ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ

СТАНДАРТ

РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Методы определения характеристик трещиностойкости конструкционных материалов

Издание официальное

Москва

Российский институт стандартизации 2021

Предисловие

1    РАЗРАБОТАН Федеральным государственным унитарным предприятием «Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» им. И.В. Горынина Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»)

2    ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 322 «Атомная техника»

3    УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрополии от 20 октября 2021 г. No 1170-ст

4    ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

5    Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии не несет ответственности за патентную чистоту настоящего стандарта. Патентообладатель может заявить о своих правах и направить в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии аргументированное предложение о внесении в настоящий стандарт поправки для указания информации о наличии в стандарте объектов патентного права и патентообладателе

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

© Оформление. ФГБУ «РСТ». 2021

Настоящий стандарт не может быть полностью или частично воспроизведен, тиражирован и распространен в качестве официального издания без разрешения Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии И

Р_т — предельно допустимая нагрузка на образец. Н;

^Ртах ~~ максимальная нагрузка в цикле нагружения. Н.

P_mjn — минимальная нагрузка в цикле нагружения, Н;

R— коэффициент асимметрии цикла нагружения, отн. ед.: r_s — число корректно испытанных образцов, шт.;

S — пролет образца, мм; t— время, час:

t_cl — временная база (длительность) испытаний в условиях ползучести, час;

^ 2 — время подроста трещины при ползучести на величину 0.2 мм. час;

f_(r — время перехода к установившейся ползучести для расчета С'-интеграла, час;

Т — температура. °С;

Т₀ — референсная температура, при которой значение K_Je(mifd)(T), построенное по методу Master

Curve, равно 100 МПа >/м , X;

Гюо — температура, при которой значение K_Jc(med>(T), построенное по методу Advanced Unified

Curve, равно 100 МПа _s'm , °С;

7*_иеп — температура испытаний. X.

7^тах — максимальная температура испытаний. X; исп

г- — минимальная температура испытаний. ^вС;

Р^тае _ температура, при которой происходит старение материала. "С;

Т_к — критическая температура хрупкости материала. X.

Г_к0 — критическая температура хрупкости материала в исходном состоянии. X;

Г_нут — температура наведения предварительной усталостной трещины. X;

v— перемещение по линии действия силы, мм;

v — скорость перемещений по линии действия силы, мм/час;

v₀ — перемещение при инициации нестабильного развития трещины, мм;

v_a — перемещение через 0.1 секунды после остановки трещины, мм;

v_c — скорость перемещений по линии действия силы при ползучести, мм/час;

v_pl — пластическая часть перемещения по линии действия силы, мм;

v_z — перемещение, измеряемое на опорных призмах, мм;

v₍ — перемещение траверсы испытательной машины, мм;

W— ширина образца, мм;

г — расстояние от линии действия силы до плоскости измерения перемещений, мм;

ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор;

КИН — коэффициент интенсивности напряжений;

РУ БН — реакторная установка на быстрых нейтронах.

5 Общие положения

5.1    Определение значений характеристик трещиностойкости следует выполнять экспериментальными методами путем проведения механических испытаний материала в состоянии, соответствующем интересующему (в состоянии поставки, после отжига, термического охрупчивания, нейтронного облучения и т.д.). Допускается определять консервативные значения характеристики трещиностойкости расчетными методами в соответствии с разделами 13—15.

5.2    Выбор метода проведения механических испытаний зависит от определяемых характеристик трещиностойкости материала. Выбор процедуры для обработки результатов испытаний зависит от определяемых характеристик трещиностойкости материала и, в случае определения трещиностойкости по критерию старта нестабильно развивающейся трещины, от характера разрушения испытанного образца. Схема выбора методов для определения значений характеристик трещиностойкости материала приведена на рисунке 5.1.

5.3    Трещиностойкость материала в условиях кратковременного статического нагружения выражается в терминах коэффициента интенсивности напряжений К или J-интеграла.

5.3.1 При определении трещиностойкости по критерию старта нестабильно развивающейся трещины механические испытания должны проводиться в соответствии с 8.1. По результатам испытаний

в соответствии с 8.2 должны определяться критическое значение J-интеграла J_c и статическая трещи-мостойкость K_Jc.

Рисунок 5.1 — Схема выбора методов и определение значений характеристик трешиносгойкости материала

5.3.2 При определении температурной зависимости трещиностойкости K_Jc(T) механические испытания должны проводиться в соответствии с 8.1 с учетом положений 12.2 и 12.3. При определении температурной зависимости трещиностойкости K_JC(T) по методу Advanced Unified Curve обработка ре-

зультатов испытаний должна проводиться в соответствии с 12.4, при определении температурной зависимости трещиностойкости K_Jc(T) по методу Master Curve — в соответствии с 12.5.

5.3.3    При определении трещиностойкости по критерию остановки нестабильно развивающейся трещины механические испытания должны проводиться в соответствии с 10.1. По результатам испытаний в соответствии с 10.2 должен определяться КИН, соответствующий остановке нестабильно развивающейся трещины К_э.

5.3.4    При определении трещиностойкости при стабильном развитии трещины механические испытания должны проводиться в соответствии с 9.1. По результатам испытаний в соответствии с 9.2 должна быть построена ^-кривая и определены критическое значение J-интеграла в условиях плоской

деформации J_lc и соответствующая ему статическая трещиностойкость К_, .

5.4    Трещиностойкость материала в условиях длительного статического нагружения выражается в терминах времени подроста трещины при ползучести на величину 0.2 мм (/_{0 2}) и зависимости скорости роста трещины Д от величины С'-интеграла. При определении трещиностойкости в условиях длительного статического нагружения механические испытания должны проводиться в соответствии с 11.1. Обработка результатов испытаний должна проводиться в соответствии с 11.2.

