Разработка и идентификация определяющих и кинетических соотношений ползучести и длительной прочности с учетом влияния коррозионно-активной среды посредством физико-химических процессов ее взаимодействия с материалами элементов конструкцийНИР

Development and identification of constitutive and kinetic relations of creep and creep rupture taking into account the influence of corrosion-active medium through physical and chemical processes of its interaction with materials of structural elements

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 февраля 2020 г.-31 декабря 2020 г. Разработка и идентификация определяющих и кинетических соотношений ползучести и длительной прочности с учетом влияния коррозионно-активной среды посредством физико-химических процессов ее взаимодействия с материалами элементов конструкций
Результаты этапа: 1. Проведен научный обзор по влиянию активной среды на длительные деформационно-прочностные характеристики металлических материалов и элементов конструкций. Исследованы современные аспекты высокотемпературной коррозии: кинетика процессов развития коррозионного слоя и длительного разрушения, структура слоя, защита, методы испытания. Ряд публикаций посвящен диффузионному проникновению внешней активной среды в материалы и типовые элементы конструкций (стержни, пластины, оболочки) и составные элементы конструкций. Причем исследуемые задачи (соответствующие постановки задач) решаются с учетом как стационарных, так и нестационарных граничных условий по диффузионным характеристикам и внешним нагрузкам Одновременно с такого рода воздействием рассматриваются процессы накопления повреждений, моделируемые с введение как скалярного, так и векторного параметров поврежденности. При этом используется физико-механическое представление параметра поврежденности, основанное на уменьшении эффективной площади поперечного сечения образца за счет образования рассеянных по материалу микропустот, микроповреждений и микротрещин. В таком смысле параметр поврежденности учитывается в кинетической теории ползучести и длительной прочности, разработанной академиком Ю.Н. Работновым. Векторный параметр впервые ввел широко известный на Западе ученый-механик Л.М. Качанов, затем это направление развивал чл. корр. АН СССР С.А. Шестериков и профессор, д.ф.-м.н. А.М. Локощенко со своим учеником к.ф.-м.н. Фоминым Л.В. в НИИ механики МГУ. В качестве критерия разрушения принимается достижение скалярным параметром или длиной вектора поврежденности значения равного единице. Здесь, безусловно, необходимо отметить значительный вклад советских (российских), европейских, американских и японских ученых в развитие Continuum Damage Mechanics. В дальнейшем существенные результаты в рассматриваемой области были получены А.А. Ильюшиным, С.А. Шестериковым, О.В. Сосниным, А.М. Локощенко и другими отечественными учёными. Вслед за работами основоположников теорий накопления повреждений Л.М. Качановым и Ю.Н. Работновым механика континуального разрушения стала развиваться в различных странах, в основном применительно к процессам ползучести металлов. (зав. лаб. Локощенко А.М., с.н.с. Фомин Л.В.) В последние годы под руководством профессора А.М. Локощенко в Институте механики МГУ имени М.В. Ломоносова проведено систематическое экспериментально-теоретическое исследование влияния агрессивной среды на ползучесть и длительную прочность металлов. При этом получены решения задач при взаимодействии диффузионного фронта и фронта разрушения, показана зависимость координаты диффузионного фронта не только от расстояния до внешней границы, но и от кривизны границы, проведена оценка погрешностей полученных решений. (зав. лаб. Локощенко А.М.) 2. В отчетном периоде проведено исследование и выполнен доклад на ежегодной конференции “Ломоносовские чтения 2020” о длительной прочности стержней двухсвязного поперечного сечения, растягиваемых в агрессивной среде. Рассматриваются поперечные сечения стержней, в которых формы внешнего и внутреннего контуров подобны, кроме того, площади полой (внутренней) части составляют 25 % от площадей окаймляющей внешней, нагруженной части. Площади нагруженных частей сечений с различными формами совпадают. Для оценки влияния агрессивной среды на длительную прочность используется кинетическая теория Ю.Н. Работнова с двумя структурными параметрами (поврежденность материала и концентрация элементов окружающей среды в материале стержня). Для определения уровня агрессивной среды в стержнях используются приближенные решения уравнений диффузии, основанные на учете движения диффузионных фронтов от наружной и внутренней поверхностей стержней. (зав. лаб. Локощенко А.М., с.н.с. Фомин Л.