Бучатский Андрей Александрович. Разработка методов прогнозирования длительной и циклической прочности аустенитных сталей в условиях нейтронного облучения на основе физико-механического моделирования процессов разрушения

Краткое описание

Бучатский Андрей Александрович. Разработка методов прогнозирования длительной и циклической прочности аустенитных сталей в условиях нейтронного облучения на основе физико-механического моделирования процессов разрушения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.16.09 / Бучатский Андрей Александрович; [Место защиты: ФГУП "ГНЦ "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей""].- Санкт-Петербург, 2010.- 259 с.: ил.

Федеральное государственное унитарное предприятие
«Центральный научно-исследовательский институт
конструкционных материалов «Прометей»

На правах рукописи
УДК 669.15-194.56: 621.039.531: 539.434

Бучатский Андрей Александрович
04201056658
03.06.2010
Разработка методов прогнозирования длительной и циклической прочности аустенитных сталей в условиях нейтронного облучения на основе физико-механического моделирования процессов разрушения
Специальность 05.16.09 -Материаловедение в машиностроении Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
доктор технических наук

Б.З. Марголин
Научный руководитель:

Санкт-Петербург 
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 6
1. Существующие методы прогнозирования свойств материала для расчета на прочность элементов реакторов на быстрых нейтронах 10
1.1. Условия работы и прочность элементов реактора на быстрых нейтронах 10
1.1.1. Условия эксплуатации, характерные типы нагружения и предельные
состояния элементов реактора 10
1.2. Методы прогнозирования длительной прочности материалов в исходном и облученном состояниях 16
1.2.1. Эмпирические подходы 16
1.2.2. Использование теории Качанова-Работнова 18
1.2.3. Учет влияния нейтронного облучения 19
1.3. Методы прогнозирования циклической прочности 20
1.3.1. Методы прогнозирования циклической прочности без учета ползучести 20
1.3.2. Методы, прогнозирования циклической прочности при наличии ползучести 21
1.4. Обзор методов, описывающих кинетику роста трещины при длительном статическом нагружении 24
1.4.1. Анализ зависимостей, описывающих кинетику роста трещины при
ползучести 24
*
1.4.2. Расчетные методы определения С -интеграла 32
1.5. Анализ существующих методов, их ограничений и постановка задачи исследования .37
1.5.1. Анализ методов прогнозирования длительной прочности 37
1.5.2. Анализ методов прогнозирования циклической долговечности 38
1.5.3. Анализ методов прогнозирования скорости роста трещины в условиях ползучести 41
?
1.5.4. Постановка задач исследования 42
2. Прогнозирование длительной прочности и пластичности аустенитных материалов в условиях ползучести и нейтронного облучения 43
2.1. Физико-механическая модель межзеренного разрушения 43
2.1.1. Критерий разрушения 43
2.1.2. Уравнение зарождения пор по границам зерен 45
2.1.3. Уравнение роста пор 47
2.1.4. Определяющие уравнения 52
2.2. Определение параметров, необходимых для расчетов по модели 59
2.2.1. Механические свойства в исходном и облученном состояниях 59
2.2.2. Распухание при нейтронном облучении 60
2.2.3. Ползучесть при нейтронном облучении 60
2.2.4. Определение калибровочных параметров модели 68
2.3. Прогнозирование длительной прочности и пластичности аустенитных материалов при различных температурах и условиях облучения 69
2.3.1. Верификация модели 69
2.3.2. Построение расчетных кривых длительной прочности для стали типа
Х18Н9 86
2.4. Методы расчета долговечности элементов конструкций 92
2.4.1. Расчет повреждений с помощью силового и деформационного критериев 92
2.4.2. Определение критерия начала второй стадии ползучести 96
2.4.3. Выбор консервативного подхода для оценки повреждений 105
2.5 Выводы по главе 2 106
3. Прогнозирование сопротивления малоцикловому и многоцикловому усталостному разрушению при нейтронном облучении стали типа Х18Н9 109
3.1. Основные положения процедуры построения кривых усталости 109
3.2. Процедура построения кривых усталости при отсутствии эффектов ползучести (Т<450°С) 117
3.2.1. Учет асимметрии цикла нагружения 117
3.2.2. Определение параметров в уравнении Коффина-Мэнсона 118
3.2.3. Описание температурных зависимостей параметров а0д, а„ и sf уравнения Коффина-Мэнсона аустенитных сталей в условиях нейтронного облучении 119
3.2.4. Расчетные кривые сопротивления усталостному разрушению при
Т <450 °С 120
3.3. Процедура построения кривых усталости при наличии эффектов ползучести (Т>450°С) 121
3.4. Верификация метода прогнозирования циклической прочности 123
3.4.1. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов (для
. материала в исходном состоянии) 123
3.4.2. Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов (для материала в облученном состоянии) 136
3.5. Построение нормативных кривых сопротивления усталостному разрушению 159
3.6. Процедура формирования циклов при сложном нагружении и объемном напряженном состоянии 165
3.6.1 Процедура определения профиля нагружения и размаха деформаций
при нестационарном нагружении 165
3.6.2 Формирование циклов нагружения 168
3.7. Расчет повреждений при взаимодействии усталости и ползучести 171
3.8 Выводы по главе 3 180
4. Прогнозирование кинетики трещин в условиях ползучести и нейтронного облучения 182
4.1. Обобщение имеющихся данных по скорости роста трещин при ползучести для аустенитных сталей в исходном состоянии 182
4.2. Процедура учета влияния нейтронного облучения на скорость роста трещины в условиях ползучести 190
4.3. Определение коэффициентов зависимости скорости роста трещины в условиях нейтронного облучения 195
4.3.1. Влияние флакса нейтронов и температуры на скорость роста трещины
при ползучести 195
4.3.2. Влияние предварительного флюенса нейтронов на скорость роста трещины при ползучести 201
4.3.3. Нормативные кривые скорости роста трещины аустенитных сталей в условиях ползучести и нейтронного облучения 208
4.3.4. Оценка сходимости результатов прогноза процесса роста трещины ползучести 213
4.4. Расчет роста трещины в элементе конструкции по механизму усталости
и ползучести 215
4.6. Выводы по главе 4 217
Выводы по работе 219
Приложение 222
Литература 224

