книги / Физические основы торможения разрушения

В работах [216—218] изучали изменение пластичности ряда металлов под влиянием импульсов электрического тока. Продол­ жительность действия тока не имеет в этом случае принципиаль­ ного значения, поэтому ее выбирали таким образом, чтобы не про­ исходило заметного нагрева образца за время опыта. Для прове­ дения экспериментов использовали монокристаллы чистого (99,998%) и легированного цинка (2-10“2%), а также поликристаллические образцы цинка, кадмия, олова, свинца и индия. Испытания на растяжение и сжатие проводили за машине «ИНСТРОН». В процессе деформации сквозь образец через 2—4 с про­ пускали импульсы тока длительностью —100 мкс. За один им­ пульс через образец диаметром 1 мм проходило ~0,1 кулона электричества. Нагрев образцов при 78 К не превышал десятой доли градусов.

Диаграммы растяжения при этом имеют следующие особен­ ности. После упругой области и участка текучести наблюдаются колебания усилий, возрастающие с увеличением амплитуды про­ ходящих импульсов тока. Направление этих пиков деформации и их величина свидетельствует о значительном приращении пла­ стической деформации в моменты прохождения тока.

Хорошо известно, что развитию трещины хрупкого разруше­ ния в металле предшествует та или иная пластическая деформа­ ция, связанная с движением и накоплением дислокаций. Импульсы тока могут разрежать опасные скопления дислокаций и снижать высокие локальные перенапряжения в металле.

Для проверки этих предположений были выполнены экспери­ менты [219] на монокристаллах цинка. Опыты проводили при

— 196е С, когда цинк находился в естественном хрупком состоя­ нии, а также при 20° С, что соответствовало вынужденному хруп­ кому состоянию цинка с нанесенной на него пленкой ртути.

Оказалось, что под воздействием импульсов тока увеличи­ вается предшествующая хрупкому отрыву пластическая дефор­ мация металла, уменьшается коэффициент упрочнения деформи­ руемого металла и снижается на 12— 15% уровень критических скалывающих напряжений.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что под влиянием импульсов тока увеличивается хрупкая прочность ме­ талла и наблюдается сдвиг границы хладноломкости в сторону более низких температур.

Известно, что протекание электрического тока по провод­ нику, обладающему конечным сопротивлением, сопровождается выделением тепла в соответствии с законом Джоуля—Ленца. Увеличение температуры металла в свою очередь способствует облегчению пластической деформации, а следовательно, и релак­ сации напряжений в местах их опасной концентрации. Кроме того, когда металл работает в области температур хладнолом­ кости, даже небольшое (на несколько десятков градусов) повыше­ ние температуры скачкообразно увеличивает работу разрушения

190

и уменьшает склонность к Нему, Учитывая то, что с помощью современных импульсных источников энергии (например конден­ саторных батарей) нагрев может быть осуществлен всего за не* сколько десятков микросекунд, тепловое действие тока совместно с электропластическим эффектом может стать эффективным спо­ собом увеличения стойкости к хрупкому разрушению.

Используя действие тока, можно создать значительные темпе­ ратурные градиенты, а следовательно, и термические напряжения, способные влиять на темп и направление разрушения [321]. При этом поля термических напряжений вследствие тепловой инерции могут не исчезать еще значительное время и после того, как пре­ кратится протекание тока по металлу, т. е. они могут быть вве­ дены заранее, что значительно снижает необходимость точной их синхронизации с процессом разрушения.

Напряженность постоянного или слабо меняющегося поля ограничена мощностью источника. Значительное (на несколько порядков) увеличение ее возможно при создании импульсных полей. При этом вследствие неравномерного распределения поля по сечению проводника появляется ряд новых эффектов. Конеч­ ная скорость диффузии поля в проводниках позволяет создавать в них значительные поверхностные токи и большие температурные градиенты, а следовательно, и термические напряжения. Провод­ ник, помещенный в ИЭМП, как известно, испытывает давление пондермоторных сил поля

Т = ^ [ ( п Н ) Н - ± Н Ч ] .

Анализ этого уравнения показывает, что модуль плотности поверхностной силы \Т\ = Н2/8п и вектор Н делят пополам

угол между силой Т и нормалью п к проводящей поверхности. *■>

Поэтому в зависимости от ориентировки Н можно получить и рас­ тяжение проводника вдоль направления поля и сжатие перпен­ дикулярно направлению поля; в особом случае возникает сдви­ гающее усилие (значение которого всегда равно Н2!8к).

В промышленность уже начали внедрять методы пластичес­ кого деформирования с помощью электродинамических усилий

[220].С этой целью обычно применяют поля напряженностью

внесколько сотен килоэрстедов.