6 Образцы для испытаний

6.1    Типы и размеры образцов

6.1.1    В зависимости от определяемых характеристик трещиностойкости (см. таблицу 6.1) должны быть использованы следующие типы образцов.

6.1.1.1    Прямоугольный компактный образец с краевой трещиной для испытаний на внецентрен-ное растяжение (образец типа СТ). Схема, соотношения размеров и расчетные зависимости для образца типа СТ приведены в приложении А.

6.1.1.2    Плоский прямоугольный образец с краевой трещиной для испытаний на трехточечный изгиб (образец типа SE(B)]. Схема, соотношения размеров и расчетные зависимости для образца типа SE(B) приведены в приложении Б.

6.1.1.3    Дисковый компактный образец с краевой трещиной для испытаний на внецентренное растяжение (образец типа DT). Схема, соотношения размеров и расчетные зависимости для образца типа DT приведены в приложении В.

6.1.1.4    Прямоугольный компактный образец с краевой трещиной для испытаний расклиниванием (образец типа ССА). Схема, соотношения размеров и расчетные зависимости для образца типа ССА приведены в приложении Г.

6.1.1.5    Прямоугольный двуконсольный образец с краевой трещиной для испытаний расклиниванием (образец типа DCA). Схема, соотношения размеров и расчетные зависимости для образца типа DCA приведены в приложении Д.

6.1.2 Размеры образцов рекомендуется выбирать согласно приложению Е.

Таблица 6.1 — Выбор типа образца в зависимости от определяемых характеристик трещиностойкости

Тип нагружения Характер развития трещины Определяемые характеристики Типы образцов Кратковременное статическое Нестабильное развитие трещины Kfc-Л-*Л = ПП 7-q.Q СТ. DT. SE(B) Кратковременное статическое Нестабильное развитие трещины до ее остановки к. ССА. DCA Кратковременное статическое Стабильное развитие трещины Jxr Kj^.J = f{\a) СТ. DT. SE(B) Длительное статическое Развитие трещины при ползучести t0 2. а = /(С*) СТ

6.2 Ориентация плоскости трещины

6.2.1    Трещиностойкость материала в большинстве случаев зависит от ориентации плоскости трещины и направления ее распространения в материале, анизотропия которого зависит от направления механической обработки или ориентации зерен. Поэтому, когда это возможно, плоскость трещины следует ориентировать параллельно одному из базовых направлений заготовки.

6.2.2    Для заготовок прямоугольного сечения (из плит и листов проката и поковок с несимметричной ориентацией зерен) базовые направления показаны на рисунке 6.1а). Направление «L» должно соответствовать длине (продольному направлению, направлению проката или оси ковки), направление «7» должно соответствовать ширине (большему поперечному направлению), направление «S» должно соответствовать толщине (меньшему поперечному направлению) заготовки.

6.2.3    Для заготовок крутого сечения базовые направления показаны на рисунке 6.16): направление «L» должно соответствовать осевому направлению, направление «R» должно соответствовать радиальному направлению, направление «С» должно соответствовать окружному (тангенциальному) направлению заготовки.

6.2.4    Для обозначения ориентации плоскости трещины и направления роста трещины по отношению к базовым направлениям заготовок прямоугольного и круглого поперечного сечения следует использовать буквенные обозначения, которые записываются через дефис: первая буква должна обозначать направление, перпендикулярное плоскости трещины, а вторая буква должна обозначать ожидаемое направление развития трещины.

в) Заготовка прямоугольного сочония (образцы наклонены относительно двух базовых направлений)

6.2.5    Ориентация плоскости трещины образцов, нормаль к которой располагается в базовом направлении заготовки прямоугольного сечения, обозначается двумя буквами [см. рисунок 6.1а)].

Пример — «T-L» означает, что нормаль к плоскости трещины образца располагается в направлении ширины заготовки яТ», а ожидаемое направление развития трещины совпадает с продольным направлением яLи.

6.2.6    Ориентация плоскости трещины образцов, нормаль к которой располагается в базовом направлении заготовки круглого сечения, обозначается двумя буквами [см. рисунок 6.16)].

Пример — яL-R» означает, что нормаль к плоскости трещины образца располагается в осевом направлении заготовки «L». а ожидаемое направление развития трещины совпадает с радиальным направлением в заготовке *R».

6.2.7    Ориентация плоскости трещины образцов, наклоненной относительно двух базовых направлений заготовки обозначается тремя буквами [см. рисунок 6.1 в)].

Пример — kTS-Lu означает, что нормаль к плоскости трещины образца располагается в направлении, промежуточному между поперечными направлениями яТ» и «S*. а ожидаемое направление развития трещины совпадает с продольным направлением я1_».

6.3    Другие типоразмеры образцов

6.3.1    Допускается использовать образцы типов СТ. DT и SE(B). соотношение основных размеров (WIB) которых не равно 2. Для образцов типов СТ и DT рекомендуется принимать соотношение основных размеров (W/B) в интервале от 2 до 4. Для образцов типа SE(B) рекомендуется принимать соотношение основных размеров [W/B) в интервале от 1 до 4. Выбор соотношения основных размеров (W/B) рекомендуется осуществлять согласно приложению Е.

6.3.2    Допускается использовать образцы других типоразмеров, для которых выполняются все требования корректности, соответствующие проводимым испытаниям, и получены расчетные зависимости для определения характеристик трещиностойкости.

