Разработка фундаментальных подходов для определения остаточного ресурса элементов конструкций и машин на основе метода акустоупругости с учетом пластического деформирования, усталости и индуцированной водородом деградации внутренней структуры

Проект посвящен актуальной проблеме фундаментального обоснования результатов неразрушающего акустического контроля и диагностики остаточного ресурса материалов и металла сварного шва в атомной, нефтегазовой промышленности, в авиации, на транспорте и в строительстве. Во всех этих случаях, усталость, хладноломкость, водородная хрупкость являются частой причиной разрушений, особенно высокопрочных материалов, чувствительность которых к малым концентрациям водорода очень высока. В настоящий момент не существует количественных методов неразрушающего контроля микроповреждений и микродефектов, связанных с усталостью и накоплением критических для прочности концентраций водорода в деталях машин и конструкций. Ультразвуковая диагностика не обладает нужной разрешающей способностью. Она не обнаруживает вызванных водородом микроповреждений, микроскопических зон усталостного повреждения и наклепа в сварном шве, а все другие методы неразрушающего контроля, обладающие высокой разрешающей способностью (акустическая эмиссия, магнитострикционная, объемная рентгеновская томография), являются качественными. Их применение, особенно для такой важной задачи, как оценка остаточного ресурса материалов, - возможно только при сопоставлении результатов измерений с аналогичной конструкцией или деталью, которая имеет известный остаточный ресурс. Уникальность проекта заключается в том, что для обоснования метода технической диагностики будут использованы различные микро и мезомодели пластического деформирования с учетом нелинейного трансляционного и изотропного упрочнения и накопления усталостных повреждений, возможного роста трещин с учетом наличия зон неупругого состояния, ползучести и длительной прочности при термоциклировании, будет проведен анализ особенностей роста трещин усталости в зоне сварного шва на магистральных газопроводах в условиях крайнего севера. Одновременно будут проведены механические испытания, акустические исследования и измерения пространственно-энергетического распределения водорода. Будут исследованы при моделировании и экспериментах естественные, малые концентрации водорода, которые характерны для действующих конструкций, имеющих еще значительный ресурс работы. В проекте будут использованы уникальные экспериментальные подходы и модели, позволяющие исследовать и описывать влияние малых концентраций водорода на механические свойства материалов. В результате проекта предлагается сделать один из методов неразрушающего контроля - метод измерения акустической анизотропии материала - количественным в части диагностики и оценки влияния накопленной пластической деформации, усталостных повреждений и водородной деградации на прочность металлов. Для этого планируется провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований с использованием отечественных уникальных приборов ИН-5101А-00 и ИН-5101А-01 для измерения акустической анизотропии, отечественного, высокочувствительного промышленного анализатора водорода АВ-1, оборудования для проведения механических испытаний. При проведении теоретических исследований планируется использовать, разработанную ранее заявителями двухконтинуальную модель сплошной среды, модели пластичности на мезо/микроуровне с учетом механизмов скольжения и динамики дислокаций, конечно-элементные реализации этих моделей и коммерческие пакеты программ для проведения механических расчетов. Разработанная заявителями двух-континуальная модель сплошной среды, содержащей водород, позволяет учесть изменения механических характеристик среды, индуцированные водородом. В отличие от других известных моделей, она учитывает изменение энергии связи водорода, происходящее под действием внешней термомеханической нагрузки. Планируется впервые использовать ее при описании эффектов индуцированной водородом анизотропии в акустическом диапазоне. Полученные результаты будут уникальным новым достижением в механике сплошной среды, так как влияние водорода описывается с помощью реологической модели, что позволяет строить инженерные методики расчета остаточного ресурса на базе метода конечных элементов. Разработанный заявителями и производящий в настоящий момент серийно анализатор водорода АВ-1. Является единственным в мире промышленным анализатором водорода, работающим на базе метода вакуум нагрева. Благодаря высокой чувствительности, он позволяет проводить исследования объемно энергетического распределения водорода в металлах, что особенно важно, так как изменение энергии связи водорода в металле приводит к изменению механических характеристик вмещающей его матрицы. Уникальные приборы ИН-5101А-00 и ИН-5101А-01 для измерения акустической анизотропии и соответственно, измерения механических напряжений, используются в настоящий момент в атомной промышленности для качественной оценки механического состояния сварных швов и стенок трубопроводов. Предлагаемый проект, является фундаментальным, находиться на стыке технологий промышленного контроля и механики, позволит разработать новые уникальные методики измерений для предупреждения аварий и катастроф, связанных с усталостью, накоплением и перераспределением водорода в металлах.