автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Долговечность литой теплоустойчивой стали с различной структурой на стадии роста трещины при ползучести

и

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ • ПО ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ

- щшимаш -

На правах рукописи ВЕГШДАГИН иБИИ ПАВЛОВИЧ

УДК 620.172.251.2:539.4.015

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ ЛИТОЙ ТЕШШСШ1ЧЖ>!1 СТАЛИ С РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ НА . СТАДИИ РОСТА ТШЭДНЫ ПРИ ПССЗУЧЕСГЛ '

05.16.01 -Металловедение и термическая обработка металлов.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученсл степеии кандидата технических наук

Москва - 1920

Работа выполнена в Научно-производственном объединении по технологии машиностроения "ЦНИИШаш"

Научный руководитель-Официальные оппонента

Ведущее предцриятие

доктор технических наук профессор фляков Г.А.

доктор технических наук Голубовский Е«Р.

кандидат технических наук, Гладштейн В.И.

ПО "Ленинградский металлический завод"

Защита диссертации состоится " ^ " I 1990 года

лсЪО

в ' часов на заседании специализированного совета Д 145.03.01 при Научно-производственном одъедзшэшш по технологии машиностроения "ЦНИИШаш" по адресу: 109088, г.Мосхва,Шарикоподшипниковская ул. ,4.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической

библиотеке НПО ЦНИИШаш. Телефон для справок 275-85-33

Автореферат разослан "

иж^ 1990 г>

Ученый секретарь специализированного совета "кандидат технических наук

П.И.Побекимов

Зак.70_Тир. 100

Группа электрографии ШУ ЦН/Ш'МАШ. Шарика по цшпниковская, 4

й;:С ::"

.Г ОЩАЯ ХШКТЕРИСША РАБОТЫ 3

о, - Актуальность проблемы."

. Одним из основных факторов, обеспечивающих дальнейший подъем

народного хозяйства страны является развитие его энергообеспечен-

ностп е, в частности, выработка электроэнергии, значительная часть которой получается на тепловых электрических станциях.

В настоящее время продолжительность эксплуатации основных энергоблоков мощностью 60-300 МВт превысила расчетный ресурс работа и весьма актуальной становится проблем.-, оценки остаточной долговечности основных элементов энергооборудования.

Толстостенные детали сложной конфигурации, такие как литые корпуса паровых турбин и арматуры, барабаны паровых котлов и т.п. отличаются практически неизбежным наличием наружных и внутренних дефектов типа трощан, возникающих в процессе изготовления и способных к росту в условиях высоких температур и статических напряжений. Период медленного, докритичеокого роста макротрещины может составлять до 90% ресурса работы элемента и фактически определять его долговечность. Другой особенностью изделий из теплоустойчивых сталей является широкая гамма структур металла, получающаяся после стандартной • термообработки и вмещая различные кратковременные и особенно длительные прочностные характеристики.

, Вслодствио этаго особенно актуальной является проблема оценки долговечности материала корпусных элементов энергооборудозания на стадия распроетрано:гая трещин з услов::лх ползучести для металла :з различном структурном состоянии.

Цс-лко работы является исследование закономерностей роста траздш при ползучасти в л::то:: теплсусъ'эЛчивой стали с различной структурой и разработка метода сц:долговечности материала

корпусных деталей энергоблоков с утетом наличия трещиноподобных , дефектов материала, способных к росту.

Научная новизна работы. Получены основные закономерности докритичаского распространения трещин в условиях ползучести в литой стала 15ХШ1ФЛ для различного микроструктурного состояния в • широком диапазоне- температур от 515 до 615 °С.

Установлены структурные особенности и механизмы распространения трещин в условиях ползучести. Структура металла оказывает решающее влияние на сопротивление распространению трещин ползучести, при этом феррито-карбидщая структура обладает значительным преимуществом по сравнении с бейнитной во всом исследованной диапазоне темпера-! тур и напряжений.

Разработан новый расчетно-экслершенгальный подход к прогнозированию роста трещин и оценке долговечности материала с учетом дефектности на основе нового универсального уравнения для скорости роста трещины (ОРТ) ползучести, сочетающего подхода ыикромеханики деформирования и .макромеханики разрушения.

Практическая ценность. Основные положения, полученшо в работе, были использованы при выполнении целевой комплексной программы О.Ц. Ö22 ГКНТ СССР "Исследования по увеличению ресурса энергооборудования действующих энергоблоков TSC после 150-200 тыс.часов эксплуатации", тема К308-85. Задание HI5. Шла установлена возможность

увеличения срока службы энергооборудования значительного парка

блоков мощностью 100-300 МВт до 200-220 тыс.час. без массовой их

замены.