6.4    Инициирующий надрез и предварительная трещина

6.4.1    Если материал, из которого изготовляются образцы, должен быть подвергнут термической и/или механической обработке, то требуемую обработку следует проводить на заготовках до изготовления образцов. Если возможность провести требуемую обработку заготовок отсутствует, то допускается провести окончательную обработку после изготовления образцов при условии соблюдения требуемых размеров и допусков на размеры и форму образцов. При вырезке и изготовлении образцов необходимо обеспечить минимальные наклеп, остаточные напряжения, изменение структуры и фазового состава в зоне разрушения образца. Окончательную механическую обработку образцов и наведение исходной усталостной трещины следует проводить после термической обработки образцов.

6.4.2    Инициирующий надрез на образцах может быть выполнен механическим, электроискровым или электроэрозионным способом. В отдельных случаях допускается комбинировать различные способы. Для уменьшения нагрузки и времени, необходимых для зарождения трещин, можно применять лазерный, электронно-лучевой и другие методы обработки вершины надреза при условии, что область влияния обработки на состояние материала у вершины надреза будет меньше длины создаваемой исходной усталостной трещины.

6.4.3    Форма инициирующего надреза для образцов типов СТ, SE(B). DT показана на рисунке 6.2.

Шевронный надрез является предпочтительным, позволяет ускорить зарождение трещины, задать направление ее распространения строго по плоскости симметрии образца и в итоге обеспечить более прямой фронт предварительной усталостной трещины.

Прямой надрез допускается выполнять при толщине образца менее 25 мм. а также в тех случаях, когда подрост усталостной трещины может контролироваться только оптическими методами по боковым граням образца.

Для того, чтобы обеспечить выход усталостной трещины их вершины надреза при низких уровнях КИН. радиус в вершине инициирующего надреза но должен превышать 0,25 мм.

6.4.4    Требования к форме и методам создания инициирующего надреза для образцов типа ССА и ОСА приведены в приложениях Г и Д соответственно.

6.4.5    Предварительная усталостная трещина должна быть создана на образцах типов СТ, SE(B). ОТ посредством циклического нагружения образца с инициирующим надрезом.

6.4.5.1    Количество циклов нагружения при наведении предварительной усталостной трещины должно составлять не менее 5-10⁴. Коэффициент асимметрии R при циклическом нагружении должен находиться в пределах от 0,01 до 0.1.

6.4.5.2    Наведение предварительной усталостной трещины должно быть выполнено с постепенным (плавным или ступенчатым) снижением величины максимального коэффициента интенсивности

напряжений в цикле К⁰'¹*’ Рекомендуется снижать К^с>'^с<р так. чтобы на каждом шаге снижение к^с/с19

тех    max    спэх

не превышало 20 %. так как слишком быстрое снижение К^с/с* может привести к замедлению темпа роста усталостной трещины вплоть до ее остановки. Если подрост усталостной трещины контролируется не в автоматическом режиме (оптическими методами по боковым граням образца, методом упругой податливости, либо иными методами), рекомендуется измерять подрост усталостной трещины до перехода к следующему шагу.

6.4.5.3    При ступенчатом снижении величины максимального коэффициента интенсивности напряжений в цикле к^сус* наводение предварительной усталостной трещины может быть проведено в две стадии. На первои'стадии производят инициирование трещины, на второй стадии — ее «заострение».

6.4.5.4    Наведение предварительной усталостной трещины следует начинать так. чтобы выполнялись следующие условия:

K‘_Jc — ожидаемое значение статической трещиностойкости. МПа- v'm ;

Р_тах — максимальная нагрузка в цикле. Н;

Р_т — предельно допустимая нагрузка на образец. Н. При отсутствии сведений об ожидаемом значении статической трещиностойкости. величина K‘_jc может быть принята равной расчетному значению статической трещиностойкости в"соответствии с разделом 13.

Допускается принимать в качестве K'_Jc значение, равное 20 МПа- ум. но для некоторых материалов это может привести к замедлению темпа роста усталостной трещины вплоть до ее остановки.

Формулы для расчета предельно допустимой нагрузки на образец Р_т для соответствующих типов образцов приведены в приложениях А — В.

6.4.5.5 На последнем участке подроста предварительной усталостной трещины (на стадии «заострения») должны выполняться следующие условия.

К%?*0,Ю-К_л,    (6.3)

6.4.5.6    Подрост предварительной усталостной трещины да, должен быть:

-    не менее 0.05 В при выполнении инициирующего надреза электроэрозионным способом;

-    не менее 0.05 В или 1.3 мм (следует выбирать большее из значений 0.05 В или 1.3 мм), при выполнении инициирующего надреза другими способами.

6.4.5.7    Подрост предварительной усталостной трещины Да, на последнем участке (на стадии «заострения») должен быть не менее 0.4 мм.

6.4.5.8    Если наведение предварительной усталостной трещины выполняется при температуре Г._у1. отличной от температуры испытаний 7_исп. то в формулах (6.1) и (6.3) вместо величины K*_jc должно использоваться произведение к_Т ■ K*_jc, в котором коэффициент к_т определяется как

^П0,2^исп^

где о₀^(Г_иу1) — предел текучести материала при температуре наведения предварительной усталостной трещины Т_нуГ> МПа;

°о    —    предел    текучести    материала    при    температуре    испытаний    Т_исп.    МПа.

Значения предела текучести для температур 7_иут и могут быть рассчитаны в соответствии с разделом 13.

