книги / Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Ч. 1

12

24

4i

18

31

19

29

26

Механическая или терми­ ческая усталость

Коррозионно-механиче­ ская усталость

Дефекты производства Прочие (в том числе и

невыясненные)

атомных

обычных

Причина отказов

/в

Число отказов сосу­ дов давления энерге­

тических установок,

0/

Т а б л и ц а 3.9. Статистика отказов сосудов высокого давления обычных энергетических установок и первых контуров атомных энергетических установок

Рис. 3.16. Распределение размеров дефектов, встречающихся в корпусах атомных реакторов:

а, б — соответственно дифференциальное и интегральное распределение

боте [48], показал доминирующую роль процессов усталости в возникновении и раз­ витии повреждений. Как следует из табл. 3.9, для сосудов высокого давления обыч­ ных энергетических установок из первого контура атомных электростанций наблю­ дается достаточно хорошее соответствие распределений отказов по причинам, их вызывающим. Это свидетельст­ вует об общности закономернос­ тей повреждения сосудов обеих групп. На основе этого анализа в работе [19] были сделаны сле­ дующие выводы об особенностях усталостного, в том числе мало­ циклового, повреждения сосудов высокого давления. Усталостное повреждение определяете? не­ стационарными режимами эгс-

ллуатации, приводящими к I teременным механическим нагруз­ кам и неоднородным температур­ ным полям. Существенную роль в усталостном повреждении иг­ рают локальные напряжения, обусловленные концентрацией, сваркой, технологическими де­ фектами, неоднородными темпе­ ратурными полями и т. п. Осо­

бенно опасно сочетание концентратов напряжений различной природы. Развитию усталостного повреждения способствует коррозионное воздействие

рабочей среды, которое приводит к поверхностным повреждениям и охрупчиванию материала.

Важен также вопрос хрупкого разрушения сосудов давления. Хотя такие разру­ шения встречаются редко, учитывая их катастрофические последствия, исключению

их следует уделять большое внимание. Весьма сложным механическим и тепловым воздействиям подвержены теплообменные аппараты (пароперегреватели). Подроб­ но этот вопрос рассмотрен в работе [89], где па основе анализа условий эксплуата­ ции теплообменных аппаратов отмечается, что основными повреждениями трубных систем являются:

малоцикловые (на базах от 101 до 104 циклов) — от действия больших амплитуд местных механических и температурных деформаций и напряжений, связанных с пусками и остановками энергетических установок, возникновением аварийных ситу­ аций, гидроиспытаниями повышенным давлением;

многоцикловые усталостные (на базах 104 — 5 • 105 циклов), обусловленные изменением давления и температур, при регулировании мощности установок от 5 до 60 %;

длительные статические, возникающие при высоких температурах,, когда на­ блюдаются деформации ползучести при длительной работе (на базах 108— 105 цик­ лов) на стационарном режиме по давлениям и температурам;

многоцикловые усталостные (на базе 107—1010 циклов), вызванные действием вибрационных напряжений от механических колебаний и гидродинамических уси­ лий, создаваемых потоками теплоносителя;

термоциклические (на базах до 103— 104 циклов), создаваемые повышенными разностями температур (до 473...723 К) в цикле в структурно-неоднородных матери­ алах труб и в зонах сварных швов;

коррозионные, вызываемые длительным действием теплоносителей; износ при контактных вибрационных взаимодействиях трубок между собой и с

перегородками.

Накопление отмеченных повреждений приводит к образованию трещин (малоцикловые, многоцикловые, длительные статические, термоциклические и коррозион­ ные) и остаточным деформациям (малоцикловые односторонние накопленные дефор­ мации и деформации ползучести), равномерному и локальному уменьшению толщи­ ны стенок (равномерные и местные коррозионные повреждения, износ).

В общем случае эксплуатационного нагружения имеет место сложное взаимо­ действие указанных выше повреждений. Расчетные и экспериментальные исследо­ вания каждого из перечисленных повреждений и тем более их взаимодействие пред­ ставляют значительные трудности, особенно с учетом приведенных характеристик реального процесса эксплуатационного нагружения.

