойств облученного графита
2 6 Обобщение модели на случай сложного напряженного
состояния
ГЛАВА 3. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГРАФИТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ВЛИЯНИЕ
ОСОБЕННОСТЕЙ ПОВЕДЕНИЯ МАТЕРИАЛА
3.1 Расчет графитового диска. Влияние нелинейности
диаграмм деформирования при однократном нагружении
3.2 Влияние изменений теплового расширения в зависимости от истории нагружения на процесс деформирования диска 98

3 3 Расчет электрода дуговой сталеплавильной печи.
Сравнение влияния неоднородности, анизотропии и НЕЛИНЕЙНОСТИ ДИАГРАММ
3 4 Расчет блока реактора. Влияние циклического
разупрочнения
ГЛАВА 4. СЕТКИ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ ТРЕЩИН И СВЯЗАННОЕ С НИМИ ВЫКРАШИВАНИЕ КАК ПРЕДЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ГРАФИТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
4.1 Развитие сеток взаимодействующих трещин в хрупком изотропном однородном теле. Детерминированная
плоская задача
4.2 Примеры расчетов
4 3 Оценка возможности развития сеток трещин в блоках
ядерных реакторов типа ВТГР
4.4 Прямая оценка параметров сетки трещин
Сетки трещин у поверхности полупространства (3-мерная задача)
4.6 Сетка трещин в абсолютно упругом хрупком изотропном
ОДНОРОДНОМ ТЕЛЕ. СТОХАСТИЧЕСКАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
4.7 Учет нелинейности диаграммы деформирования
МАТЕРИАЛА
4.8 Замыкание систем трещин, выкрашивание
4.9 Нормирование расчетов сеток трещин
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение

Одним из достаточно распространенных материалов высокотемпературной техники являются неармированные конструкционные графиты. Они характеризуются высокой термостойкостью и ростом статической прочности и пластичности с температурой, являясь при температуре выше 2500°С одним из самых прочных известных материалов [27]. Высокая теплопроводность и низкие значения модуля упругости и коэффициента линейного теплового расширения определяют высокую термопрочность графита, то есть способность графитовых деталей работать в условиях быстрого неравномерного нагрева и охлаждения. Сочетание этих особенностей с рядом специфических физико-химических свойств — электропроводностью, химической инертностью, малым сечением захвата нейтронов — позволяет изготовлять из графитовых материалов ряд основных элементов атомных реакторов, электроды различного назначения, включая крупногабаритные — диаметром до 1200 мм; катодные блоки электролизеров для производства алюминия; тигли и нагреватели для плавки тугоплавких металлов; сопла реактивных двигателей. Диапазон условий работы этих конструкций достаточно широк: рабочие температуры от 500° С в реакторах типа РБМК [48] до 3000°С вблизи дуги в электродах; работа в нейтральной (гелий, аргон) и агрессивной (печные газы) среде; нейтронное облучение.
Искусственный графит относится к малопластичным материалам — предельная деформация при растяжении составляет обычно 0.1 ...0.2%. Диаграммы однократного растяжения большинства конструкционных графитов имеют малую кривизну (кроме верхнего участка) и с достаточной точностью схематизируются линейной зависимостью. Поэтому длительное время графитовые детали рассчитывались в предположении идеальной упругости, а предельным состоянием считалось зарождение трещины или ее достаточно большая протяженность. Нелинейными эффектами и малоцикловой усталостью пренебрегали.
С накоплением опыта эксплуатации графитовых конструкций обнаружилась недостаточность традиционного линейного подхода к оценке их

возникновение (изменение) анизотропии вследствие образования ориентированных дефектов. Однако, как показано в работах [113, 30, 19, 139], учитывая только микроразрушение или только пластическое деформирование, невозможно достаточно точно описать деформирование графита при нагружении и последующей разгрузке.
Известны и модели [67, 153], описывающие неизотермическое
деформирование графита в том диапазоне условий нагружения, где разносопротивляемость и рассеянное разрушение (и, таким образом, различие диаграмм деформирования) не проявляются.
Возможности чисто феноменологического подхода при моделировании графита ограничены: широкий круг наблюдаемых эффектов требует для описания достаточно сложных уравнений с большим числом экспериментально определяемых параметров (см., например, [10, 106, 60]), и получающиеся модели имеют относительно узкий диапазон применимости.
Обширный диапазон условий, в которых работают графитовые материалы, и многообразие наблюдаемых эффектов привели к попыткам объяснить поведение материала, исходя из его структуры и свойств структурных составляющих. Экспериментальное изучение структуры графита [41, 27, 4, 19, 20, 117] показало, что искусственный конструкционный графит можно
представить состоящим из различно ориентированных зерен и связующего, в нем имеется значительное количество дефектов (трещин, пор), образующихся на стадии изготовления. Связующее в первом приближении можно считать изотропным линейно упругим — вплоть до разрушения — материалом [19]. Зерна обладают заметной пластичностью и существенной анизотропией. Зерно можно считать трансверсально-изотропным, его деформации под нагрузкой определяются в основном сдвигами по плоскости базиса: модуль сдвига сасас = 2-3 ГПа (кристаллографические оси а и Ь лежат в плоскости базиса, а с перпендикулярна ей), в то время как, например, Ссссс= 47 ГПа и саааа= 1160 ГПа [27]. Неупругие деформации практически полностью определяются сдвигами и двойникованием по этой же плоскости [27].