Визначення довговічності металічних матеріалів та зварних з’єднань при циклічному навантаженні і наводнюванні

http://www.ce-studbaza.ru/werk.php?id=8177

Рудавский Д.В. Определение долговечности металлических материалов и сварных соединений при циклическом нагружении и наводороживании. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – механика деформированного твердого тела. – Физико-механический институт им. Г.В. Карпенка, Львов, 2004.
Диссертация посвящена разработке методик оценки долговечности наводороженных металлических материалов и сварных соединений элементов металлоконструкций на стадии развития усталостных трещин. На базе энергетического подхода механики разрушения материалов в работе предлагается ряд расчетных моделей для определения периодов зарождения и докритического роста усталостных макротрещин в наводороженных неоднородных по механическим свойствам металлических материалах. Влияние на разрушение присутствующей в металле концентрации водорода моделируется снижением критических деформационных характеристик материала по линейному закону от уровня концентрации водорода. Для определения концентрации водорода в зоне предразрушения возле вершины трещины в работе аналитическим методом получено решение одномерной задачи диффузии водорода в поле механических напряжений с учетом предыдущего наводороживания. С помощью комбинации метода конечных элементов и разностной схемы получено распределение поля концентрации водорода в сварном соединении как численное решение двухмерной задачи диффузии в поле механических напряжений.
В работе сформулировано расчетную модель зарождения усталостной микротрещины возле наводороженной вершины концентратора напряжений, а также расчетную модель для определения периода подрастания зародившейся микро-трещины до макроскопических размеров. Показано, что этот период может составлять значительную часть от общей долговечности элемента металлоконструкции. В основу этих расчетных моделей заложен энергетический критерий усталостного разрушения материалов, согласно которому в произвольном элементе объема металла произойдет усталостное разрушение, если суммарная энергия рассеивания в нем пластических деформаций при циклическом нагружении достигнет критического значения. Полученные расчетные периоды зарождения сопоставлены с известными в литературе экспериментальными данными.
В работе предложено расчетную модель для определения периода докритического роста усталостной макротрещины в наводороженном неоднородном по механическим свойствам материале, прибывающего в условиях плоского напряженного состояния. Сформулированная модель позволяет учитывать влияние на усталостное разрушение касательной сопоставляющей тензора механических напряжений. В основу модели заложено уравнение баланса энергий в упруго-пластическом теле. С помощью полученных в рамках модели кинетических уравнений можно определять траекторию и период докритического роста усталостной макротрещины.
Используя определяющие уравнения этой модели, в работе были рассмотрены некоторые важные с практической точки зрения прикладные задачи, а именно. Задача об определении долговечности наводороженного стыкового сварного соединения с непроваром. Для определения коэффициента интенсивности напряжений для усталостной криволинейной трещины в данном случае использовано известный в литературе метод эквивалентности равнокасательных трещин. В работе также рассмотрена задача оценки остаточного ресурса элемента газопровода с внутренней полуэллиптической поверхностной трещиной. Задача решена с предположением о сохранении трещиной в процессе ее продвижения полуэллиптической формы. Расчеты показали, что присутствие в элементе металлоконструкции сравнительно невысокого уровня концентрации водорода может существенно снижать его остаточную долговечность при циклическом нагружении.
Ключевые слова: концентрация водорода, циклическое нагружение, энергия рассеивания пластических деформаций, зарождение усталостной трещины, сварные соединения, долговечность, полуэллиптическая трещина.