Рис. 3.17. Схема изменения рабочих параметров и местных напряжений о в течении эксплуатационного цикла

Рис. 3.18. Эксплуатационные напряжения в корпусе цилиндра высокого давлеиияг / — о» 2—0,

к дополнительному охрупчиванию. Все это инициировало возникновение трещины, которая получила быстрое развитие в условиях циклического нагружения.

Во всех рассмотренных выше случаях разрушения деталей турбогенераторов имели место технологические дефекты, усугубленные в ряде случаев неправильным выбором материалов и его охрупчиванием в процессе эксплуатации.

Весьма сложная картина изменения напряжений — в корпусах цилиндров тур­ бины. На рис. 3.18 приведены напряжения, имеющие место в некоторых точках кор­ пуса цилиндра высокого давления в зоне регулирующей ступени при наиболее ха­ рактерном эксплуатационном режиме турбины; пуска из «горячего» состояния, ос­ танове и перевода ее в горячий резерв [144]. Как видно из рисунка, уровень напря­ жений в пределах эксплуатационного цикла достаточно велик и имеет весьма слож­ ный характер. Наиболее вероятный вид разрушения в этом случае — возникнове­ ние трещин малоцикловой усталости в зонах концентрации напряжений.

К числу основных проблем’ разработки современных ядерных реакторов, для когорых характерно глубокое выгорание ядерного горючего, относится проблема обеспечения надежной работы тепловыделяющих элементов (твэлов) и других эле­ ментов активной зоны.

Условия работы твэлов реакторов, например реакторов на быстрых нейтронах, достаточно тяжелы. Теплонапряженность твэлов большая (объемное тепловыделение до 900 квт/л активной зоны), и для съема тепла используются жидкие щелочные ме­ таллы (например, Na), прокачиваемые со скоростью 10 м/с и имеющие температуру на выходе из реактора до 873 К. При этом температура оболочки твэла достигает 1023 К, температура в центре топливного стержня (из U 02) превышает 2273 К, а ра­ диальные температурные градиенты в топливе составляют 500 град/мм. Время работы твэла достигает 104 ч при плотности потока быстрых нейтронов 1025— !01в н/(см2*с). Интегральный поток за время кампании составляет (1—3) • 1023 н/см2. При таких больших интегральных потоках объем конструкционных материалов

существенно	изменяется (увеличение объема — распухание аустенитной ста-
н — может	составлять 10 %), что в значительной степени определяет поведение

инструкционных элементов [73].

Для реакторов транспортных установок характерны частые пуски, остановы,. е;>сходы с одного уровня мощности на другой (не считая различных аварийных режи-

MOB), т. e. нагружение элементов активной зоны носит существенно переменный ха­ рактер. Транспортные установки обычно рассчитываются на продолжительное вре­ мя эксплуатации, в течении которого число переходных режимов может быть до­ статочно большим (несколько тысяч).

В процессе эксплуатации оболочки твэла испытывают длительное нагружение при постоянной или весьма медленно изменяющейся температуре (работа реактора на заданном уровне мощности), прерываемой теплосменами (переходные режимы). Оболочка нагружена меняющимися во времени внутренним давлением газовых про­ дуктов деления и распухающего, топлива, внешним давлением теплоносителя и не­ однородным тепловым полем (причем осевые температурные градиенты обычно зна­ чительно меньше окружных и радиальных) [73]. Все это делает задачу обеспечения прочности деталей активной зоны реактора весьма сложной и нуждающейся в хоро­ шем обеспечении данными о характеристиках сопротивления материала деформи­ рованию и разрушению в условиях, отображающих реальные условия эксплуатации.