На основании полученных в работе результатов разработан новый подход к оценке долговечности корпусов цилиндров высокого давления и автоматических стопорных клапанов на стадии докритичаского роста

фещин в условиях ползучести. Проведена оценка долговечности корпусов ЦВД и АСК, турбин Т-100-130 и имеющих трещиноподобный дефект. ' Даны рекомендации по продлению срока слукбн 16 корпусов ЦВД по пара-

Мэтрам скорости роста тревдн.

На защиту выносятся следующие положения:

1) установленные закономерности роста трещины в условиях ползучести для теплоустойчивой стали с различной структурой в широком интервале силового п температурного нагруяешя;

2) выявленный структурный механизм распространения трощинн в условиях ползучести и характер влияния микроструктуры металла на кинетику роста трещин ползучести;

'3) новое универсальное кинетическое уравнение для СРТ ползучести, сочетающее подхода мнкромеханики деформирования и макромоханики разрушения;

4) метод оценки долговечности корпусных элементов энергооборудования на стадии докритического роста трещины в условиях ползучести с учетом эксплуатационных факторов.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на ЕЛ конференции молодых ученых НПО ЦНЖШаш,"Деформация и разрушение теплоустойчивых сталей" (Москва.сентябрь 1982г.), на 17 Всесоюзном

симпозиуме "Малоцикловая усталость - механика разрушения, живучесть

и материалоемкость" (Краснодар, сентябрь 1983г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований имеется 3 публикации.

Структура и объем работа. Диссертация состоит из введения,пяти разделов, выводов, списка литературе 135 наименований и првлоконая. Общий объем составляет ISO страниц, в том числа 124 страницы машинописного текста, 51 рисунок , 5 таблиц.

ж.

СОДЕРЖАНИЕ РАВШ ■ : " ,

Во введения показана актуальность темы, изложены ее научная и прикладная значимость. Рассмотрена общзя структура исследования.

В первом раздела дается анализ условий работы и поврездаемос-ти литых корпусных элементов паровых котлов и турбян, анализируются основные положения современной теории разрушения в условиях ползучести металлических материалов с дефектами типа трещин«приводятся данные экспериментальных исследований кинетики роста трещин ползучести, проводится анализ параметров корреляции СРТ и влияние на нее различных факторов (геометрии образца, температуры, микроструктуры

металла). :

Опыт эксплуатации л работы последних лет показали, что для • корпусных элементов котлотурбинного оборудования появление трещин далеко не исчерпывает ресурс их работа. Известны многочисленные случаи работы литых корпусов турбин и арматуры с дефектами типа трещин, в десятки и сотни раз превышающими допустише по нормам контроля. Появление трещин обусловлено совокупным влиянием металлургических, конструктивных и эксплуатационных факторов.

Рост трещин в условиях ползучеста является сложным процессом,в значительной степени зависящим от условий кагружания и структуры , материала. До настоящего времени остается дискуссионным вопрос о выборе параметра корреляции СРТ для всего, диапазона температур и -структур металла. В известных работах в качестве корреляционного параметра применяются: коэффициент интенсивности напряжений (КИН), ;с ' напряжение в нетто-сачении , эквивалентное напряжение ,

скорость раскрытия трещины 5 , скоростной энергетический О - ,-

интехтал, обозначаемый в рада работ С я .

Имаювшася литературные дакшо показывают существенное влияние на характер и кинетику разрушения материала с трещиной геометрии образца, температуры испытания и структуры материала. Тэм не менее рассмотренное работ со исследованию влияния указанных факторов на СРТ носят в основном качественный характер. Известные работа по фрактографичэскому и микросхруктурному анализу распространения трещины в условиях ползучести недостаточны для получения полной картины механизмов разрушения, контролирующих рост трещины на всех стадиях ее развития.

Для всесторонней оценки сопротивления материала распространению трзцин ползучести необходимо проведение систематических исследований при "значительно более широком диапазоне параметров нагру-жения (напряжение, температура), чом это было сделано до сих пор,

с тем, чтобы охватить весь возможный эксплуатационный диапазон

нагруяаюцих факторов.

■ Особенности роста трещин при Бысокотглшерагурном длительном' нахруяенпи обуславливают недостаточную корректность подходов традиционной механики разрушения. В этой сечзз представляется чрезвычайно перспективной разработка решения для универсального описания роста тращаш ползучести в материалах с различной структурой на основе сочетания подходов макромеханики разрушения и микро- ■ механики деформирования.

С учетом практических потребностей кообходила разработка методов оценки долговечности корпусных элементов турбин и арматуры на стадии роста процин'в условиях ползучести на основа экспериментально полученных кинетических параметров разрупвтя и разработка рекомендаций по продлению ресурса работы корпусов паровых турбин и арматуры, отработазпшх расчетный срок эксплуатации.