6.4.5.9 Значение максимального КИН в цикле /е^с>'^<л?, рассчитанное по формуле (6.3) должно быть

max

не менее минимального значения К_тзх при наведении усталостной трещины /С^Т1П . которое определяют по формуле

Vl-Я² ’

где дК° — пороговый размах КИН при R = 0. МПа- ум ;

R — коэффициент асимметрии цикла нагружения, отн. ед.

Значение дможет быть рассчитано в соответствии с разделом 14. Допускается принимать Дравным 9 МПа- _ч'м .

Если рассчитанное по формуле (6.3) значение К_тдк оказалось меньше рассчитанного по формуле

(6.6) значения к^тп . то на последнем участке подроста усталостной трещины (на стадии «заострения») та*

в качестве К_тах должно быть использовано значение К^тп .

6.4.5.10 Наведение предварительной усталостноиТрещины должно контролироваться. Если на одной из сторон образца трещина не появится после того, как на другой его стороне уже будет наблюдаться заметный ее подрост, следует остановить нагружение, чтобы попытаться определить причины и принять меры против несимметричного роста трещины. В ряде случаев для этого достаточно просто развернуть образец относительно захватов.

6.5 Боковыо канавки

6.5.1    Боковые канавки рекомендуется наносить на боковые грани образца для обеспечения более прямого фронта трещины и удержания ее в плоскости инициирующего надреза при развитии в процессе испытаний.

6.5.2    Боковые канавки должны быть симметричны, иметь одинаковую глубину Ь_ы, одинаковый радиус закругления в вершине p_SG и одинаковый угол в надрезе ф_5е. Вершины боковых канавок должны располагаться в плоскости инициирующего надреза. Форма боковых канавок показана на рисунке 6.3.

6.5.3    Общая глубина боковых канавок должна составлять не более 0,25 В. за исключением образцов типа ОСА, для которых общая глубина боковых канавок должна составлять от 0,4 8 до 0,6-8. Допускаемые размеры боковых канавок для различных типов образцов приведены в таблице 6.2.

Рисунок 6.3 — Форма боковых канавок

Таблица 6.2 — Допускаемые размеры боковых канавок

Тип образца Общая глубина боковых канавок 2 bN Радиус закругления в вершине pSG. мм Угол а надрезе '±iSG СТ Не более 0,25-8 От 0.3 до 0.7 От 30" ДО 90" SE(B) Не более 0,25-8 От 0.3 до 0.7 От 30” до 90” DT Не более 0,25-8 От 0.3 до 0.7 От 30” до 90" CCA Не более 0,25 В От 0.1 до 0.3 45” ± 5' DCA От 0,4 8 до 0.6-8 От 0.1 до 0,2 45” ± 5*

6.5.4    Для образцов типа SE(B) допускается выполнять боковые канавки общей глубиной 0,5-8. В этом случав в расчеты должен быть введен поправочный коэффициент k_SG (см. приложение Б).

6.5.5    Боковые канавки в образцах типов СТ, SE(B) и DT рекомендуется выполнять после наведения предварительной усталостной трещины. В случае испытаний образцов из материала сварных швов рекомендуется выполнять боковые канавки едва этапа: на первом этапе (до наведения предварительной усталостной трещины) выполнить боковые канавки в половину рекомендуемой глубины (для удер-

жамия трещины в плоскости инициирующего надреза при ее развитии), на втором этапе (после наведения предварительной усталостной трещины) углубить их до максимальной рекомендуемой глубины.

6.5.6    Боковые канавки в образцах типов ССА и ОСА должны быть выполнены после нанесения хрупкой наплавки в инициирующем надрезе.

6.6    Опорные призмы

6.6.1    Для измерения перемещений при раскрытии трещины образец должен быть снабжен двумя опорными призмами, на которые должно устанавливаться средство измерений перемещений и которые могут служить точками отсчета перемещений.

6.6.2    Опорные призмы могут быть выполнены как единое целое с образцом (призматические выступы) или могут крепиться к образцу (накладные опорные призмы). Формы опорных призм показаны на рисунке 6.4.

1 — передний торец образца: 2 — плоскость надреза: 3 — линия действия силы. 4 — призматический выступ;

5 — накладная опорная призма

Рисунок 6.4 — Форма опорных призм

6.6.3    Расстояние между кромками призматических выступов на образцах указано в приложениях А—Д.

6.6.4    Накладные опорные призмы должны быть одинакового размера и жестко крепиться к образцу во избежание сдвига во время испытаний (например, с помощью крепежных винтов или точечной сварки).

6.6.5    Призматические выступы или накладные опорные призмы должны быть расположены на одинаковом расстоянии от плоскости надреза, с погрешностью не более ±0.2 мм.

7 Испытательное оборудование

7.1    Испытательные машины

7.1.1    Для определения характеристик трещиностойкости могут быть использованы испытательные машины с механическим, гидравлическим, электрогидравлическим или электромеханическим приводом.

7.1.2    Испытательные машины должны обеспечивать измерение приложенной нагрузки и перемещения траверсы испытательной машины.

7.1.3    Испытательные машины должны обеспечивать возможность подключения средства измерений перемещений при раскрытии трещины в образце или прогиба образца [для образцов типа SE(B)].

7.1.4    Испытательные машины должны обеспечивать запись диаграммы испытаний в цифровом виде для дальнейшей обработки на компьютере или в графическом виде с помощью двумерного графопостроителя.

7.1.5    Испытательные машины должны быть аттестованы в соответствии с ГОСТ Р 8.568.

7.2 Измерение нагрузки

7.2.1    Нагрузку, приложенную к образцу, следует определять средствами измерений нагрузки утвержденного типа.