Надежность обеспечения населения и промышленности электроэнергией опре­ деляется не только безотказной работой энергетического оборудования, большое значение имеет работа устройств распределения электроэнергии. В качестве приме­ ра можно привести аварию в январе 1965 г. в США, когда огромная территория пло­ щадью около 200 тыс. кв. км, где расположены такие города, как Нью-Йорк, Бостон и другие, в течении многих часов полностью оказались без электроэнергии [41]. В течении этого времени бездействовала огромная энергетическая система мощ­ ностью 48 мил. кВт. Убытки превысили 100 млн долларов. Как выяснилось в резуль­ тате расследования, причиной аварии явился отказ релев системе защиты Ниагар ской ГЭС, вследствие «пригорания» его контактов, т. е. вследствие недостаточной стойкости и прочности контактов в условиях знакопеременных механических нагру­ зок, электрических разрядов, коррозионного окисления и тому подобного, характер ных для условий работы реле. Материалы контактов должны обладать большой меха­ нической прочностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью, хорошисопротивлением окислению и др. Совмещение таких свойств возможно лишь в компо­ зиционных материалах типа вольфрам—медь и т. п. Некоторые свойства таких ма­ териалов приведены в табл, 2.75.

3.5. Детали и узлы общемашиностроительного назначения

В технике используется большое количество деталей и узлов обще­ машиностроительного назначения. К ним можно отнести неразъемные (заклепочные, сварные, прессовые) соединения; разъемные (болтовые и винтовые, шпоночные и шлицевые, клиновые) соединения; передачи (зубчатые и червячные, цепные, фрик­ ционные, гибкой связью, шатуиио-кривошидные); валы и оси, их соединения и опо­ ры (валы и оси, муфты, подшипники качения и скольжения); пружины и рессоры и Т. п. [93]. Условия эксплуатации, типичные разрушения и методы расчета на проч­ ность этих деталей и узлов подробно рассматриваются в многочисленной специаль­ ной литературе [9, 24, 51, 62, 135, 180, 192, 193].

Проводится большая работа по оптимизации этих деталей и узлов путем со­ вершенствования методов расчета на прочность и долговечность по критериям разрушеПия и износа, оптимизации конструктивных форм, снижения динамической и дру­ гой напряженности, не связанной с основными рабочими процессами, использова­ нием новых конструкционных и других материалов и методов их обработки н покры­ тий, позволяющих повысить рабочие характеристики и снизить материалоемкость и т. п. Все это требует более глубокого знания реальной напряженности деталей и узлов, действительных процессов, определяющих условия достижения материалами предельного состояния, характеристик сопротивления материалов деформированию и разрушению в этих условиях и т. д.

Важным является также переход от расчета на прочность и долговечность пс критериям статической прочности, которые наиболее часто используются в практи­ ке, к расчетам по критериям мало-, термо- и многоцикловой усталости, износа, меха­ ники разрушения, длительной прочности и т. п.

Не повторяя существующие многочисленные методы оценки напряженно-де­ формированного состояния и расчетов на прочность подобных деталей и узлов,

I M Ï

.Рис. 3.19. Схема сварного соедине­ ния

кратко рассмотрим условия нагружения и ти­ пичные отказы некоторых из перечисленных выше деталей и узлов. .

3.5.1. Неразъемные соединения. Для за­ клепочных, сварных и прессовых соединений наиболее опасным случаем нагружения явля­ ется циклическое, приводящее к усталостно­ му разрушению. Как правило, конструкции, в которых используются эти соединения (авиационные и космические, мосты, строи­ тельные металлические конструкции, валопроводы и т. п.), подвергаются весьма интен­

сивному циклическому нагружению. Некоторые данные по этому вопросу приведены зыше. Во всех этих соединениях имеют место неблагоприятные факторы,' способ­ ствующие снижению характеристик сопротивления усталостному разрушению.