Вблизи 400 кЭ диффузия магнитного поля приобретает нели­ нейный характер и магнитное давление (-—6000 кгс/см2) превышает предел текучести большинства металлов. При поле свыше 800 кЭ начинается плавление поверхности проводника. Фазовый переход металлического проводника часто мешает получению полей на­ пряженностью порядка мегаэрстед. В области 1,2 МЭ зона плав­ ления металла, подверженного воздействию ИЭМП, быстро уве­ личивается, а при поле напряженностью более 1,5 МЭ начинается испарение поверхности проводника. При еще более высоких по-

191

Ляк Ьолна испарения проникает в глубь металла, взрывая поверх­ ностный слой; при этом ударная волна быстро распространяется Внутрь металла, сжимая его. Наконец, в области 5— 10 МЭ плотВость энергии магнитного поля, как отмечалось выше, становится больше энергии связи большинства твердых тел, т. е. они пере­ стают существовать как твердые тела.

3, ТОРМ ОЖ ЕНИ Е БЫ СТРО Й ТРЕЩ ИНЫ б Т Р У Б О П Р О В О Д Е ИМ ПУЛЬСНЫ М ЭЛ ЕКТРО М АГН И ТН Ы М П О Л Е М

Торможение трещин, возникающих в магистральных трубо­ проводах, имеет принципиальное значение, поскольку в мировой практике известны десятки случаев разрушения газопроводов на длине, превышающей несколько километров, и может уже сей­ час оказаться экономически целесообразным.

Традиционные меры предупреждения лавинных разрушений трубопроводов и сосудов высокого давления сводятся к терми­ ческой обработке (закалка с отпуском), термомеханической обра­ ботке, легированию марганцем, никелем, хромом, ванадием, контролю значений ударной вязкости при рабочей температуре, ультразвуковому контролю и т. д. Однако все эти меры значи­ тельно удорожают конструкцию и все-таки не гарантируют без­ аварийной эксплуатации. Поэтому разработка средств предупре­ ждения лавинного разрушения, локализации его на небольшом участке конструкции без предварительного упрочнения — за­ дача весьма актуальная.

Пондермоторные усилия и температурные градиенты от дей­ ствия импульсного электромагнитного поля (ИЭМП) позволяют быстро создавать разнообразные конфигурации полей напряжений и с их помощью эффективно управлять разрушающей трещиной.

Разрушение труб из стали 20 диаметром 25 мм и толщиной 2 мм, а также диаметром 16 мм и толщиной 1,5 мм с продольным концентратором напря­ жений под давлением, создаваемым пороховыми газами и электрическим взрывом проволочки, осуществляли по схеме, приведенной в работе (221, 222, 437].

В трубу, герметизированную заглушками, вводили пороховой заряд. При включении пусковой кнопки порох поджигался с помощью накалявшейся нихромовой проволочки, а затем через реле времени (с задержкой 0,2 с) с по­ мощью тиристорного ключа запускался генератор импульсов тока (ГИТ). Импульс тока вызывал электрический взрыв второй проволочки, инициировавший разру­ шение образца. Предварительное сжигание пороха обеспечивало равномерное нагружение трубы внутренним давлением и последующее ее разрушение с по­ стоянной скоростью на любой заданной длине. Скорость распространения тре­ щины регистрировалась осциллографом с помощью разрывных датчиков. Варьи­ рование величины навески пороха и глубины надреза позволило в широких пределах менять напряжения в стенке трубы и скорость разрушения. Тензометрированием было установлено, что напряжения вплоть до предела текучести материала трубы пропорциональны навеске пороха.

В некоторых опытах навеску пороха и взрывающуюся проволочку разме­ щали в одной заглушке и взрыв происходил одновременно. Эго позволило не­ сколько упростить испытание и синхронизировать разрушение с работой скорост­ ного фоторегистратора СФР-2М. Силовая часть установки описана ниже.

192

Предварительно заряженные конденсаторы СЗ, С5 разряжаются через разрядники РЗ, Р4 на землю при включении кнопкой КП2 электромагнита 5ЭМ или подаче высоковольтного импульса от СФР. При этом на сопротивлениях RI, R2, R3 появляются высоковольтные импульсы, поджигающие силовые разряд­ ники Р1Р2 и лампу Л. При этом импульс разряда конденсатора С4 попадает в блок задержки БЗ, состоящий из генератора задержки импульса и тиристор­ ного ключа. В блоке задержки импульс задерживается в пределах от 0 до 1000 мкс, усиливается и поступает на управляющий электрод разрядника Р4. Разряд­ ник Р4 поджигается, конденсаторы С5, С6 разряжаются и импульс разряда поджигает силовой разрядник Р2 второго ГИТа, предназначенного для тормо­ жения трещины, и лампу Л.