Во втором разделе выполнено обоснование выбора материала и методики исследования.

Исследования проводились на лигой перлитной теплоустойчивой стали 15ХШ1ФЛ. Выбор материала определялся широким применением этой стали в котлотурбостроении для изготовления корпусных элементов турбин и арматуры, работавших при высокой температуре. В связи с различной толщиной реальных отливок при охлаждении после стандарт«-ной термообработки образуется широкий спектр микроструктур от бейнита до феррита, С учетом этого применялась специальная подготовка металла, заключающаяся в.искусственном расширении диапазона скоростей охлаждения после нормализации (10^ - 7.10^ град/час),

что позволило получить в исследуемой стали две контрастные по своим

свойствам микроструктуры - феррит с карбидами и нижний бейнит с

участками мартенсита. Для оценки сопротивляемости распространению трещин ползучести материала посла длительной эксплуатации использовался металл корпусов турбин, отработавших 150000 часов эксплуатации при параметрах пара 130 МПа и температуре 540-570 °С.

Нинетику роста трещин ползучести исследовали при внацентрен-ном растяжении компактных образцов с острыми боковыми канавками, что позволило выровнять фронт роста трещины и практически исключило "утяжку" образцов. Нанесение стартозой усталостной трещины производилось на модернизированной- машине Ш-4М.

Выбор силовых и температурных параметрвв нагруаения производился исходя из условий эксплуатации корпусных элементов паровых котлов и турбин. Величина применяемых нагрузок на образцы составляла 2,94 - 8,83кН (300-900 кгс), что позволило получить начальное значение КИН в интервале 10-40 МПа*ы^/2, Испытания проводились при пяти уровнях температур - 515,530,565,600 и 615 °С. Исследованный интервал температур охватывает область рабочих температур о учетом

возможного перегрева. •

*

Измерение длили трощкш производилось рптячоским способом на инструментальном микроскопе во время периодических,остановов. Испытания по росту трещи; в условиях ползучести производились на стандартных машинах для испытания металлов на ползучесть и длительную прочность Ш14М и АШЛ-5-2, оборудованных для этих целей специальными приспособлениями.'

Микроструктурный анализ разрушения, форма и траектория трещин ползучести изучались на металлографическом микроскопе

- '2. Характер поверхности разрушения металла в результате ' роста трещин в условиях ползучести изучался на образцах с трещиной ползучести, • доломанных в жидком азоте путем активного растяжения, при помощи растрового электронного микроскопа.

Третий •раздел посвящен исследованию закономерностей расцрост-ранения трещин ползучести в стали 15Х1М1ФП с различной структурой. Выполнен анализ напряженно-деформированного состояния материала в вершине трещины, а также первичных кривых роста трощин в координатах время - длина трещины. Проведен корреляционный анализ ¡экспериментальных данных на основе степенной зависимости СРТ от пяти параметров механики разрушения (коэффициента интенсивности напряжений Кт,- напряжения в нетто-сечении б^ом » эквивалентного напряжения , скорости распития трещднв 5 , скоростного энергетического интеграла С*. '

В результате эксперимента была получена серия первичных кривых роста трещин в координатах время - длина трещины. Характер ¡дривых определялся внешними параметрами нагруяеняя (температура, нагрузка) я структурой металла. Первичныо кривые служили исходнн-ми зависимостями для построения всех последующих кинетических диаграмм разрушения.

V. 20

В работе также измерялось раскрытие надреза, которое, будучи измерено по оси действия растягивающей силы, представляет собой смещение точек приложения нагрузки. Кривые смещения нагрузки, в общем, подобны первичным кривым роста трещины..^

Для всех параметров механики разрушения: силовых (КИН и эквивалентное напряжение и напрягенио в нетто-сечении), деформаци-

*

онного (скорость раскрытия трещины В ), энергетического (скоростной С* - интеграл) корреляционная зависимость СРТ выражается простой степенной функцией.