' В случае заклепочных соединений — это концентрация напряжений, вызванная наличием отверстий под заклепки, фреттинг-коррозия, возникающая при проскаль­ зывании соединяемых поверхностей и заклепок. В сварных соединениях такими фак­ торами, снижающими выносливость, являются концентрация напряжений, небла­ гоприятные остаточные напряжения, сварочные дефекты. В прессовых соединениях— это повышенные удельные давления в местах контакта, приводящие к фреттинг-кор- розни, концентрация напряжений у кромок непрессованных деталей, шероховатость сопрягаемых поверхностей и т. п. Влияние этих факторов, особенно для высокопроч­ ных материалов, усугубленное коррозионными эффектами, может быть весьма су­ щественным, и эти факторы необходимо учитывать в расчетах при выборе предель-

Т а б л и ц а 3.11.	Сопоставление влияния отдельных факторов				при плоском
и линейном напряженном состоянии
		Снижение {—) или повышение (+) предела вы­
		носливости под влиянием изучаемого фактора,
				%
ф актор	*<т	Линейное	П лоское	напряж енное состояние
		н апря ­
		ж енное	а,/а, =	-0,47	О зМ = — 1
		состояние

Концентрация напряжений Изменение свойств около-

шовной зоны Остаточные напряжения

— 1	— 4 3	—	— 19
— 1	+ 1 7	—	0
— 1	— 2 4	— 3 4	— 3 6
0	0	—	— 2 3

П р и м е ч а н и е : o lt o s — главные напряж ения; отношение а 3/а , = — 1 соответств ует чис­ тому сдвигу (кручению}.

ных напряжений. Неучет этих факторов может привести к преждевременным разру­ шениям.

Концентрация напряжений около отверстий в заклепочном соединении опреде­ ляется наряду с геометрическими характеристиками и степенью заполнения отвер­ стий заклепными, возрастая при наличии зазоров. При сравнительно высоком уров­ не переменных напряжений и соответствующих им низких долговечностях (до 106) определяющим фактором является концентрация напряжений.

При снижении напряжений разрушение, как правило, определяется фреттннгхоррозией. Соответствующим образом изменяются место зарождения усталост­ ных трещин и процесс их развития.

На рис. 3.19 схематически показаны сварной шов и прилегающие к нему участ­ ии зоны термического влияния, характерные для малоуглеродистой стали [186). Учас­ ток I соответствует границе сплавления металла шва и основного металла. Он соответствует нагреву выше 1300... 1400 К и может иметь ширину до 2 мм; II—учас­ ток полной перекристаллизации, характеризуемый мелким зерном, ширина его ко­

леблется от 0,5 до 2,0 мм;				III — участок не­
полной перекристаллизации, на этом участке
шириной 0,5 ..Л ,0мм наблюдается лишь частич­
ное, измельчение зерен основного металла; учас­
ток IV шириной 2...5 мм соответствует нагреву
до 523...623 К; на	участке		V металл не претер­
певает видимых структурных изменений, на этом
участке толщиной от 4		до	22 мм может иметь
место старение.
По мере приближения к шву возрастает
твердость различных участков зоны термическо­
го влияния, что указывает на				повышение проч­
ности и снижение пластичности металла около-
шовной зоны. Наличие		сварного			шва приводит	Рис. 3.20. Зависимость пределов
к концентрации	напряжений,				возникновению
остаточных напряжений, неоднородности свойств						выносливости от теоретического
н повышенной вероятности возникновения де­						коэффициента концентрации на­
фектов типа непроваров, трещин и т. п.						пряжений
По данным работы		[165], коэффициент кон­

центрации напряжений для различных сварных соединений находится в пределах

1,3...2,3; для стыкового		соединения — 1,32; для прикрепления фасонок встык —
1,40; для	прикрепления	ребер жесткости— 1,55; для нахлесточного соединения
с обваркой	по контуру— 1,69, для нахлесточного соединения с фланговыми шва­

ми — 2,33 и т. д.

При всей важности учета концентрации напряжений в сварных соединениях, особенно при усталостном разрушении, следует учитывать, что снижение сопротив­ ления сварных соединений усталостному разрушению по сравнению с основным ме­ таллом происходит под влиянием не только концентрации напряжений, но и дру­ гих факторов, обусловленных образованием сварочного соединения. Так, на рис. 3.20 показана зависимость пределов выносливости от теоретического коэффициента кон­ центрации напряжений сварных соединений (2) и пластин с выточками (/) о теми же

теоретическими коэффициентами концентрации напряжений [166].