Таким образом, блок синхронизации обеспечивает пуск обоих ГИТов и импульсного источника света, синхронизированный со съемочной камерой СФР.

Выбор оптимальных параметров тормозящего поля. Обсудим порядок выбора оптимальных параметров импульсного электро­ магнитного поля (ИЭМП), необходимого для торможения тре­ щины, распространяющейся в трубе по образующей. Основным тормозящим фактором при этом будем считать поля кольцевых сжимающих напряжений в стенке, получаемые в результате ге­ нерирования ИЭМП снаружи трубы.

Наиболее простым в настоящее время является способ созда­ ния ИЭМП с помощью разряда батареи высоковольтных импульс­ ных конденсаторов. Оболочка при этом может быть частью раз­ рядного контура или индуктивно связанной с ним.

Уровень механических напряжений, наводимых в стенке обо­ лочки пондермоторными силами ИЭМП, в первом приближении пропорционален (Н\—Щ)!Ъп, где Н г и Я 2 — напряженность ма­ гнитного поля по разные стороны стенки оболочки. В случае кондуктивной связи при любой форме и продолжительности импульса легко добиться, чтобы Я 2 было равно 0, а следовательно, обеспе­ чить максимальный к. п. д. использования поля.

Индуктивная связь накладывает определенные ограничения на форму и длительность импульса, поскольку при низких часто­ тах поле может «провалиться» сквозь стенку оболочки, что умень­ шает амплитуду механических напряжений. Кроме того, в слабо затухающих разрядах в результате «проваливания» поля возможна даже смена знака напряжений в стенке оболочки.

В экспериментах использовали образцы из стальных мало­ углеродистых (сталь 20) труб наружным радиусом гх — 8 мм, внутренним г2 = 6,5 мм и длиной 250 мм. Тормозящее трещину ИЭМП создавалось надевавшимся на трубу соленоидом, через который разряжалась батарея импульсных конденсаторов. При этом поле в зазоре между трубой и соленоидом менялось за время

X sin ©/. Здесь Т — период, а © — круговая частота колебаний поля.

Оценим зависимость напряженного состояния трубы от ампли­ туды # 0 и частоты © накладываемого поля в предположении, что максимум механических напряжений достигается в момент /=774.

194

Распределение магнитного поля Нг и плотности тока /ф в теле цилиндра бесконечной длины найдем из уравнений Максвелла

Для труб, имеющих отношение толщины стенки к радиусу h/r1 1, в качестве первого приближения ограничимся рассмо­ трением плоской стационарной задачи. С граничным условием

Нг (/Д = # 0 sin со/

система уравнений Максвелла имеет решения

Яг(/-) = Я0е 6 sin (-5- — )!

/фW = - х К 2 sin п - ^ ) ,

где б = Т/ — толщина скин--'слоя.

Распределение температуры в стенке цилиндра находим из уравнения Фурье

Сг\ — KV2T (rt) = /2 (rt) р.

Пренебрегая теплопроводностью материала оболочки за время от 0 до 774 (поскольку для любых проводящих материалов тол­ щина электрического скин-слоя в десятки раз больше толщины термического [220]), получим

Из условия равновесия сил, действующих на элемент объема цилиндра, и условия деформаций можно получить систему урав­ нений, связывающих радиальную <тг и кольцевую сгф составляю­ щие механических напряжений [224]:

где v — коэффициент Пуассона; g = 981 000 дин/кг.

Решение системы относительно а г и аф имеет вид

a* = W К ) + T5J г>М н

Здесь А и В — постоянные интегрирования. При граничных условиях сгг (п) = ог (г2) = О

Неравномерное распределение температуры в теле оболочки приводит к возникновению дополнительных температурных напряжений, которые можно подсчитать по формулам [225]

максимум механических напряжений на единицу напряженности поля достигается при Ь/h = 0, очевидно, что для наиболее эффек­ тивного использования поля необходимо стремиться к минималь­ ной длительности импульса. Однако создавать импульсы длитель­ ностью, при которой толщина скин-слоя меньше 0,1 Л, даже для более толстых стальных стенок технически невозможно. В диа­ пазоне же бИг = 0,2-т-1,0 величина кольцевых сжимающих напря­ жений меняется незначительно.

В то же время для повышения надежности торможения быст­ рой трещины и снижения требований к синхронизации продол­ жительность действия сжимающих полей напряжений должна быть

196

возможно большей. Компромиссным реше­ нием является, по-видимому, создание им­ пульса такой длительности, при которой ве­ личина скин-слоя приближается к толщине стенки оболочки h, но не превосходит ее.