а = СР° (2)

где Р - выбранный параметр корреляции; . 1 '

С и и - константы, определяющие сопротивление материала

росту трещян в условиях ползучести. . В таблице I приведены коэффициенты уравнения (2) для установив-( шегося участка роста трещин ползучести, полученные корреляционным ' анализом по методу наименьших квадратов диаграмм статического' разрушения. Хотя эмпирическая зависимость (2) не охватывает все области диаграммы СРТ, ее ценность заключается в сравнительно простом для практики описаяяч стадии докритического роста трещины с воз- -1 ыожностыэ получения корреляционных соотношений используемых в рас-ечетах. Основной вопрос состоит в выборе наиболее подходящего параметра корреляции Р, для чего необходимо иметь представление о реаль* ных физических механизмах, контролирующих процессы накопления пов-" рездений впереди кончика трещины и ее распространения. ' ■

Коэффициент интенсивности напряжений как параметр линейной механики разрушения лучпэ работает в условиях высокого стеснения деформаций для относительно'хрупкого металла с высокими прочностными свойствами (сталь 15Х1М1£Д со структурой нижнего бейнита). Для расчета КШ в реальных изделиях с дефектами типа трещин пред-

Таблица I

Коэффициенты степенного уравнения корреляционной зависимости

СРТ от различных параметров нагруьсения

Структура ;Тампера-мо талла ¡тура ис-¡пытания,

• °с

(д:

а м о т р н а -г' р у т, е н п я

'ИС1Н

п !

С

<5V.it;

с*

г\

615 600 565 530 515

8,15-ИГ6 1,83-Ю-6 7,99 -КГ8 6,08 • 10'

2,9 3,2 3,7

4,1 ______

6,19.Ю~10 4,4 8,33'ГС-17

г9

1,46-Ю"7 2,2 2,64'Ю"7 2,4 1,26-Ю"8 2,5 9,01-Ю"8 2,4 1,Ш-10~10 3,1 8,79-Ю"10 3,1 23,1 4,36'10"^ 3»9 7,62-Ю"12 3,7 "" ! 2,76«Ю-15 5,04

0,91 1,50 1,1

615 600 565 530 515

4,86-Ю"14 4,19-Ю"14 2,94,-Ю-15 2,43-Ю"19 3,42'Ю"24

3,30-Ю"17 5,8 9,09-Ю"16 5,8 4,45'Ю"17 5,8 6,83 «ИГ16 5,8 7,68'10~Р 6,2 4,08'ПГ17 6,1 10,2 1,30'ЮГ28 9,3 1,02'Ю"23 8,3

8,5

8.5

8.6

2,95*10 1,6 9,28

12,8 1,10'ГО""3-^^ 1,72-Ю"36

12,8

1.7

[еталл в ,

:о стоянии 565 1,34'Ю-' юсле

жеплуатации

4,9 7,59'Ю"11 3,2 4,84.10_11

3,6 2,42-Ю3 1,4 . 6,89 1,4

ложено множество рекенлй аналитических и численных. Б этих условиях црименение ЮН в качестве параметра корреляции ОРТ и определения остаточной долговечности реальных конструкций является основным и наиболее хорошо разработанным методом рас-счета.

Для других, предельных условий при развитии ползучести, незначительной степени деформация и металле с пониженной дан-тельной прочностью (сталь 15Х1М1ФЛ с ферритной структурой) более оптимальным оказывается эквивалентное напряжение - б экв или напряжение в нетто-сечении б" ном.

Как показывают результаты работы, зависимость скорости ' роста трещины а ог скорости распития трещины о чувствительна к структуре металла. В то же время особенностью диаграмм, построенных в координатах о - а, является их неза- • висимость от температуры испытания. Экспериментальные точки, " полученные на образцах в интервале температур 5Г5-615°С укладываются в одну полосу разброса.

•' Особенности применения скоростного энергетического С 36 - ин- .' теграла в качестве корреляционного параметра вытекают из характера самого параметра С который является комбинацией напряжения в нетто-сечении. (5пеЬ и'-скорости раскрытия трещины ^ . Поэтому для диаграмм в координатах С я - а присущи особенности этих двух параметров. Как и для корреляции ОРТ по 5 1 характер зависимости С - а не меняется с изменением температуры испытания. Кроме того, разница в СРТ для различных микроструктур значительно меньше,, чем в случае корреляции по КИН или . Отмеченные особенности оз-

начают, что шкроструктурная и гог,тара тарная зависимость уао входят 'в величину С л . Другим отличием корреляции по С й - параметру является существенно меньший наклон аппроксимирующей прямой по сравнению с К и б"зкв.

Проведенный анализ корреляционных зависимостей СРТ показывает, что-три основшх параметра меха;п:ки разрупопгя: ксс-5ф::цнонт интенсивности напрякенлй Кг, эквивалентное папряяегпю (?ГЭКВ и контурный интеграл С 35 язляптся достаточная! для списания процесса роста трещина во всем возможном диапазона состсяипй з области соршины трещины.

