Спосіб підвищення стійкості конструкцій до поширення тріщин

Изобретение относится к области изменения механических свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий. Оно может быть использовано для повышения предельного состояния и долговечности конструкций с трещиной, например, сосудов для хранения газа, корпусов испытательных камер высокого давления, энергетических реакторов. Известен способ повышения стойкости к распространению трещин охрупченного в процессе эксплуатации материала корпуса типа феррито-перлитных сталей 15Х2МФА и 15Х2НМФА, включающий операции нагрева корпуса до температуры, превышающей температуру его эксплуатации, выдержки при этой температуре и охлаждения [Pract'cal Experiance on Annaling to Extend PWR Reactor Vessels fife Time /Dragu-nov J.G., Fjodorov V.G., Getmanchuk A.V., Rogov M.F.// Truns, of I int. Conf. on Fracture Mechanieks in Reactor Technology 18-23 July - 91 - Tokyo Japan - Vol. F, P. 267-271]. Описанный способ позволяет повысить прочность материала конструкции, охрупченного вследствие нейтронного облучения при эксплуатации, за счет снижения его предела текучести. Однако, сопротивление хрупкому разрушению при этом уменьшается с каждым последующим отжигом. Кроме того, в некоторых сталях (например, в стали 15Х2НМФА) при отжиге возможно еще большее охрупчивание, что приводит к снижению сопротивления хрупкому разрушению. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ повышения стойкости конструкций к распространению трещин, включающий операции равномерного нагрева конструкции до температуры, ниже температуры отжига, ее технологической обработки и посяедующе-10 охлаждения [Авт.св. № 1675356, кл, С 21 D 7/02,1988]. Задача, решаемая указанным изобретением, состоит в получении оксидной пленки в вершине трещины, т.е. уменьшении эффективного раскрытия вершины трещины. Недостаток описанного решения состоит в недостаточной надежности конструкции, обработанной по описанному способу, который позволяет замедлить рост трещины только при циклическом нагружении металла с трещиной при низких уровнях циклического нагружения, при значении коэффициента интенсивности напряжений близких к пороговым. При статическом нагружении сосуда давления этот механизм упрочнения не работает. Предлагаемый способ повышает прочность металлов с трещиной при циклическом и статическом нагружении. В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания такого способа повышения стойкости элементов конструкций к распространению трещин, который позволил бы повысить надежность корпусной конструкции за счет созданий условий для затупления трещины - предотвращению страгивания трещины из ее вершины за ,чет увеличения радиуса кривизны вершины трещины. Под затуплением трещины следует понимать увеличение радиуса кривизны вершины трещины. Поставленная задача достигается тем, что в способе, включающем операции равномерного нагрева конструкции до температуры ниже температуры отжига, ее термомеханической обработки и последующего охлаждения, согласно изобретению, предварительно осуществляют испытания материала конструкций на статическую вязкость разрушения и по результатам испытаний строят диаграмму "вязкость разрушения" (Кіс) температура (Т), по которой определяют максимальное значение вязкости разрушения KIcMaKC в интервале температур Тко ≤ Τ ≤ ТСн, где ТКо - температура вязко-хрупкого перехода, ТСн - максимальная температура, при нагрево до которой и последующем охлаждении до исходной, предел текучести материала не изменяется, а террломеханическую обработку осуществляют при температуре То, которую определяют из выражения где Тмакс - максимальная температура, соответствующая значению вязкости разрушения, Еще одной особенностью предлагаемого способа является то, что операции нагрева и охлаждения осуществляют до введения конструкции в эксплуатацию. Термомеханическая обработка конструкций это обработка, заключающаяся в нагружении изделия, металл которого переведен в пластическое состояние путем нагрева. Новый технический результат предлагаемого изобретения состоит в создании условий для затупления вершины трещины -создания в вершине трещины пластической зоны. Предварительно изготавливают партию образцов, равной толщине элемента конструкции с трещиной, из материала, соответствующего материалу конструкции (в т.ч. по химическому составу, механическим свойствам, структуре и т.