7.2.2    Погрешность сродства измерений нагрузки должна составлять не более ±1 % от величины диапазона измерений, нелинейность должна составлять не более ±0.2 % в диапазоне измерений упругой податливости образца и не более ±1 % в остальном диапазоне.

7.3 Измерение перемещений

7.3.1    Перемещения при раскрытии трещины в образце (перемещение по линии действия силы, перемещение на торце образца, перемещение на накладных опорных призмах, перемещение траверсы испытательной машины) или прогиб образца [для образцов типа SE(B)] следует определять средствами измерений перемещений утвержденного типа.

7.3.2    Рекомендуется использовать средства измерений перемещений, которые имеют рабочий диапазон, не превосходящий двукратную величину от ожидаемых перемещений в ходе испытаний.

7.3.3    Погрешность средства измерений перемещений должна составлять не болео ±1 % от величины ожидаемых перемещений (диапазона), нелинейность должна составлять не более ±0.2 % в диапазоне измерений упругой податливости образца и ±1 % в остальном диапазоне.

7.4    Измерение температуры

7.4.1    Температуру образца в ходе испытаний следует измерять средствами измерений (термопарами или терморезисторами) утвержденного типа, имеющими класс точности не ниже 0.5, способ крепления которых (приварка, механическое крепление) обеспечивает надежный контакт с поверхностью образца.

7.4.2    На образцах типов СТ. SE(B) и DT термопары или терморезисторы следует устанавливать на поверхности образца на расстоянии не более 0.25 Wot вершины предварительной усталостной трещины. При проведении испытаний в условиях ползучести при повышенных температурах термопары рекомендуется размещать перед вершиной предварительной усталостной трещины на расстоянии от 2 до 5 мм над или под плоскостью трещины.

7.4.3    На образцах типов ССА и DCA термопары или термореэисторы следует устанавливать на поверхности образца на расстоянии (10 ± 2) мм от боковой канавки и на расстоянии (25 ± 5) мм впереди инициирующего надреза.

7.5    Приспособления для установки и нагружения образцов

7.5.1    Приспособления для установки и нагружения образцов должны обеспечивать реализацию схемы нагружения, в частности, точную центровку образцов.

7.5.2    Рекомендуемая схема захвата (вилки) для установки и нагружения компактных образцов (образцов типов СТ и ОТ) показана на рисунке 7.1. Образец следует удерживать в захватах и нагружать через нагружающие пальцы. Во время испытаний должна была обеспечена возможность поворота частей образца вокруг осей нагружающих пальцев. Для обеспечения контакта качения между нагружающими пальцами и отверстиями захватов, эти отверстия имеют небольшие плоские участки на поверхностях нагружения. Захваты и нагружающие пальцы должны быть изготовлены из сталей с твердостью не менее 40 единиц по шкале твердости Роквелла.

Содержание

1    Область применения .................................................................1

2    Нормативные ссылки .................................................................1

3    Термины и определения...............................................................2

4    Обозначения и сокращения ......................... 4

5    Общие положения ...................................................................6

6    Образцы для испытаний ..............................................................8

6.1    Типы и размеры образцов .................. 8

6.2    Ориентация плоскости трещины    .................................................9

6.3    Другие типоразмеры образцов ..................................................10

6.4    Инициирующий надрез и предварительная трещина................................10

6.5    Боковые канавки ......... 13

6.6    Опорные призмы .............................................................14

7    Испытательное оборудование .........................................................14

7.1    Испытательные машины .......................................................14

7.2    Измерение нагрузки ..........................................................15

7.3    Измерение перемещений ......................................................15

7.4    Измерение температуры.......................................................15

7.5    Приспособления для установки и    нагружения образцов .............................15

8    Определение трещиностойкости по критерию старта нестабильно развивающейся трещины ____19

8.1    Подготовка и проведение испытаний.................................... 19

8.2    Анализ результатов ...........................................................21

8.3    Протокол испытаний ..........................................................23

9    Определение трещиностойкости при стабильном развитии трещины ........................24

9.1    Подготовка и проведение испытаний.............................................24

9.2    Анализ результатов ...........................................................25

9.3    Протокол испытаний ..........................................................29

10    Определение трещиностойкости по критерию остановки нестабильно развивающейся трещины .. 30

10.1    Подготовка и проведение испытаний............................................30

10.2    Анализ результатов ........... 32

10.3    Протокол испытаний .........................................................34

11    Определение трещиностойкости при развитии трещины в условиях ползучести...............34

11.1    Подготовка и проведение испытаний ............................................34

11.2    Анализ результатов ..........................................................36

11.3    Протокол испытаний .........................................................41

12    Определение температурной зависимости статической трещиностойкости...................41

12.1    Основные положения ........................................................41

12.2    Требования к количеству образцов и корректности испытаний ......................43

12.3    Требования к температуре испытаний...........................................44

12.4    Определение параметров температурной зависимости статической трещиностойкости

согласно методу Advanced Unified Curve .........................................45

12.5    Определение параметра Г₀ в температурной зависимости статической

трещиностойкости согласно методу Master Curve .................................46

13 Расчетная статическая трещиностойкость ..............................................47

13.1    Расчетная статическая трещиностойкость основного металла и металла сварных швов

материалов аустенитного класса...............................................47

13.2    Расчетная статическая трещиностойкость металла аустенитной антикоррозионной

наплавки.......... 51

13.3    Расчетная статическая трещиностойкость основного металла и металла сварных швов

материалов ферритного класса ................................................52

13.4    Расчетная статическая трещиностойкость титановых сплавов.......................56