Описание СРТ для одного материала в даух продельных по пластичности состояниях при псмоцп двух параметроз (К'л б ) весьма неудобно,. Кроме того зозкккает вопрос о подаэдяцом параметре дая промежуточной области по пластичности материала в условиях ползучести. В этом смысле заметным преимуществом обладает энергетический параметр механики разрушение С " - интеграл, удовлетворительно коррелирующий ^ СРТ ползучести в металле о различной структурой. Вместе с тем С- ж -параметр является интегральной характеристикой л в силу своих особенностей делает корреляционную зависимость не зависящей от целого ряда факторов, в частности, от температуры испытания. С точки зрения расчета конструктивных элементов это удобно, так как существенно упрощает расчеты. Однако с точки зрения исследования процесса роста трещины при выяснении влияния различных факторов, например, температуры, указанная особенность может быть недостатком. Нэкпм

образом выбор оптимального параметра корреляции СРТ в условиях ползучести ззезсит на только от условий нахруяения и структуры металла, но и от целей и задач исследования.

' Г. -V 14 - .л ,

Исследование роста трещин ползучести в интервала температур .. 515 - 615 °С показало монотонное возрастание СРТ с по.Ешлогпегл том-пературк во всем диапазона силовых нагрузок и для обеих ыикрострук- . тур. Кроме того, исследования выявили влияние температуры на показатель параметра в степенном уравнении (2), который возрастает и довольно значительно с погсгеониом температуры.

В четвертом раздело показаны структурные особенности и механизм роста трепдак в условиях ползучести. Выполнен анализ микроструктурных механизмов, контролирующих рост ыакротрещины, проведено исследование влияние структуры металла на кинетику развития трещин пол- •

>

зучес ти.

йрактографачоскиа исследования поверхности разрушения образцов показали, что шероховатость излома для ферритной структуры значительно выше, чем у бейкитнсй при одинаковых размерах зерна. Зна -

чительные деформации по телу и границе зерна вызывают рост-пласти- ; ческой зоны у вершины трещины, что приводят к увеличению числа . ; очагов разрушения. В металле с ферритной структурой образуются

отдельные трещгаы, которые затем сливаются с магистральной. Следа \ слияния отдельных тренда с магистральной образуют рубцы и ступеныш 1 на поверхности излома, которые увеличивают его шероховатость. |

I

В металле с бейнитной структурой трещина распространяется в ! основном по границам, расположенным перпендикулярно растягивающим ^ напряжениям. После обхода неблагоприятно ориентированных участков границы трещина возвращается на следующую нормально ориентированную границу. Для трещины в металле с ферритной структурой характерны заметные отклонения от нормального направления к линии действия

)

нагрузки, связанные с тем, что максимальная величина проскальзывания наблюдается на границах, наклоненных к оси растяжения под углом 45 В результате трещина проходит в направлении максимального

: i5

проскальзывания насколько границ зерон и только посла этого возращается в плоскость' расцространения фронта трепшш. Шероховатость такого излома естественно выше.

Изменение мпкромехакизма мэжзеренного разрушения проявляется ' , в переходе от разрушения путем слияния клиновидных трещин к образованию и слиянии ыикропор у верашны трещины при пошаектти темпера- j туры испытания и сникэнии'нагрузки. Для металла ci бейнптной струк- ! турой в интервала температур 515-530 °С рост макротрещнни происходит в результате слияния клиновидных трещин. При тогяюратурах 600-615 °С наблюдается образование и рост .такропор у ворпшны трещины, что приводит к ее росту. На фрактограммах такой характер разрушения оставляет границы зерон очень грубым,по не заостренными,

как в случае образования клиновидных трещин. Темпоратура 565 °С является, по-видимому , переходной от одного механизма к другому для данных условий нагружения. Для металла с ферритной структурой наблюдается аналогичная закономерность, но смена микромеханизмов разрушения-¡происходит при более высоких температурах. Для обеих структур рост трещины ползучести на стадии ее стабильного роста цроисходат по границам зерен, однако у более пластичной стали с ферритной структурой при температуре 515 °0 на отдельных образцах было обнаружено разрушонва по толу зерна. Характер развития трещины после эксплуатации весьма похож на рост трещины в металле ; ■ с ферритной структурой, однако СРТ значительно больше.

Наибольший интерес представляет переходная зона от трещины ползучести к долому. Разрушение металла при долоке в жидком азоте происходит по ослаблешшм границам зерен у воришки троены. Особенно ярко это проявляется у металла с бейнитной структурой, где граница имеют мелкоямчатыЯ рельеф, свидетельствующий о порообразо- (1'

вании по- границам. Для металла с ферритной- структурой по границам

• • . *

выявляются слада скольжения. Указанные особенности подтверждают -' наличие зоны повреждения у вершины трещины, в которой происходит подготовка разрушения. Протяженность этой зоны невелика-порядка нескольких ворон.