Сопоставление влияния различных факторов, имеющих место в сварном соедине­ нии, на характеристики сопротивления усталостному разрушению при изгибе, кру­ чении и изгибе с кручением на примере стали 10Г2С1 с пересекающимися сварными швами выполнено в табл. 3.11 [4]. На основе рассмотрения этих результатов можно сделать вывод, что интенсивность влияния остаточных напряжений зависит от вида напряженного состояния. Некоторые закономерности хрупкого разрушения свар­ ных соединений были рассмотрены выше (см. табл. 3.1).

В прессовомсоединении, например, в виде ступицы, напрессованной на вал, наиболее опасна зона вала в месте кромки ступицы. В точке А на рис. 3.21 [5] имеет место высокая концентрация напряжений; в случае переменных нагрузок здесь развивается фреттинг-коррозия. Все это повышает вероятность усталостного раз­ рушения.

На рис. 3.22 по данным работы Ц46], в которой с использованием метода фотоупру­ гости на моделях исследовалась концентрация напряжения, показана зависимость коэффициента концентрации напряжений от давления напрессовкн и дополнитель­ ного изгиба вала. По вертикальной оси на этом рисунке отложен коэффициент кон­ центрации напряжений, равный отношению наибольшего напряжения атах у кромки

Рис. 3.21. Схема контакта ступицы (/) и вала (2):

■а — после напрессовкн; б — при нагрузке изгибающим моментом; в — образование продук-

тов фреттннг-коррозин при повороте вала на 180°; г — выброс нз*под торца продуктов фрет* тинг-коррозин

		ступицы к номинальному напряжению от изгиба ств
		отдельно для сжатых а с,				растянутых а р волокон,
		и	среднее	значение	этого	коэффициента		сса =
		=	стс4-Ср
			—гг-— в зависимости от удельного давления Рс
		под ступицей и его отношения к напряжениям						изги­
		ба. Как видно из этого рисунка, в рассматриваемой
		точке имеет место высокая				концентрация напряже­
		ний. Схема		развития	процесса фреттинг-коррозии
		под торцом напрессованной ступицы показана на
		рис. 3.21. Более подробно процесс фреттинг-корро-
эффициентов	концентрации	зии рассматривается в следующем разделе.
			На рис. 3.23 в		качестве примера		приведены
напряжений от	контактного	кривые выносливости для образцов диаметром 30 мм
давления в ступице:		из сталей 35 и 38ХНМА с				напрессованными		втул­
J — аР'; 2 — а а'; S — а		ками из стали Ст4,			иммитиругощими		прессовые
		соединения		[124]. Из рисунка видно,			что предел
		выносливости сталей			при наличии прессового сое­
динения существенно снижается,			например, для стали 28ХНМА почти				в три	раза
по сравнению с гладкими образцами.

Используя поверхностные пластические деформирования, химико-термическую обработку, применяя полимерные покрытия, можно повысить характеристики со­ противления усталостному разрушению прессовых соединений. Некоторые данные по этому вопросу приведены на рис. 3.23.

3.5.2. Резьбовые соединения. Наиболее широкое распространение из разъем­ ных соединений получили резьбовые, которые можно условно разделить на крепеж­ ные соединения (шпилечные, болтовые) и резьбовые соединительные элементы (со­