14 Расчетная циклическая трещиностойкость .............................................57

14.1    Расчетная циклическая трещиностойкость основного металла и металла сварных швов

материалов аустенитного класса ...............................................57

14.2    Расчетная циклическая трещиностойкость металла антикоррозионной наплавки ......60

14.3 Расчетная циклическая трещиностойкость основного металла и металла сварных швов

материалов ферритного класса ................................................60

15 Расчетная трещиностойкость при ползучести ...........................................62

15.1    Расчетная трещиностойкость при ползучести основного металла и металла сварных

швов материалов аустенитного класса ..........................................62

15.2    Расчетная трещиностойкость при ползучести сталей марок 06X12НЗД и 07Х12НМФБ

и металла их сварных швов .................... 64

Приложение А (обязательное) Типоразмер и расчетные зависимости для прямоугольных

компактных образцов с краевой трещиной ...................................65

Приложение Б (обязательное) Типоразмер и расчетные зависимости для плоских

прямоугольных образцов с краевой трещиной ................................71

Приложение В (обязательное) Типоразмер и расчетные зависимости для дисковых компактных

образцов с краевой трещиной .............................................74

Приложение Г (обязательное) Типоразмер и расчетные зависимости для компактных образцов

с краевой трещиной для испытаний расклиниванием ..........................76

Приложение Д (обязательное) Типоразмер и расчетные зависимости для двухконсольных образцов

с краевой трещиной для испытаний расклиниванием ..........................78

Приложение Е (рекомендуемое) Выбор размеров образцов для определения характеристик

трещиностойкости .......................................................80

Приложение Ж (обязательное) Способы фиксации фронта и измерения длины трещины .........82

Приложение И (обязательное) Оценка значимости скачка трещины при кратковременном

статическом нагружении ..................................................85

Приложение К (справочное) Метод нормализации..........................................86

Приложение Л (обязательное) Расчет нагрузки при испытаниях образцов типа СТ длительным

статическим нагружением в условиях ползучести..............................93

Библиография .......................................................................94

Введение

Настоящий стандарт взаимосвязан с другими стандартами, входящими в комплекс стандартов, регламентирующих обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ АТОМНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Методы определения характеристик трещиностойкости конструкционных материалов

Rules for strength assessment of equipment and pipelines of nuclear power installations.

Methods for determination of fracture toughness characteristics of structural materials

Дата введения — 2022—01—01

1    Область применения

1.1    Настоящий стандарт устанавливает методы проведения испытаний в целях экспериментального определения и процедуры расчетного определения характеристик трещиностойкости конструкционных материалов оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок в условиях стабильного и нестабильного развития трещины при кратковременном нагружении, а также при циклическом и длительном статическом нагружении.

1.2    Настоящий стандарт предназначен для применения при проведении расчетов по обоснованию прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок, на которые распространяется действие федеральных норм и правил в области использования атомной энергии [1].

1.3    Применимость материалов для изготовления указанных в 1.2 оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок регламентируется федеральными нормами и правилами в области использования атомной энергии (1].

2    Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ Р 8.568 Государственная система обеспечения единства измерений. Аттестация испытательного оборудования. Основные положения

ГОСТ Р 59115.1 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Термины и определения

ГОСТ Р 59115.2 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения, коэффициент Пуассона. модуль сдвига

ГОСТ Р 59115.3 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Кратковременные механические свойства конструкционных материалов

ГОСТ Р 59115.14 Обоснование прочности оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Расчет на сопротивление хрупкому разрушению корпуса водо-водяного энергетического реактора

Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который

Издание официальное

дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение. в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ Р 59115.1, а также следующие термины с соответствующими определениями:

3.1    С'-интеграл: Параметр механики разрушения, контролирующий напряжения и скорость деформации ползучести вблизи вершины трещины при деформировании материала в области установившейся ползучести.

3.2    J-интеграл: Параметр механики разрушения, контролирующий напряженно-деформированное состояние вблизи вершины трещины при упругопластическом деформировании материала.

3.3    Jp-кривая: Графическая зависимость трещиностойкости (в терминах J-интеграла) от величины стабильного подроста трещины при статическом нагружении.

3.4    боковые канавки: Симметричные надрезы на боковых гранях образца, имеющие V-образный профиль и вершины в плоскости инициирующего надреза.

3.5    верхний шельф: Область температурной зависимости статической трещиностойкости материалов ферритного класса, в которой разрушение материалов происходит по вязкому механизму, а значения статической трещиностойкости при увеличении температуры остаются неизменными или незначительно снижаются.

3.6    время инициирования трещины при ползучести: Время, за которое исходная трещина подрастает по механизму ползучести на 0.2 мм после приложения нагрузки к образцу.

3.7    диапазон нагрузки: Разность между максимальной и минимальной нагрузкой в цикле нагружения.

3.8    длина трещины: Размер трещины в плоскости инициирующего надреза в сечении, параллельном боковой грани образца, равный, в зависимости от типа образца, расстоянию от фронта трещины до линии действия силы или до грани образца с инициирующим надрезом.

3.9    Единая кривая (Advanced Unified Curve): Метод прогнозирования температурной зависимости статической трещиностойкости в области хрупкого разрушения конструкционных материалов ферритного класса с любой степенью охрупчивания, применимый как в случае, когда форма этой зависимости не изменяется, так и когда форма этой зависимости изменяется с увеличением степени охрупчивания.

3.10    инициирующий надрез: Надрез в образце, определяющий плоскость зарождения трещины и направление ее дальнейшего развития при испытаниях.