Сопоставлению характеристик роста трэвдн ползучести в металле с различной структурой и проведанный .¡.шкроструктуршй анализ их развития подтверждает.правильность комбинированной модели роста .трещины. В этой модели предполагается', что главным фактором, определяющим характер распространения трещины, являот'ся соотношение скоростей деформации"в матрица и на границе зерен впереди кончика

тращиш, при этом в послодаом случае основным механизмом деформации

считается зорнограничнсе скольжение.

Б зависимости от пластичности материала и условий нагружения (напряжение,температура) разрушение образца с трещиной можно отнести к следующим трем случаям.

Если материал очень пластичен при томпоратуре испытания, то обширная деформация матрицы снижает концентрацию напряжений быстрее, чем происходит образованно и рост микрогрещин. Все это приводит к притуплению трещины, а не к ее росту. • .

Если материал находится в достаточно хрупком состоянии, характеризующимся малой пластичностью в зоне кончика трещины, мекзерен-нов скольжение может вызвать образование значительных концентраций напряжений на стыке трех зерен или около выделений карбидов, что приводит к появлению или клиновидных трещин или пор. Если скольжение продолжается, клиновидная трещина может расти и соединяться о

магистральной трещиной, обеспечивая Т0М сашм относительно нецрерыв-

ноэ ее распространение.

Если межзеренное скольжение недостаточно интенсивно, то по границам зерен могут образоваться округлые поры, которые растут под влиянием процесса пластического течения или диффузии. В процессе роста поры объединяются и затем соединяются с основной трещиной, приводя к ее дальнейшему распространению. Все указанные ,механизмы наблюдались в эксперименте.

Основным отличием металла с ферритной структурой является пониженное сопротивление ползучести по сравнению с бейнитной структурой. Однако в условиях стабильного роста макротрещины указанное отличие является преимуществом, т.к. повышенная ползучесть приводит к быстрому перераспределению и релаксации напряжений в наиболее нагруженной области у вершины трещины.

В экспериментах были обнаружены ^распространяющиеся, стабилизировавшиеся трещины ползучести. Случаи торможения макротрещин были связаны с притуплением вершины трещины, взаимодействием вершины трещины с неблагоприятно ориентированной границей зерна, а также с ветвлением трещины.

В пятом разделе на основании выявленных структурных особенностей механизма роста трещины разрабатывается принципиально новое обобщенное уравнение для оценки и прогнозирования скорости роста трещины в условиях ползучести, сочетающее подходы микромеханики деформирования л макромеханики разрушения. Предложен инженерный метод оценки надежности металла корпусных элементов при наличии в | них дефектов типа трещин, основанный на использовании параметров -докритического роста трещин при ползучести. Проведена оценка ;

долговечности корпусов турбин Т-100-130 из стали 15Х1М1ФЛ на ста- | дии докритического роста трещин ползучести с учетом эксплуатационных, факторов.

. 4 * • - •■' • 18. л.

Наиболее точным и удобным методом расчета роста трещин ползучеста | до настоящего времени является применение степенной функции. Данный метод помимо сравнительно простой аналитической формы имеет также в ; простую линейную графическую интерпретацию. Коэффициенты степенного | уравнения зависят от температуры испытания и структуры металла за исключением случая применения в качестве параметра С й - интеграла, когда температурная и структурная характеристики уже входят в величину С Е . Тем не менее данный метод оказывается малопригодным для описания роста трещин в широком интервале силового и, особенно, температурного нагрукония. '

Признано целесообразным использовать дач расчета роста трещин ползучести кинетическое уравнение феноменологического типа, в котором в максимально возможной степени учитывается суммарный эффект влияния основных физических процессов ползучести и разрушения.

Как известно, для процесса ползучести металлов такое уравнение ' ' есть. Этс хорошо известное уравнение состояния, используемое для построения изохронных кривых ползучести и внесенное в отраслевой стандарт. Указанное уравнение описывает в кинетическом аспекте процесс ползучести металла до возникновения очагов разруиения,способных к росту.

Учитывая' общность физических процессов представляется возможным построение уравнения для ОРТ ползучести в широком температурно-вре-менном диапазоне, сочетающего микромеханику деформирования и макромеханику разрушения. Использованное в работе решение основывается

на рассмотрении уравнения механического состояния твердого тела, I

I

аналогичного уравнению механического состояния для ползучести сформулированного Ю.Н.Работновкм. В предлагаемой работе на основании \ имеющихся представлений и дакшх эксперимента была установлена связь механизмов явлений в конкретный вид уравнения.

Экспериментальные данные работы убедительно свидетельствуют о том, что СРТ связана"о температурой экспоненциальной зависимостью.

Числитель экспоненты представляет собой кажущуюся энергии активации роста трещины,т.е. зеличины энергетического барьера ,

который нужно преодолеть при каждом элементарном акте разрушения, .