единения тяг,	штанг		и труб). Крепежные соединения в процессе сборки получают?
предварительное		монтажное		усилие			(затяг),
обеспечивающее		нераскрытие			стыка.			Опти­
мальные режимы работы таких соединений
осуществляются при больших значениях уров­
ней напряжений		предварительной				затяжки.
В связи с этим крепежные соединения								рабо­
тают в условиях		асимметричных				циклов на­
гружения.					элементы (тя­
Резьбовые соединительные
ги, штоки, трубы), в отличие					от крепежных,
работают как при симметричном, так и несим­
метричном цикле нагружения,					что	наклады­
вает свои особенности на процессы деформи­
рования и разрушения в соединениях 1129).
Резьбовые крепежные и соединительные эле­
менты в основном воспринимают						осевые на­
грузки. Из-за погрешностей изготовления
сопрягаемых	деталей		могут иметь места так­
же нзгибные	напряжения.			Наиболее				часто
в резьбовых соединениях имеют место уста­
лостные разрушения,			вызванные			цикличес­
кими нагрузками. В литературе [129] отме­
чается, что наряду с разрушениями от много­
цикловой усталости, характерной						для		резь­
бовых соединений, наблюдаются и разруше­
ния от малоцикловой усталости.								разру­
Анализ видов эксплуатационных
шений резьбовых соединений показывает [14,									образцов из	сталей	35 (/, 3, 4, 6)
190, 193],что приблизительно 50% разруше­									и 38ХНМА	(2, 5, 7, 8):
ний происходят		вследствие			несовершенства				J, 2 — с напрессованными втулками;
их конструкции и методов расчета, 25 % —									4, 7 — без втулок; 3, 5 — со втулками*
по вине изготовления,' 25% — в						результате			механо-ультразвуковая		обработка;
неправильной-эксплуатации					машин		и уста-		8 — без втулок, механо-ультразвуко­
									вая обработка

Т а б л и ц а 3.12, Кратковременная прочность резьбовых соединений при повышенной и высокой температурах

Механические ха­ Материал рактеристики заго­ товок при 293°К

шпильки (гладко­

Термообработка

гаЛкл

Л ’

б. %

Ф. %

го образца)

МПа

38ХА

13Х11Н2В2МФ

Закалка

с

1133 К

в масло,

от-

950

12

64

пуск при 783 К,

охлаждение

на

воздухе

13Х11Н2В2МФ

13Х11Н2В2МФ

Нормализация

при

1273 К.

за-

930

11,5

60

калка

с

1273 К в масло,

от­

пуск при 833 К на воздухе

45Х14Н14В2М

13X11Н2В2МФ

Закалка

с

1313 К,

охлаждение

.940

22

39

в воде в

течение 80 мин,

ста­

рение

при

943 К (12 ч),

повы­

шение

температуры до 963 К

в течение

12 ч,

охлаждение

ХН28ВМАБ

ХН77ТЮР

на

воздухе

Закалка

с

1403 К,

охлаждение

800

39,6

60

на

воздухе

ХН77ТЮР

ХН77ТЮР

Закалка

с

1453 К,

охлаждение

1030

24

26

на

воздухе

(8'

ч), старение

при

973 К (16 ч),

охлаждение

ХН70ВМТЮ

ХН77ТЮР

на

воздухе

1140

Закалка

с

1463 К,

охлаждение

14,5

62

на воздухе (2 ч), закалка с

1333 К, охлаждение на

возду­

хе (4 ч), старение при

1073 К

(14 ч),

охлаждение на воздухе

Пределы кратковремеииоЛ прочности образцов, МПа, при температуре, 1\

нв

	293	473	673	873	1073	1223
275	1160	1070	940	360	110	80
	•950	900	830	280	90	70
309	1120	1060	910	510	170	100
	980	860	740	430	146	70
302	990	850	800	620	330	130
	940	840	780	617	250	90
281	920	840	750	700	340	208
	800	770	710	640	340	140
293	1200	1090	1020	1000	700	234
	1030	1000	970	890	600	140
333	1470	1420	1340	1300	775	234
	1140	1100	1010	990	750	167

10Х1Ш23ТЗМР ХН77ТЮР	Закалка с	1273 К,		охлаждение 1000 22	40,5 341 1260	1120	1050	1010	640	380
	в масле	(2	ч),	старение при	1000	980	890	750	580	260
	1023 К	(16	ч), охлаждение на

Пр и м е ч а н и е . Над чертой приведены значения о8 для резьбовых соединений, под чертой — < а для гладких образцов.