3.11    исходная трещина: Трещина в образце до начала испытаний.

3.12    конечная трещина: Трещина в образце после проведения испытаний.

3.13    коэффициент асимметрии цикла нагружения: Отношение минимальной нагрузки к максимальной нагрузке в цикле.

3.14    коэффициент интенсивности напряжений: Параметр, определяющий напряженно-деформированное состояние вблизи вершины трещины при упругом деформировании и деформировании в области маломасштабной текучести.

3.15    критическая температура хрупкости: Характеристика склонности материала к хрупкому разрушению, определяемая по результатам испытаний образцов на ударный изгиб.

3.16    линия притупления трещины: При испытаниях на статическую трещиностойкость линия, аппроксимирующая подрост трещины за счет притупления ее вершины.

3.17    максимальная нагрузка: Наибольшее (по модулю) значение прилагаемой нагрузки (при циклическом нагружении растягивающая нагрузка считается положительной, сжимающая нагрузка — отрицательной).

3.18    максимальный коэффициент интенсивности напряжений: Максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений, при циклическом нагружении соответствующее максимальной нагрузке в цикле нагружения.

3.19    Мастер кривая (Master Curvo): Метод прогнозирования температурной зависимости статической трещиностойкости в области хрупкого разрушения конструкционных материалов ферритного

класса в исходном состоянии и с невысокой степенью охрупчивания, применимый в случае, когда форма этой зависимости не изменяется с увеличением степени охрупчивания.

3.20    материалы аустенитного класса: Высоколегированные стали с кубической гранецентрированной кристаллической решеткой, имеющие преимущественно однофазную аустенитную структуру y-Fe. а также сварные швы этих сталей.

3.21    материалы ферритного класса: Углеродистые и легированные стали с кубической объем-ноцентрированной кристаллической решеткой (перлитные, бейнитые. мартенситные), а также сварные швы этих сталей.

3.22    металл антикоррозионной наплавки: Металл наплавки аустенитного класса, защищающей металл детали (изделия) от воздействия коррозионной среды в процессе эксплуатации.

3.23    металл зоны термического влияния: Зона основного металла, подверженная при сварке термическому воздействию при котором изменяется микроструктура и свойства этого металла.

3.24    металл сварного шва: Металл, температура которого при сварке превышала температуру плавления.

3.25    минимальная нагрузка: Наименьшее (по модулю) значенио прилагаемой нагрузки в цикле нагружения (растягивающая нагрузка считается положительной, сжимающая нагрузка — отрицательной).

3.26    минимальный коэффициент интенсивности напряжений: Минимальное значение коэффициента интенсивности напряжений при циклическом нагружении, соответствующее минимальной нагрузке в цикле при положительном значении коэффициента асимметрии цикла нагружения и равное нулю при иных его значениях.

3.27    напряжение течения: Напряжение, характеризующее влияние пластического течения на трещиностойкость. определяемое как среднее арифметическое условного предела текучести и предела прочности материала при растяжении.

3.28    нестабильное развитие трещины: Развитие (подрост) трещины, происходящее без увеличения приложенной нагрузки.

3.29    нетто-толщина образца: Расстояние между вершинами надрезов боковых канавок в образце с боковыми канавками.

3.30    нижний шельф: Область температурной зависимости статической трещиностойкости материалов ферритного класса, в которой разрушение материалов происходит по хрупкому механизму, а значения статической трещиностойкости при понижении температуры снижаются незначительно.

3.31    основной металл: Металл элементов оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок, за исключением металла зон термического влияния и металла сварных швов.

3.32    перемещение на торце образца: Перемещение при испытаниях образца краев инициирующего надреза (призматических выступов на краях надреза) в направлении, перпендикулярном плоскости инициирующего надреза.

3.33    перемещение по линии действия силы: Перемещение в точке приложения силы, направление которого совпадает с направлением действия силы.

3.34    повреждающая доза: Интегральная характеристика, отражающая степень радиационного повреждения металла, определяемая как накопленное за определенное время число смещений одного атома из узла кристаллической решетки под действием нейтронного и гамма-излучения.

3.35    податливость: Отношение приращений перемещения к приращению нагрузки.

3.36    подрост трещины: Увеличение длины трещины.

3.37    прогиб образца: Перемещение по линии действия силы при испытаниях на трехточечный изгиб плоского прямоугольного образца с краевой трещиной.

3.38    пролет образца: Расстояние между роликовыми опорами при испытаниях на трехточечный изгиб плоского прямоугольного образца с краевой трещиной.

3.39    размах коэффициента интенсивности напряжений: Диапазон изменения коэффициента интенсивности в цикле нагружения, определяемый как разница между максимальным и минимальным коэффициентами интенсивности напряжений.

3.40    разрушение образца: Разделение образца на части при развитии в нем трещины в процессе испытаний.

3.41    раскрытие трещины: Перемещение при испытаниях образца берегов трещины в направлении. перпендикулярном плоскости инициирующего надреза.

3.42    расстояние между отверстиями под пальцы: Расстояние между центрами отверстий под нагружающие пальцы на образце с отверстиями.

3.43    скачок: Перегиб на диаграмме «нагрузка — перемещение» с локальным максимумом (увеличением перемещения и резким снижением нагрузки), после которого при увеличении перемещения нагрузка увеличивается.

3.44    стабильное развитие трещины: Развитие (подрост) трещины, происходящее только при увеличении приложенной нагрузки.

3.45    трещиностойкость: Характеристика материала в терминах коэффициента интенсивности напряжений, J-интеграла или С'-интеграла. описывающая сопротивление старту или развитию трещины в материале.

