Механические свойства материалов в расчетах малоциклового деформирования конструкций

Нормативные расчеты прочности для несущих элементов экстремально нагруженных конструкций, в том числе атомных электростанций, допускают неупругое деформирование материалов этих элементов. При этом расчеты на малоцикловую усталость требуют учета факторов, не наблюдающихся при однократных нагружениях, таких как наличие кинетики циклических деформаций, циклическая ползучесть, влияние изменения режимов неупругого циклического деформирования при нормальной эксплуатации. При этом, как известно, материал может быть циклически упрочняющимся, разупрочняющимся или стабильным. Для первого из них при мягком нагружении с постоянной амплитудой напряжений в циклах размах деформаций с увеличением числа циклов снижается, а для второго — повышается. При жестком режиме нагружения с постоянной амплитудой деформаций максимальные напряжения в цикле для упрочняющегося материала увеличиваются, а для разупрочняющегося — уменьшаются. Кроме того, при мягком нагружении разупрочняющегося материала с ростом числа циклов происходит одностороннее накопление пластических деформаций. Указанные обстоятельства необходимо учитывать как при аналитическом описании кинетики диаграмм деформирования, так и в соответствующих расчетных уравнениях, входящих в нормы прочности. На ранних стадиях формирования расчетных методов для этих условий напряжения рассчитывали в предположении идеальной упругости материала. Такой подход использовали в связи с отсутствием доступных методов расчета сложной по постановке задачи неупругого циклического деформирования. Последующее развитие теории циклического упругопластического деформирования, аналитических и численных решений циклических краевых задач, создание численных методов расчета и мощных компьютерных пакетов принципиально изменило ситуацию — позволило проводить анализ и моделирование физически и геометрически нелинейных процессов деформирования. Показано, что переход от упругой приспособляемости (с упругим деформированием конструкции в стабильном цикле) к знакопеременному течению является плавным и непрерывным и подобен переходу от упругого деформирования к пластическому при однократном нагружении. Такой механизм соответствует условной границе перехода от малоцикловой к многоцикловой усталости при циклическом деформировании. При этом в расчетах предлагается использовать существующие относительно простые модели и экспериментально определенные параметры диаграмм циклического деформирования материалов. При современной постановке рассматриваемых задач принципиальное значение имеет как учет кинетики циклических и односторонне накапливаемых деформаций, так и допущение проявления в циклах эффектов ползучести. Такой подход позволяет также учитывать ускорение неустановившейся циклической ползучести вследствие предшествующей пластической деформации другого знака, которое может быть значительным.

1. Серенсен С. В., Махутов Н. А. Исследование закономерностей деформирования и разрушения мягкой стали при небольшом числе циклов / Заводская лаборатория. 1964. Т. 32. № 1. С. 268 – 269.

2. Langer E. F. Design of Pressure Vessels for Low Cycle Fatigue / Transactions of ASME. Ser. D. 1962. Vol. 4. N 3. P. 389 – 402.

3. ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Section VIII — Rules for Construction of Pressure Vessels. Division 2-Alternative Rules (BPVC-VIII-2 — 2019) — American Society of Mechanical Engineers. 2019. — 872 p. ISBN 9780791872888.

4. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002-86. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 525 с.

5. Gokhfeld D. A., Cherniavsky O. F. Limit analysis of structures at thermal cycling. — The Netherlands, Rockville, Maryland, USA: Sijthoff & Noordhoff, Alphen and den Rijn, 1980. — 537 p.

6. Прочность при малом числе циклов нагружения / Под ред. С. В. Серенсена. — М.: Наука, 1969. — 258 с.

7. Махутов Н. А., Фролов К. В., Стекольников В. В. и др. Прочность и ресурс водо-водяных энергетических реакторов. — М.: Наука, 1988. — 311 с.

8. Махутов Н. А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. — М.: Машиностроение, 1981. — 272 с.

9. Махутов Н. А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность. — Новосибирск: Наука, 2005. Ч. 1. — 493 с. Ч. 2. — 610 с.

10. Гаденин М. М. Характеристики механических свойств материалов в анализе условий достижения предельных состояний / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2012. Т. 78. № 2. С. 58 – 63.

11. Гаденин М. М. Особенности кинетики диаграмм циклического упругопластического деформирования при наличии в циклах выдержек и наложении на них переменных напряжений / Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2020. Т. 86. № 12. С. 46 – 53. DOI: 10.26896/1028-6861-2020-86-12-46-53

12. Махутов Н. А., Бурак М. И., Гаденин М. М. и др. Механика малоциклового разрушения. — М.: Наука. 1986. — 264 с.

13. Махутов Н. А., Чернявский О. Ф., Чернявский А. О., Гаденин М. М. Условия существования знакопеременного неупругого деформирования при малоцикловом нагружении / Проблемы машиностроения и надежности машин. 2008. № 5. С. 53 – 63.

14. Гохфельд Д. А., Гецов Л. Б., Кононов К. М. и др. Механические свойства сталей и сплавов при нестационарном нагружении. Справочник. — Екатеринбург: УрО РАН, 1996. — 408 c.

15. Понтер А. Р. Общие предельные теоремы для квазистатического деформирования тел из неупругих материалов с приложением к ползучести металлов / Механика деформируемых тел и конструкций. — М.: Машиностроение, 1975. С. 395 – 402.

16. Cherniavsky O., Rebiakov Yu., Cherniavsky A. Properties of steels and chromium-nickel alloys under low-cycle combined deformation / International Journal of Fatigue. October 2017. Vol. 103. P. 415 – 418.