Список литературы

Выводы по работе
1. Показано, что нейтронное облучение приводит:
- к увеличению доли межзеренного скольжения при упрочнении тела зерна за счет возникновения в нем радиационных дефектов, и как следствие к увеличению скорости зарождения пор по границам зерен;
- к ускорению диффузионных процессов (диффузии вакансий) и, как следствие, к увеличению скорости роста пор;
- к увеличению скорости ползучести;
Эти процессы приводят к снижению длительной прочности и пластичности материала.
2. Разработана и верифицирована физико-механическая модель межзеренного разрушения, учитывающая влияние нейтронного облучения, на длительную прочность и пластичность аустенитных сталей. Верификация проведена для сталей типа Х18Н10Т и Х18Н9.
3. Разработан алгоритм определения параметров физико-механической модели на основе результатов кратковременных и длительных испытаний на растяжение в исходном, облученном (пост-реакторные испытания) и облучаемом (внутриреакторные испытания) состояниях материала.
4. Сформулированы определяющие уравнения для описания вязкопластического деформирования материала с учетом его разрыхления, обусловленного зарождением и ростом пор. На основании обобщения экспериментальных данных получены уравнения, описывающие увеличение скорости ползучести в зависимости от уровня интенсивности потока нейтронов.
5. Для построения нормативных зависимостей длительной прочности разработана процедура определения коэффициентов запаса. Введен коэффициент запаса, обусловленный разбросом свойств материала, и коэффициент запаса, связанный с погрешностью прогнозирования длительной прочности с помощью физико-механической модели. Построены нормативные кривые длительной прочности для стали типа Х18Н9, (один из основных материалов для изготовления элементов РУ типа БН) при различных уровнях интенсивности потока нейтронов.
6. Проанализированы различные критерии для расчета повреждений при нестационарном нагружении элемента конструкции в режиме ползучести и показано, что:
а) силовой критерий является консервативным, если напряжение возрастает (т.е. переходит с низкого уровня к высокому).
б) силовой критерий является неконсервативным, если напряжение снижается (т.е. переходит с высокого уровня на низкий).
в) деформационные критерии в большинстве случаев дают адекватный прогноз. Ввиду сложности использования деформационных критериев, требующих точной оценки деформаций ползучести, для расчета повреждений и долговечности элементов конструкций предлагается в практических расчетах использовать силовой критерий. Применение силового критерия обеспечивает адекватные или консервативные оценки повреждений, в случае выполнения следующих условий:
- нагружение конструкции характеризуется периодическим изменением напряжения;
- НДС элемента конструкции описывается только Iой и IIой стадией ползучести. Третья стадия ползучести не учитывается.
7. Проведены экспериментальные исследования по определению сопротивления термической усталости облученных образцов, вырезанных из пакета-имитатора тепловыделяющей сборки, облученного в реакторе БН-600.
8. Разработан и верифицирован метод прогнозирования циклической прочности аустенитных сталей при различных температурах, учитывающий влияние скорости деформирования и нейтронного облучения. Для построения семейства кривых усталости с различной скоростью деформирования в цикле используются данные по длительной прочности и пластичности. Данный метод позволяет получить семейства кривых усталости при различных флюенсах и интенсивностях потока нейтронов.
9. Посредством сопоставления экспериментальных данных и прогнозируемых величин определены коэффициенты запаса и построены нормативные кривые усталости.
10. Выполнен анализ суммирования повреждений при взаимодействии усталости и ползучести. Показано, что принцип линейного суммирования повреждений не дает консервативной и адекватной оценки долговечности, в связи с чем рекомендован метод нелинейного суммирования повреждений, используемый в кодах США и Франции.
11. Разработан метод прогнозирования скорости роста трещины в условиях ползучести с учетом нейтронного облучения. Метод базируется на расчете НДС элементарной ячейки у вершины трещины и анализе ее долговечности на основе физико-механической модели межзеренного разрушения.
12. На основании проведенных по разработанному методу расчетов получены инженерные зависимости, позволяющие прогнозировать развитие трещины во времени при различных уровнях интенсивности потока нейтронов и накопленного к моменту начала развития трещины флюенса нейтронов.
13. Разработанные методы и подходы, а так же полученные на их основании нормативные кривые и зависимости легли в основу отраслевого руководящего документа “Методика расчета прочности основных элементов реакторных установок на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. РД ЭО