3.46    флюенс нейтронов: Количество нейтронов с энергией, превышающей заданную, которое проходит через единицу площади в течение времени облучения.

3.47    фронт трещины: Граница разрыва сплошности в материале.

3.48    цикл (цикл нагружения): Изменение нагрузки от минимального значения до максимального и обратно до минимального значения при нагружении с постоянной амплитудой.

3.49    эффективная толщина образца: Геометрический параметр образца с боковыми канавками.

4 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения и сокращения: да — подрост трещины, мм;

Да,— подрост усталостной трещины, мм;

ДЗ|_1П, — предельный стабильный подрост трещины, мм;

Дз_тах — максимальное значение стабильного подроста трещины для ^-кривой, мм;

Да_р — конечный подрост трещины, мм;

Aa/AN — скорость роста усталостной трещины, м/цикл;

ДK_lh — пороговый размах коэффициента интенсивности напряжений. МПа- _ч'м.

ДT_F — сдвиг критической температуры хрупкости материала, обусловленный нейтронным облучением, °С;

ДТ_т — сдвиг критической температуры хрупкости материала, обусловленный термическим старением. “С;

57^__сЛ — разность между температурами 7_г и 7₁₀₀, °С;

57_Jype — запас на тип образца. “С;

— скорость деформации ползучести, час"¹; v — коэффициент Пуассона; о₀ — нормирующий коэффициент. а₀ = 100 МПа;

°о 2 ~ предел текучести материала. МПа;

°dow — напряжение течения. МПа; o_ref— референсное напряжение. МПа;

Од — предел прочности материала. МПа;

°тд — динамический предел текучести материала. МПа;

ш^епу — коэффициент увеличения скорости роста усталостной трещины под влиянием среды; _шстар _ коэффициент увеличения скорости роста усталостной трещины за счет старения материала;

П — параметр, определяющий вид температурной зависимости K_Jc(T) в соответствии с методом Advanced Unified Curve. МПа- >/м ; а — длина трещины, мм; э₀ — длина исходной трещины, мм;

a_0<J — длина исходной трещины, оцененная по методу упругой податливости, мм;

э_а — длина остановленной трещины, мм;

а_с — параметр уравнения установившейся ползучести, час"¹;

а_р — длина конечной трещины, мм;

д — скорость роста трещины при ползучести, мм/час.

А_ао 2 — параметр материала. МПа;

А_г — коэффициент уравнения установившейся ползучести;

В — толщина образца, мм;

В_е — эффективная толщина образца, мм;

B_N — нетто-толщима образца, мм;

С — податливость. мм/Н;

С* — С'-интеграл, Н/(мм час);

С, — коэффициент уравнения Пэриса;

Cj— параметр материала, мм;

D — повреждающая доза нейтронного облучения, сна;

D₀ — диаметр отверстия в образце для испытаний расклиниванием, мм;

O,    — диаметр отверстия в опорной плите, мм;

D_or — диаметр дискового компактного образца, мм;

Е — модуль упругости. МПа;

F— флюенс быстрых нейтронов. 1/м²;

G_z — номер (балл) зерна.

Н — 1/2 высоты прямоугольного компактного или двуконсольного образца, мм; h_n — длина инициирующего надреза;

J— J-интеграл, Н/мм,

J_c— критическое значение J-интеграла, Н/мм;

J_lc — критическое значение J-интеграла в условиях плоской деформации, Н/мм;

— критическое значение J-интеграла на верхнем шельфе. Н/мм.

J_lm — предельное значение J-интеграла для J^-кривой. Н/мм;

J_mux — максимальное значение J-интеграла для Jr-кривой. Н/мм; k_SG — коэффициент поправки на глубину боковых канавок;

К — коэффициент интенсивности напряжений. МПа _n'm ;

Kq — параметр масштаба. МПа- _ч'м ;

К, — КИН I рода (для модели трещины нормального отрыва). МПа _s'm :

К_а — трещиностойкость при остановке нестабильно развивающейся трещины. МПа v'm ;

К— статическая трещиностойкость. соответствующая величине J_lc, МПа _n'm .

K_jc — статическая трещиностойкость. соответствующая величине J_c. МПа- Jm ;

К*™ — температурно-независимая составляющая статической трещиностойкости при вероятности хрупкого разрушения 0.5 и длине фронта трещины 25 мм (уровень нижнего шельфа), МПа- _ч’м ; K_Jc(11. — предельное значение трещиностойкости, МПа - -Jm ;

^kjc(med) — медианная статическая трещиностойкость (при вероятности хрупкого разрушения 0,5). МПа ;

К<>Х» _ статическая трещиностойкость при вероятности хрупкого разрушения 0.05, МПа _ч'м .

JC

цац _ статическая трещиностойкость материала на верхнем шельфе. МПа ,/м ,

Jc

—    максимальный КИН в цикле нагружения. МПа- _ч'м ;

—    минимальный КИН в цикле нагружения. МПа _ч'м ;

К_тт — минимально возможная статическая трещиностойкость. МПа _s'm ; п_с — параметр уравнения установившейся ползучести. п,— коэффициент уравнения Пэриса; п_г — коэффициент уравнения установившейся ползучести:

N — количество циклов нагружения, шт.;

N_n — ширина инициирующего надреза, мм;

N_s — общее число испытанных образцов, шт.;

Р_с — нагрузка при разрушении образца с трещиной. Н;

P, — вероятность хрупкого разрушения образца с трещиной:

P,_im — предельная нагрузка. Н;

Рцои — параметр Холломона;