В.) 3. Проведен обзор работ по кинетике диффузии и сорбции в процессах старения полимерных материалов В обзоре [1] последовательно рассмотрено шесть основных диффузионно-сорбционных моделей: модель Фика), модель Лэнгмюра, модель молекулярной релаксации , модель Якоба-Джонса (двухфазная модель), модель с переменным коэффициентом диффузии и диффузионно-конвективная модель. Анализ перечисленных моделей переноса представлен на примерах диффузии и сорбции влаги в эпоксидных полимерах и композитах (углепластиках). Сравнение показало, что для эпоксидного полимера одинаково хорошие совпадения расчета и эксперимента наблюдаются для двухфазной модели и модели с переменным коэффициентом диффузии, а для эпоксидных углепластиков в случае модели с переменным коэффициентом диффузии и модели Лэнгмюра. Показано, что рациональный выбор модели переноса должен опираться не только на качество аппроксимации, но прежде всего на данные физико-химических исследований о характере и интенсивности межмолекулярного взаимодействия в паре полимер-сорбированное вещество. Проведенный аналитический обзор показал, что основным видом экспериментальных данных значительном большинстве работ являются кинетические сорбционные кривые, т.е. зависимости средней концентрации диффузанта (активной среды) от времени с(t) в твердом полимерном образце. Такая ситуация вполне понятна и связана с доступностью экспериментального получения таких зависимостей (с помощью весов Мак-Бена, или, чаще всего, это просто периодическое, с определенным шагом по времени взвешивание полимерного образца после выдержки в активной среде). В данном исследовании постановка задачи о распределении диффузанта (активной среды ) в полимерном материале сформулирована как задача получения вида распределений с(х,t), соответствующих различным модельным описаниям и визуализации эволюции этих распределений в зависимости от внешних условий и соотношений входящих в них кинетических параметров. Предполагается получить (аналитически или численно) распределения с(х,t) для различных диффузионных моделей и проанализировать их эволюцию во времени. [1]. А.А Далинкевич., Л.В Фомин., В.В. Мельников., Т.А. Ненашева, И.Г. Калинина. Кинетика диффузии и сорбции в процессах старения полимерных материалов (обзор) // Коррозия: материалы, защита. Принято к опубликованию. (с.н.с. Фомин Л.В., д.х.н. Далинкевич А.А. (в.н.с. ИФХЭ имени А.Н. Фрумкина РАН)) 4. Постановка задачи о влиянии коррозионных процессов на обеспечение безопасной эксплуатации материалов и элементов конструкций Актуальность выбора адекватного варианта постановки задачи о влиянии коррозионных процессов на обеспечение безопасной эксплуатации материалов и элементов конструкций не подлежит сомнению. Рассматриваются варианты постановки задачи о длительном разрушении растягиваемого стержня в условиях ползучести. Предлагаются два варианта постановки задачи: с учетом многостадийного распространения диффузионно-коррозионного процесса на всю толщину стержня и с учетом сопряжения решений на границе коррозионного слоя. Для решения задачи разработана механико-математическая модель, включающая модифицированное уравнение диффузии, кинетическое уравнение накопления повреждений и соотношение для параметра химического взаимодействия. Параметры указанной модели определены на базе экспериментальной зависимости толщины коррозионной пленки от времени. Учитывается многостадийность процесса разрушения коррозионных слоев под действием увеличивающегося эффективного напряжения. Данное исследование имеет как фундаментальную направленность развития кинетической теории ползучести и длительной прочности Ю.Н. Работнова с учетом влияния коррозионно-активной среды, так и прикладной характер. Это исследование может быть применено в проектировании композитных элементов конструкции, эксплуатируемых в условиях воздействия коррозионно-активных сред, например, в энергетическом и нефтехимическом машиностроении. (с.н.с. Фомин Л.В.) 5. Проведено исследование длительного разрушения оболочки и пластины при ползучести в активной среде в условиях нестационарного сложного напряженного состояния. Учет влияния среды на время до разрушения осуществляется с помощью введения в определяющие и кинетические дробно-линейные соотношения функции от интегрально средней концентрации среды. Проведено сравнение времен до разрушения при использовании скалярного и векторного параметров поврежденности. Определены особенности использования дробно-линейной модели для описания процессов длительного разрушения. Актуальность решения вопросов о безопасной эксплуатации материалов и элементов конструкций, несомненна. Наиболее часто ответственные элементы конструкций во время длительной эксплуатации подлежат воздействию ряда деструктивных факторов, среди них надо отметить следующие: высокая температура