Уточненный расчет показывает, что сжи­ мающие кольцевые напряжения создаются в основном пондермоторными силами, а их

суммарное значение а(р (r2) + orJ° (г2) зави­

сит только от Но. Это обстоятельство позво­ ляет, задавшись уровнем необходимых для торможения трещины сжимающих напряже­ ний, вычислить параметры поля.

Примем в качестве критерия полной оста­ новки быстрой разрушающей трещины нало­ жение на ее вершину сжимающих напряже­

Экспериментальное определение оптимальных параметров тормозящего поля. Оптимальные параметры тормозящего слоя определяли следующим обра­ зом. Трубу с продольным надрезом треугольной формы глубиной 0,5 мм нагру­ жали до разрушения. При электродинамическом способе нагружения процесс разрушения регистрировался камерой СФР-2М, работавшей в режиме лупы времени со скоростью съемки 250—500 тыс. кадров в секунду. Для обеспечения резкости при съемке с расстояния 35 см перед объективом камеры устанавливали линзу с фокусным расстоянием 80 см.

Типичная кинограмма процесса разрушения приведена на рис. 79 (для задания определенного направления трещине надрез с одной стороны образца на длине 2 см делали сквозным).

Тормозящее ИЭМП снаружи трубы создавалось четырехвитковым соленои­ дом, который надевали на образец и располагали на разных расстояниях от места старта трещины. Регулируя задержку второго ГИТа, можно было синхронизи­ ровать прохождение трещины через центр соленоида с максимумом поля, гене­ рируемого им. Задержка была равна нулю, когда расстояние между центром соленоида и местом зарождения трещины составляло 40—50 мм.

Из эксперимента определяли минимальную амплитуду на­ пряженности поля, достаточного для надежного торможения тре­ щины вблизи центра соленоида. Она оказалась равной 160 кгс, что в 1,3 раза больше расчетной. При меньших напряженностях тормозящего ИЭМП наблюдалась небольшая утяжка образца в зоне наложения поля, однако трещина проходила через нее и рассекала весь образец. Фотографии типичных образцов (рис. 80) иллюстрируют характер разрушения без включения и с выклю­ чением внешнего тормозящего ИЭМП.

Разница между экспериментально найденной и рассчитанной величинами тормозящего ИЭМП обусловлена, очевидно, влия­ нием надреза на напряженное состояние, локальностью и кратко­ временностью накладываемых сжимающих напряжений, инер-

197

снижение скорости разрушения до 250—300 м/с приводит к по­ следующей самопроизвольной остановке трещины. Фронт волны декомпрессии в газе опережает при этом трещину и разгружает ее от действия растягивающих напряжений.

При расчете мощности тормозящего барьера (амплитуды сжи­ мающих напряжений) по пределу прочности необходимо, по-ви­ димому, вводить поправочный коэффициент, учитывающий гео­ метрию образца и условия нагружения. Однако (по крайней мере для описанных условий эксперимента) он не сильно отличается от единицы.

Работа в этом направлении, очевидно, позволит в дальнейшем выработать рекомендации относительно мощности тормозящих барьеров также и для других способов торможения быстрых трещин, более сложных с точки зрения эксперимента и расчета.

Изменение работы разрушения материала трубы в процессе торможения быстрой трещины. В заключение оценим изменение энергоемкости разрушения материала трубы ар в процессе тормо­ жения трещины. Под аробычно понимают энергию, затрачиваемую на необратимые процессы деформирования, зарождение микро­ трещины и собственно разрушение. Сопротивление разрушению может быть увеличено двумя способами — предварительным упрочнением высокопрочных материалов и динамическим спосо­ бом. Широко применяемый в настоящее время первый способ не позволяет надеяться на дальнейшее существенное увеличение ар. Динамический способ торможения трещин более перспективен. Оценить изменение ар в последнем случае можно следующим об­ разом. В соответствии с балансом энергии [332]

где

Р2г\ я (l —v2)

Ш1

потенциальная и кинетическая энергия единицы длины трубы соответственно; Р — внутреннее давление.

В тонкостенном трубопроводе с трещиной, растущей с большой скоростью, составляющей итр = (1-^-2)*103 м/с, величины А п и Ак отличаются не более чем на несколько процентов (для труб боль­ шого диаметра не более 1 %), т. е. подавляющая часть запасенной энергии переходит в кинетическую энергию движения берегов вскрывающейся трещины.

В этих условиях внезапная остановка трещины с помощью какого-либо барьера эквивалентна тому, что эффективное значе­ ние работы разрушения мгновенно увеличивается на два порядка (поскольку Ак становится равной 0).

Исходя из требований возможно большей величины ар на слу­ чай лавинного разрушения, может оказаться целесообразным

199