приводящем к росту мзкро трещины

Поскольку АН -зависит в общем, от геометрии образца и длины трещины определение АН проводили для идентичных, одинаково нагруженных образцов. В этом случае трещинам одинаковой длины соответствуют равные значения силовых параметров и изменение СРТ ползучести можно отнестя исключительно за счет изменения температуры испытания.

, Полученные зависимости СРТ от температуры свидетельствуют о явной зависимости кающейся энергии активации от силового параметра". Четкую линейную зависимость энергии активации удается получить только при использовании в качество абсциссы логарифма силового параметра* "

В предэкспоненпиальную функцию общего выражения входят харак- . теристаки материала, слабо зависящие от температуры и напряжений су тарное влиянио которых можно представить введением в уравнение параметра Со =С0Пз1.

На основании проведенного анализа экспериментальных данных

СРТ в условиях ползучести выражается следующим общим уравнением.

а = С0 Т-С' (^з- С,епР)

(3)

ЯТ '

где а - скорость роста трещины ползучести;

Р - силовой параметр механики разрушения ( К^<э"Ь1йМ )

Т - температура испытания;

- газовая постоянная

С3'С4 ~ стРУктУР1!Ыа параметры материала, определяемые при обработка результатов испытаний.

Как показывает опыт, показатель степени для температуры, .

выразенныЁ параметром. С^ в предэкспоненцаальной функции, слабо зависит от свойств материала и может быть с достаточной степенью точности выражен 'значениями от 0 для бейннтной структуры до 2 для феррита с карбидами.

йким образом степенные зависимости ОРТ ползучести от силового параметра, подученные экспериментально для каждой температуры, являются частным случаем предложенного универсального уравнения, описывающего общие закономерности роста трещин ползучести. Это гарантирует более высокую надежность прогнозирования СРТ и долговечности при ползучести на стадии роста трещин и является принципиальным отличием метода от других аналогичных предложений.

В работе произведена проверка справедливости нового уравнения сопоставлением экспериментальных значений СРТ и рассчитанных по

обобщенному уравнении. Учитывая, что отклонение жаропрочных.характеристик (предела ползучести и длительной прочности) от расчетных значений в 2-5 раз рассматривается как удовлетворительное, можно

очитать, что предлагаемое уравнение достаточно точно аппроксимирует экспериментальные данные.

Данные для расчета кривой роста трещиш ползучести получаются при интегрировании уравнения с найденными числовыми значениями ._ коэффициентов.

' В работе предложен метод оценки надежности металла корпусных элементов цри наличии в них трещиноподобных дефектов.

После определения размеров дефекта (длина и глубина трещины и их , соотнощения) по имеющимся расчетным схемам определяются значения КЛН с учетом нагружающих факторов (внутреннего давления и температурного градиента). Результаты подобного расчета можно отвести к следующим трем основным случаям.

В персом случае контрольная прозорка показывает отсутствие трещин или полученные расчетные значения КИН доя обнаруженных трещин не превышают нокоторого порогового значения .

В этом случае выполняется условие прочности с позиций механики разрушения и имеющиеся трещины расти не будут. Вопрос о дальнейпей

эксплуатации изделия реиается традиционными способами с точки зрения

работоспособности металла, на имеющего макродефектов, при условии

постоянного наблюдения за поведением обнаруженных дефектов.

Во втором случае полученное расчетное значение КИН для имеющейся трещина равно или превышает 0,6? К1с, где - критическое значение КИН. Коэффициент 0,67 принят из соображений полуторного запаса прочности. В этом случае необходим ремонт корпуса или его замена.

В третьем случае, являющимся промежуточным, расчетный КИН находится между его пороговым и критическим значениями,т.е.

К,< 0,67%д. С течением времени подобная трещина может подрасти до критических размеров. В этом случае основной характеристикой работоспособности тела с трещиной является остаточная долговечность, представляющая собой врэмя от момента обнаружения трещины размером а© до достижения размера, при котором %(а) = 0,67К^-С.

Как показали эксперимента,, скорость роста трещины в металле

с бейнитной структурой может быть на порядок выше, чем для ферритной

структуры при . прочих равных условиях. Пренебрежение структурным параметром может привести к грубой переоценке остаточной долговечности корпуса с трещиной либо к необоснованной замене вполне работоспособной детали. При получении неудовлетворительного значения остаточной долговечности элемента, не позволяющего осуществить надежную работу корпуса до момента плановогб останова энергоагрегата,

" . -22.

