научная статья по теме ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ТОНКОСТЕННОГО ТРУБЧАТОГО ОБРАЗЦА В УСЛОВИЯХ ОСЕВОГО РАСТЯЖЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ НАГРУЖЕНИЯ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ТОНКОСТЕННОГО ТРУБЧАТОГО ОБРАЗЦА В УСЛОВИЯХ ОСЕВОГО РАСТЯЖЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ НАГРУЖЕНИЯ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

№ 4, 2015

УДК 539.3

© 2015 г. Капустин С.А., Чурилов Ю.А., Панов В.А.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОРРОЗИОННОГО РАСТРЕСКИВАНИЯ ТОНКОСТЕННОГО ТРУБЧАТОГО ОБРАЗЦА В УСЛОВИЯХ ОСЕВОГО РАСТЯЖЕНИЯ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ НАГРУЖЕНИЯ

Научно-исследовательский институт механики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского,

г. Нижний Новгород

Предложен вариант модели и алгоритмы численного исследования на основе метода конечных элементов процессов коррозионного растрескивания под напряжением элементов конструкций, работающих в условиях агрессивного воздействия коррозионной среды. Для оценки работоспособности предложенных моделей и алгоритмов проведено численное моделирование процесса разрушения тонкостенного трубчатого образца, частично погруженного в жидкую хлоросодержащую среду, при различных уровнях растягивающих осевых напряжений.

Среди большого числа известных в настоящее время видов коррозии одним из наиболее опасных видов считается коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), обусловленное совместным взаимодействием химических реакций в материале с механическими эффектами, определяемыми изменением напряжений и деформаций.

Согласно современным представлениям о механизмах КРН [1—4] развитие этого процесса связано с разрушением пленки, защищающей поверхность металла от агрессивного влияния коррозионной среды и последующего анодного растворения металла. При этом ускоренный процесс коррозии, вызванный действием растягивающих напряжений и коррозионной среды на незащищенную пленкой поверхность металла, может замедляться при снижении напряжений, вследствие поляризации и повторного образования (залечивания) защитной пленки, обусловленных изменением концентрации электролита. Таким образом, возникновение и развитие процесса КРН можно рассматривать как результат взаимодействия трех взаимодействующих процессов: разрушения защитных пленок на поверхности металла в результате его деформации; анодного растворения металла в области, свободной от защитной пленки; образования новой защитной пленки в результате залечивания.

Обзор публикаций, посвященных созданию методов оценки влияния агрессивного воздействия коррозионных сред на развитие повреждений в конструкционных материалах ядерных энергетических установок и, в частности, процессов КРН, показывает, что эта проблема является весьма актуальной и малоизученной. В ряде работ [1] также отмечается, что наиболее важные результаты по созданию теории и математических моделей для надежного прогнозирования количественных характеристик воздействия коррозии на долговечность конструкций были получены в работах [2, 3], относящихся к концу 70-х—началу 80-х годов прошлого столетия. Среди публикаций,

характеризующих основные направления современных исследований КРН, можно назвать работы, в которых скорость роста коррозионных трещин изучается с позиций механики разрушения материала в кончике трещин [4], и работы, посвященные изучению механизмов зарождения трещин КРН с позиций физики металлов [5]. В статье [6] предложен вариант численной методики, позволяющей исследовать поведение элементов конструкций из нержавеющих сталей в условиях агрессивного воздействия коррозионных сред на основе математической модели, описывающей процессы КРН при квазистатических термосиловых нагружениях в рамках соотношений механики поврежденной среды. На основе этой методики, реализованной в составе программных средств вычислительного комплекса УПАКС [7], проведены численные исследования, подтвердившие работоспособность созданных средств и показавшие хорошее согласование результатов численного моделирования с известными экспериментальными результатами.

Настоящая статья посвящена оценке влияния уровня напряжений на процесс КРН нержавеющих сталей по результатам численного моделирования на основе названной методики [6] процесса коррозионного растрескивания тонкостенного трубчатого образца в условиях осевого растяжения.

Вариант математической модели, описывающей в рамках соотношений механики поврежденной среды процессы КРН нержавеющих сталей в условиях агрессивного воздействия коррозионных сред при квазистатических термосиловых нагружениях. Предлагаемая модель включена в состав общей модели поврежденного материала, реализованной в вычислительном комплексе УПАКС [6, 7]. В модели, согласно рассмотренному выше механизму, возникновение и развитие процесса КРН представляется как результат взаимодействия процессов разрушения защитной пленки на поверхности металла, анодного растворения металла и образования новой защитной пленки [6].

