Динамика, прочность приборов и аппаратуры
О статье: поступила: 28.05.2019; бюджет: работа выполнена при частичной поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 18-48-140015) и Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук (проект III.28.1.1.) с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Станция натурных испытаний» ИФТПС СО РАН.
DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-3-4
УДК 539.4:620:17
В.В. Лепов, Е.А. Архангельская, В.С. Ачикасова
ЛЕПОВ ВАЛЕРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ – д.т.н., главный научный сотрудник отдела моделирования процессов разрушения, AuthorID: 17472, SPIN-код: 1397-6725; ORCID 0000-0003-2360-7983, e-mail: lepov@iptpn.ysn.ru
АЧИКАСОВА ВАЛЕНТИНА СЕМЕНОВНА – ведущий инженер отдела моделирования процессов разрушения,
e-mail: achikasova@iptpn.ysn.ru
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН
Октябрьская ул., 1, Якутск, Россия, 677890
АРХАНГЕЛЬСКАЯ ЕКАТЕРИНА АФАНАСЬЕВНА – к.т.н., доцент кафедры экспертизы, управления и кадастра недвижимости Инженерно-технического института, AuthorID: 110671, SPIN-код: 8882-4811, ORCID 0000-0002-6130-0539, e-mail: ea.arkhangelskaia@s-vfu.ru
Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова
Белинского ул., 58, Якутск, Россия, 677029
Влияние водорода на кинетику хрупкого разрушения в металлах
Аннотация: Приводится обзор исследований накопления повреждений и механизмов разрушения при совместном действии механического нагружения и водорода. Обосновывается механизм хрупкого разрушения металлов, обусловленный как особенностями дислокационной структуры, так и содержанием растворённого в кристаллической решётке водорода при статическом и динамическом нагружении в условиях низких климатических температур. Механизм подтвержден результатами наших экспериментальных и расчётных исследований, в частности, по выявлению энергетического спектра внутреннего трения при низкотемпературном вязко-хрупком переходе, численным моделированием процесса накопления повреждений в связной задаче диффузии-упругопластичности и динамическими испытаниями на ударную вязкость. Предложена модель оценки влияния низких температур и водорода на процесс накопления повреждений, учитывающая активационный характер хрупкого разрушения. Расчет показал сильную зависимость темпа накопления повреждений от уровня напряжений, содержания водорода и температуры. Особенно опасным представляется сочетание низких температур и высокого содержания водорода в металле, что характерно для сварных соединений конструкций, эксплуатируемых в условий Арктики и Субарктики. Даны рекомендации по использованию полученных соотношений в численных моделях, а также предложены пути повышения хладостойкости сталей и сплавов путём управления характеристиками дислокационной структуры.
Ключевые слова: накопление повреждений, моделирование, хладостойкость, вязко-хрупкий переход, решеточный водород, барьер Пайерлса–Набарро, дислокации, хладноломкость.
DOI: https://dx.doi.org/10.24866/2227-6858/2019-3-4
Lepov V., Arkhangelskaya E., Achikasova V.
VALERY LEPOV, Doctor of Engineering Sciences, Chief Researcher, Fracture Modeling Department, ORCID 0000-0003-2360-7983, e-mail: lepov@iptpn.ysn.ru
VALENTINA ACHIKASOVA, Lead Engineer, Fracture Modeling Department, e-mail: achikasova@iptpn.ysn.ru
Larionov Institute of Physical and Technical Problems of the North SB RAS
1 Octyabrskaya St., Yakutsk, Russia, 677890
EKATERINA ARKHANGELSKAYA, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Department of Expert appraisal, management and cadastre of Real Estate, Engineering and Technical Institute, ORCID 0000-0002-6130-0539, e-mail: ea.arkhangelskaia@s-vfu.ru
M.K. Ammosov North-Eastern Federal University
58 Belinskogo St., Yakutsk, Russia, 677029
Influence of hydrogen on the brittle fracture kinetics in metals
Abstract: A short review of actual researches on damage accumulation modeling and brittle fracture processes mechanisms under the combined effect of mechanical loading and hydrogen has been presented in the article. The modified mechanism of brittle fracture for metallic materials based on dislocation and phonon structure fingerprints and lattice hydrogen content under the static and dynamic loading at low temperature condition has been ground by experimental and numerical studies. The experiment includes the energy spectrum of internal friction determination and impact toughness testing for low-temperature brittle-ductile transition revealing. The numerical study based on damage accumulation modeling under the influence of up-hill diffusion in the elastic-plastic problem of solid state by finite element method. The new simple activation model of low temperature and hydrogen influence on damage accumulation process has been proposed. The tentative calculations show the strong dependence of the rate of damage on stress level and hydrogen content, and on test temperature. The combination of low temperature and high hydrogen content is most dangerous, so the weld structures using in extreme environment like the Arctic and Subarctic regions have high risk of breakage. It is possible to numerically estimate the energy and phonon spectrum of crystal lattice, and predict the properties of microcrystalline and nanostructured materials with high cold-short threshold on the base of such the approach. The recommendations to improve the cold resistance of steels and alloys by controlling the characteristics of the dislocation structure has been given also.
Keywords: damage, modeling, cold resistance, low temperature ductile-brittle transition, fluctuations, lattice hydrogen, dislocation, risk of breakage, cold-short threshold.