может потребоваться изменение режима работы (понижение рабочей

температуры, уменьшение давления). N

> На основании комплекса проведенных исследований разработан -метод оценки долговечности корпусов ЦВД и АСК турбин Т-100-130 на стадии докритичоского роста трещин с учетом эксплуатационных фактор! и проведена' оценка долговечности корпусов ЦВД и АСК, имеющих трепано-подобный дефект, турбин Т-100-130, установленных на ТЭЦ системы Мосэнерго. Это дозволило дать рекомендации по продаению срока службы 16 корпусов ЦВД по параметрам роста трещины до 250 тыс .чао.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ К ВЫВОДЫ

X. Впервые проведаны систематические комплексные исследования влияния температурно-силоЕых условий нагружения и структурного состояния материала на кинетику докритического роста трещин цри

ползучести в литой стали 15ХШ1ФЛ.

2. Установлено, что структура металла оказывает решающее влияние на развитие . трещин ползучести, при этом феррато-корбидная структура обладает значительным преимуществом по сравнению с бей-нитной во всем реальном эксплуатационном диапазоне температур и напряжений.

Последнее существенно расширяет наши представления о взаимодействии процессов деформирования и разрушения при ползучести, так как общеизвестно, что на стадии деформирования бейштная структура имеет преимущество перед ферритной.

3. На основании проведенных исследований установлен структурный механизм распространения трещины ползучести, который определяй: ся дзукя конкурирующими процессами - общей деформацией материала

у вершины трвщпза, приводящей к релаксации напряжений, и процесса накопления повреждений по границам зерен, сливающихся с магистраль-ко:: трещиной. Соотношение кинетпк эти:: процзссоз определяет скорое:

роста макротрацины.

Большой ресурс внутрезеренлой пластичности (по сравнению с

зернограничной) приводит к обширной деформации матрицы , снижающей концентрацию напряжений в вершине трещиш быстрее, чем происходит зарождение я рост мляроповрездений пород фронтом трещины, что приводит к возможности притупления трещины и замедлению ее роста.

При квазихрупком состоянии материала меязеренноэ скольжение вызывает образование значительных концентраций нацрязевий на стыке

трех зерен, что приводит к появлению и росту клиновидных трещин.

Цри увеличении температурно-зременннх параметров нагружения и снижении, вследствие этого интенсивности ыекзеренного скольжения процесс роста трещины контролируется скоростью возникновения и роста пор, обычно связываемого с протеканием диффузионных процессов.

4. На основания выявленных структурных особенностей механизма роста трещины разработано принципиально новое обобщенное уравнение для оценки и прогнозирования скорости роста трещины в условиях ползучести, сочетающее подхода шкромехаяакц деформирования и макромеханики разрушения в виде

* г-ч -г«-»^2. „ _ с Сх — САбпР\

а = С0Т Р -)

Это уравнение позволяет описывать рост трещины ползучести и прогнозировать долговечность материала на стадии роста трещин в

широком диапазоне температурно-силовых параметров,

5. Разработан алгоритм а программа расчета на ЭВМ параметров обобщенного уравнения, определены ах численные значения для различных исследованных структур и показано, что теоретические оценки СРТ находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными.

6. Широко применяемое для расчета СРТ ползучести степенное уравнение типа Лариса является частным случаем обобщенного уравнения. В работе показано, что при использовании степенного уравнения в условиях Т= const необходимо определять его параметры в зависимости от структурного состояния материала.'

7. Предложен инженерный метод оценки нэде?хности металла корпусных элементов при наличии в них дефектов типа трещин, основанный на использован::;: параметров докрптичаского роста трещин при ползучести.

8. Рэзульгг,ты работа били использован: для оценки долговечности корпусов ЦВД турбин T-I00-I30 из стали ЕШШОЛ на стадии докритичосного роста трещпн ползучести с учетом эксплуатационных факторов, что позволило разработать рекомендации по продтешю срока службы 16 корпусов ЦВД до 250 гас.час.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

I. Туляков Г.А., Гриневский Е.В., Верещагин Ю.П. Влияние

ползучести в теплоустойчивой стали// Деформация и разрушение £

теплоустойчивых сталей.: Материалы конф. 1983г. - М: 1.1ДНП, 1983 - С. 10*

-к. ;

2. Туляков Г.А., Гриневский В.В., Верощагии Ю.П. Закономерности j роста трещин ползучести в литой теплоустойчивой стали с различной j структурой Ц Малоцикловая усталость - механика разрушения, шву- ! честь и материалоемкость конструкций.: Твз.докд. 17 Всесош.симпо- ) зиука 1983г.- Краснодар,IS83.- С.56.

3. Верещагин Ю.П., Туляков Г.А. Разработка г/.отода оценки долговечности стали 15ХШ1ФЛ из стадии роста тращш в условиях ползучести JJ Теплоэнергетика.- I£c9.- - C.6S-73.

■параметров нагрукения и структуры шталла на кинетику роста трещин