п.) испытывают их на статическую вязкость разрушения в предполагаемом диапазоне температур работы материала в составе конкретной конструкции и по результатам испытаний строят зависимость Kic = f(T). Затем с использованием выражения То = (0,9-1,0)Тмакс определяют диапазон изменения Кіс и соответствующую ему максимальную температуру Тмакс. Если вязкость разрушения монотонно возрастает или имеет пологое плато, не опускающееся в заданном интервале температур ниже величины Если диаграмма Кіс = f(T) имеет выраженный экстремум, то за величину Тмакс принимают максимальную температуру, соответствующую интервалу (0,9-1,0)К|Смакс Максимальную температуру, соответствующую заданному диапазону изменения Кіс выбирают исходя из того, что сопротивление хрупкому разрушению конструкции зависит от величины раскрытия вершины трещины, которой удается достичь при термомеханической обработке. Раскрытие вершины трещины тем больше, чем меньше предел текучести материала. В свою очередь предел текучести материала уменьшается с повышением температуры. Таким образом, большего повышения сопротивления хрупкому разрушению конструкции при одинаковом уровне нагрузки удается достигнуть при проведении термомеханической обработки при более высокой температуре. Затем с использованием выражения Т о = (0,9-1,0)Тмакс определяют температуру То, при которой обеспечивается минимальный предел текучести материала, при условии отсутствия структурных изменений. Авторами экспериментально установлено оптимальное значение Т о. Так при То 1,0 ТМакс также происходит снижение сопротивления хрупкому разрушению материала из-за его структурных изменений и накопления повреждений при термомеханической обработке. Поэтому оптимальной является температура То, удовлетворяющая соотношению То = (0,9-1,0)ТМакс. Конструкцию нагревают до температуры То и проводят обработку, с целью затупления вершины трещины, после чего конструкцию охлаждают. При проведении термомеханической обработки изменяют максимальноа раскрытие вершины трещины d, а сопротивление хрупкому разрушению, достигаемое в результате термомеханической обработки определяют по формуле Здесь Kf - вязкость разрушения при температуре, соответствующей опасному режиму эксплуатации (ниже температуры вязко-хрупкого перехода); s0,2 - предел текучести материала; Ε - модуль Юнга; μ - коэффициент Пуассона; n - коэффициент деформационного упрочнения; δ - максимальное раскрытие вершины трещины при проведении термомеханической обработки при температуре Т о. Значения s0,2 , Ε, μ и n -механические характеристики материала, определяемые при той же температуре, что и Kf. Наилучшие результаты дает обработка в соответствии с предложенным способом конструкций, которые еще не были в эксплуатации. Это обусловлено тем, что при эксплуатации, например, атомных энергетических реакторов под влиянием нейтронного облучения происходит повышение предела текучести материала их корпусов (охрупчивание). Эффективность термомеханической обработки зависит от того, какой величины раскрытия трещины удается достигнуть при ее проведении. Поскольку большее раскрытие вершины трещины достигается при более низком пределе текучести материала, то наилучшие результаты дает обработка конструкции, металл которой имеет наиболее низкий предел текучести, т.е. до введения ее в эксплуатацию. Для достижения большего сопротивления хрупкому разрушению металла конструкции, подвергшемуся радиационному охрупчиванию в процессе эксплуатации перед проведением обработки по предлагаемому способу, с целью снижения предела текучести материала, возможно использование отжига. Таким образом оптимизация процесса термомеханической обработки конструкции позволяет за счет специальных режимов обработки увеличить ресурс металла обрабатываемого объекта. Предложенный способ может быть использован для прогнозирования сопротивления хрупкому разрушению конструкции после ее термомеханической обработки. Для этого при проведении термомеханической обработки измеряют максимальное раскрытие вершины трещины и, с использованием предлагаемого выражения (1), определяют сопротивление хрупкому разрушению конструкции. Сущность изобретения поясняется при помощи графических материалов. На фиг. 1 приведена зависимость "вязкость разрушения (Кіс) - температура (Т)", монотонно возрастающая в пределах диапазона Tko≤T≤Tcn; на фиг. 2 - зависимость Кіс = Τ, имеющая пологое плато, не выходящее в заданном температурном диапазоне за пределы интервала (0,9-1)К|смак;с; на фиг.3 - зависимость К|с-Т, имеющаявыраженный экстремум и ниспадающую ветвь в области высоких температур, выходящую в заданном температурном диапазоне за пределы интервала (0,9-1,0)К|Смакс; на фиг. 4 представлена зависимость вязкости разрушения материала конструкции после термомеханической обработки от температуры, при которой термомеханическая обработка проводилась; на фиг, 5 схематически показано раскрытие вершины трещины при проведении термомеханической обработки. Пример 1. Предварительно изготавливали, в соответствии с ГОСТ 257506-85, компактные образцы толщиной 50 мм из материала, соответствующего по химическому составу структуре и механическим свойствам материалу корпуса реактора (сталь 15Х2МФА, s0,2 - 1100 МПа). На образцах выращивали исходную усталостную трещину, в соответствии с ГОСТ 25.506-85, с использованием сервогидравлической испытательной машины "Гидропульс 400 кН", фирмы Schenk (ФРГ). Часть образцов подвергали испытаниям на статическую вязкость разрушения в интервале температур 293-673 К, По результатам испытаний строили зависимость (фиг. 3) вязкость разрушения (Кіс) - температура (Т), по которой определяли температуру Тмакс, соответствующую диапазону изменения, вязкость разрушения (0,9-0,1)К|Смакс. Для исследуемого сплава Тмакс = 430 К. Остальные образцы нагревали до различных температур в интервале 373-573 К, и подвергали внецентренному статическому растяжению до величины К|(Т) = 0,85Kic(T). где Kjc-T - вязкость разрушения при температуре, при которой проводится термомеханическая обработка, определяемая по диаграмме Ktc-T (фиг. 3). При этом измеряли максимальное раскрытие вершины трещины (d) с помощью тензодатчика типа DSR 15/20 фирмы Schenk (ФРГ), с точностью измерения 0,25 мкм. Максимальное повышение сопротивления хрупкому разрушению материала было достигнуто при температурре Τ = 0,98 Тмакс = 432 K/K f = 150 МПа Öм. При перегрузке образца при температуре То = 373 К/То 1,0 Тмакс) лишь до 106 МПа Öм). Механические свойства материала конструкции, необходимые для прогнозирования повышения его сопротивления хрупкому разрушению определяли на образцах с цилиндрической рабочей частью 10 мм при одноосном растяжении. Испытания проводили на сервогидравлической машине Тидролульс 400 кН", с управляющей мини-ЭВМ А 16/240 ("General Automation", ПИА). Продольную и поперечную деформацию измеряли с помощью датчиков, соответственно DSR 15-20 и DSR 10/1М, фирмы Schenk (ФРГ), с точностью измерения не ниже 0,25 мкм. Результаты испытаний записывали на магнитный диск вычислительной машины и обрабатывали с помощью программы STATR2. Механические свойства материала определяли при той же температуре (293 К), при которой определяли сопротивление хрупкому разрушению конструкции после обработки по предлагаемому способу. В результате испытаний получали следующие механические характеристики: предел текучести s0,2 = 1100 МПа, модуль Юнга - Е=2·105 МПа, коэффициент Пуассона μ = 0,36, коэффициент деформационного упрочнения n = 0,01. Величина раскрытия трещины при перегрузке компактного образца в соответствии с предлагаемым методом составила δ = 60 мкм. Хрупкую прочность образца прогнозировали с использованием предложенной формулы подставляя определенные значения механических характеристик и раскрытия вершины трещины, получали: Сравнение результатов, полученных с помощью расчета (Kf = 148,4 МПаÖм) и результатов, полученных экспериментально (Kf =150 МПа Öм) показало, что предлагаемый способ прогнозирования сопротивления хрупкому разрушению материала конструкции после термомеханической обработки дает удовлетворительное соответствие. Пример 2. Предварительно из стали 15Х2МФА в двух структурных состояниях (s0,2 = 1100 МПа и s0,2 = 780 МПа) изготавливали компактные образцы, шириной 50 мм и выращивали на них исходную усталостную трещину, также, как в примере 1. По результатам испытаний на статическую вязкость разрушения для каждого структурного состояния стали 15Х2МФА строили исходную зависимость Kc-f(T), по которой определяли температуру То, в соответствии с предлагаемым способом. Образцы нагревали до температуры То и прикладывали к ним нагрузку Κι(Τ) = 0,85 К|С(Т). Затем образцы охлаждали до температуры 293 К и разрушали приложением статической нагрузки. В образцах из стали с s0,2 =780 МПа, в которых достигается большее затупление вершины трещины, вязкость разрушения повысилась, до 170 МПа Öм, в то время как в образцах из стали с s0,2=1100МПа лишь на 150 МПаÖм, т.е. имеет место существенное повышение сопротивлений хрупкого разрушения материала, подвергнутого предлагаемой термомеханической обработке. Пример 3. Предварительно из стали 15Х2МФА (s0,2 = 1100 Мпа) изготавливали компактные образцы шириной 50 мм, в соответствии с ГОСТ 25.506-85. Затем с помощью отжига снижали предел текучести материала до s0,2 = 780 МПа. После этого выращивали исходную усталостную трещину и проводили испытания так же, как и в примере 1. Сопротивление хрупкому разрушению образцов, подвергшихся отжигу, повысилось до Kf = 172 МПа Öм, в то время как в контрольных образцах (не подвергавшихся отжигу), вязкость разрушения повысилась только до Kf =· 150 МПа Öм. Таким образом, использование предлагаемого решения позволяет решить задачу - достичь максимально возможного повышения сопротивлению хрупкому разрушению корпусных конструкций, например, корпусов атомных энергетических реакторов, за счет оптимального выбора режима проведения термомеханической обработки, а также наиболее эффективного способа ее проведения. Кроме того, предлагаемое решение позволяет с удовлетворительной точностью прогнозировать повышение сопротивления хрупкому разрушению материала конструкции после проведения термомеханической обработки на основе деформационных критериев.