и активная рабочая и/или окружающая среда в сочетании с продолжительным действием внешних нагрузок. Таким воздействиям, например, подвергаются типовые элементы конструкций, такие, как оболочка и пластина. Влияние активной среды может определяться как диффузионным проникновением ее элементов внутрь материала, так и коррозионно-активным влиянием, которому присуще активные химические процессы взаимодействия рабочих и/или окружающих сред с материалами элементов конструкций. Особое значение приобретает изучение таких процессов при высокотемпературном длительном нагружении металлических материалов и конструкций в условиях ползучести [1-7]. В настоящей статье рассмотрено диффузионное влияние активной среды на оболочку и пластину, которые изготовлены из металлических материалов. Указанные типовые элементы находятся в условиях нестационарного длительного нагружения при воздействии на них высоких температур, которые вызывают в металлическом материале процессы ползучести. С учетом накопления повреждений такие процессы с течением времени приводят к разрушению элементов конструкций. Проведено сравнение времен до разрушения типовых элементов конструкций (оболочки и пластины) при использовании скалярного и векторного параметров поврежденности. Время до разрушения при использовании векторного параметра поврежденности превышает время до разрушения, полученное при использовании скалярного параметра поврежденности . Отношение времен до разрушения оболочки равно . Проведенное исследование показывает различие механизмов накопления повреждений при длительном высокотемпературном нагружении. Полученный результат подтверждает аналогичные результаты, полученные авторами статьи [6] при исследовании длительного нестационарного нагружения пластины во взаимно ортогональных плоскостях. В указанной работе [6] отношения времен до разрушения в зависимости от соотношения величин изгибающих моментов находятся в диапазоне . Настоящее исследование имеет как фундаментальный характер, так и прикладной аспект. Предлагаемые подходы и результаты исследования могут быть применены в энергетической, химической и авиационно-космической отраслях промышленности. (с.н.с. Фомин Л.В.) Список используемых источников: 1. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966. 752 с. 2. Локощенко А.М. Ползучесть и длительная прочность металлов. М.: Физматлит, 2016. 504 с. (Перевод: Lokoshchenko A.M. Creep and Long-Term Strength of Metals. CISP. CRC Press. Taylor & Francis Group. Boca. Raton. London. New York. 2018. 546 p.). 3. Локощенко А.М., Фомин Л.В. Моделирование поведения материалов и элементов конструкций, находящихся под воздействием агрессивных сред (обзор) // Проблемы прочности и пластичности. 2018. Т. 80. №2. С. 145 – 179. 4. Фомин Л.В. Описание длительной прочности растягиваемых стержней прямоугольного и круглого поперечных сечений в высокотемпературной воздушной среде // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, №3(32). 2013. С. 87-97. 5. Fomin L.V. Steady-state creep of a composite rod in tension in the presence of an aggressive environment // Mechanics of Composite Materials. 2017. Vol. 52(6). P. 741– 750. 6. Lokoshchenko A.M., Fomin L.V. Delayed fracture of plates under creep condition in unsteady complex stress state in the presence of aggressive medium // Applied Mathematical Modelling. 2018. Vol. 60. P. 478 – 489. 7. Фомин Л.В., Басалов Ю.Г., Локощенко А.М. Об учете влияния коррозионных процессов на длительное разрушение стержня, находящегося в условиях ползучести // Механика композиционных материалов и конструкций. 2019, том 25. 6. Исследована задача об установившейся ползучести длинной узкой прямоугольной мембраны при пропорциональной зависимости величины поперечного давлении от времени. Эта мембрана находится внутри высокой длинной жесткой матрицы прямоугольного сечения, у которой отношение высоты к половине ширины больше 1. Используется степенная связь интенсивностей напряжений и скоростей деформаций ползучести мембраны. Рассматриваются два варианта условий контакта мембраны и матрицы: идеальное скольжение и прилипание. Анализ проводится до времени практически полного прилегания мембраны к матрице. При всех значениях рассматриваемых параметров это время в случае идеального скольжения значительно меньше, чем в случае прилипания. (зав. лаб. Локощенко А.М., с.н.с. Фомин Л.В., вед. инж. Басалов Ю.Г.)
2 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Разработка и идентификация определяющих и кинетических соотношений ползучести и длительной прочности с учетом влияния коррозионно-активной среды посредством физико-химических процессов ее взаимодействия с материалами элементов конструкций
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".