При описании поведения пленки предполагается, что при действии растягивающих напряжений в материале пленки могут накапливаться необратимые деформации еп, меняющиеся со скоростью еп(Т, у, ст:), зависящей от температуры коррозионной среды Т, степени агрессивности среды, характеризуемой параметром у, и уровня растягивающих напряжений, характеризуемых значением главного растягивающего напряжения Процесс накопления необратимых деформаций пленки представляется в виде суммы вкладов элементарных изменений необратимых деформаций пленки на участках активного действия растягивающих напряжений:

ъt

еп = ^ 8 еп, 8 еп = |бп( t) Л, где Ы — промежуток времени, в пределах которого

о

й<зх/йг > 0.

При достижении деформацией еп некоторого предельного значения еп (Т, у) (еп > егп)

происходит мгновенное разрушение защитной пленки.

Для характеристики текущего состояния пленки вводится понятие относительной

толщины пленки к. В начальном состоянии к = 1, еп = 0. Полностью разрушенной

пленке соответствует значение к = 0.

Также предполагается, что в частично или полностью разрушенной пленке при

к < 1 при возникновении условий < 0 происходит залечивание пленки со скоро-

стью = Ег(Г, у).

Изменение толщины пленки в результате залечивания представляется в виде

51

Акг = ^8к1, 8к1 = (t)М, где 8^ — время, при котором й<з1/& < 0.

о

Таким образом, при условии йст:/й? < 0 в точке материала будет происходить увеличение толщины пленки к = к + Акг при к < 1,0.

При повторных растяжениях, т.е. при йст:/й? > 0, снова может произойти разрушение пленки, если вновь накопленная деформация еп достигнет предельного значения

еп > егп ■ к , где к — текущее значение толщины пленки. Разрушение также происходит

мгновенно, при этом к = 0, еп = 0.

Таким образом предполагается, что толщина пленки кк может либо монотонно увеличиваться при йст:/й? < 0 до значения к < 1, либо мгновенно разрушаться до значения к = 0 при условии еп > егпк , где еп — накопленное значение растягивающей необратимой деформации пленки на текущем участке восстановления при кк > 0.

Для описания изменения свойств металла в процессе его коррозии предполагается, что после разрушения пленки при к = 0 происходит анодное растворение металла под пленкой, сопровождающееся деградацией прочностных свойств. В рамках предлагаемой модели принимается, что в процессе анодного растворения происходит снижение

текущего значения предела прочности металла <зК при растяжении.

Скорость растворения металла £м принимается зависящей от температуры Т, параметра у, а также от уровня растягивающих напряжений Ем = Ем(Т, у, ст:).

Таким образом, агрессивное действие коррозионной среды на незащищенный оксидной пленкой материал, находящийся в условиях растяжения, снижает его прочностные характеристики, что в итоге приводит к развитию в материале хрупких повреждений, завершающихся появлением трещины, открывающей доступ коррозионной среды к внутренним волокнам материала.

При снижении уровня растягивающих напряжений (при йст:/й? < 0) на незащищенных поверхностях материала происходит образование новой пленки, и процесс разрушения будет приостановлен.

Ввиду принятого предположения о хрупком характере КРН для описания процесса накопления повреждений, связанных с коррозией металла, используется вариант модели накопления хрупких повреждений [6, 8] с учетом рассмотренной выше зависимости предельных напряжений от параметров, характеризующих результаты воздействия коррозионной среды.

Приведенные соотношения позволяют описать процесс КРН материала при известных значениях параметра коррозионной среды у, температуры Т, времени ? воздействия коррозионной среды, параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние (НДС), историю необратимого деформирования и накопления повреждений в точке материала, которые определяются из решения соответствующей краевой задачи деформирования исследуемого объекта. Также должны быть известны материальные функции моделей, используемых в процессе решения задачи, список которых должен быть дополнен функциями, необходимыми для реализации предложенной модели КРН: егп, еп, Ем, е2.

Перечисленные функции, зависящие от температуры коррозионной среды Т, параметра агрессивности среды у и уровня растягивающих напряжений должны быть получены на основе проведения соответствующих прямых или косвенных экспериментов.

Реализация модели в задачах исследования процессов КРН элементов конструкций на основе МКЭ. Ввиду специфических особенностей развития процессов КРН в реальных материалах, реализация рассмотренной вьше модели в задачах исследования процессов коррозионного разрушения элементов конструкций на основе МКЭ не является тривиальной и требует введения ряда дополнительных предположений.

Согласно существующим представлениям реальный процесс КРН носит хрупкий характер, и область разрушения локализуется в пределах малых объемов материала, определяемого размерами нескольких зерен материала. Однако МКЭ по своей природе оперирует с осредненными или простейшими распределениями физических величин в пределах рассматриваемых конечных элементов. При этом густота сетки конечных элементов при решении практических задач не может быть доведена до такой степени детализации, чтобы описать конфигурацию отдельных зерен. Поэтому в предлагаемой методике введено предположение об осреднении физических величин, характеризующих КРН в пределах используемого геометрического носителя физической информации конечных эл

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»