蠕变断裂寿命外推方法及数据分散性处理研究

高温部件的蠕变寿命外推问题是高温结构完整性领域的重要课题。主要归纳了蠕变断裂寿命的外推方法,介绍以Larson-Miller参数法为代表的长时持久寿命外推方法;同时,给出其他常用寿命外推方法;最后,介绍蠕变断裂寿命外推过程中数据分散性的处理方法。结果表明,使用Larson-Miller法外推耐热钢长时持久寿命时存在过高估计倾向,利用分区分析方法可显著改善外推结果。蠕变断裂数据不可避免存在分散性,可以从试验方法、数据选择和常数优化等方面减小数据分散,此外引入Z参数,在一定可靠度下进行寿命预测。     

辐照蠕变寿命外推方法

奥氏体不锈钢材料被广泛用于的第四代液态金属快中子增殖反应堆核心构件中,辐照和蠕变损伤耦合作用是影响其寿命的主要模式。为了建立短时辐照蠕变寿命外推的合理方法,在参考用于材料蠕变寿命外推的时间-温度参数法的基础上引入一个量纲一的辐照影响系数,根据辐照-时间-温度参数法推导出了含辐照影响系数的Lason-Miller参数方程和Dorn参数方程,并通过快堆内辐照蠕变数据进行了验证。新定义的辐照影响系数基本呈随温度上升先降后稳的趋势。     

采用不同方法预测10Cr9MoW2VNbBN钢蠕变曲线的比较

采用θ投影法和自行建立的复合修正模型对10Cr9MoW2VNbBN钢的蠕变曲线进行了预测,并与600℃和650℃时的蠕变试验数据进行了对比。结果表明:θ投影法能较好地描述蠕变应变与时间的关系,但对蠕变速率与时间的关系不能客观描述;自行建立的复合修正模型能够更客观地描述试验钢真实的蠕变行为;但基于复合修正模型的蠕变曲线结合断裂应变进行持久寿命外推时,其外推值高于真实值。     

1.25Cr0.5Mo钢缺口试样高温疲劳蠕变交互作用的试验研究

通过对1.25Cr0.5Mo钢半圆和V型缺口试样520℃和540℃环境下应力控制的梯形波加载试验,对1.25Cr0.5Mo钢缺口试样高温环境下疲劳蠕变交互作用的规律进行了研究。研究表明:1.25Cr0.5Mo钢缺口试样在高温环境下对应力的敏感性不高;与光滑试样不同,缺口试样高温环境疲劳蠕变交互作用下的破坏机制以疲劳为主;缺口试样高温环境疲劳蠕变交互作用的断裂寿命主要应力、温度和缺口形状的影响。     

改进Logistic蠕变应变预测模型及其有限元实现

提出一种针对蠕变全过程的改进Logistic蠕变应变预测(Logistic creep strain prediction, LCSP)模型，减少模型参数数量并解决初始蠕变应变复数值问题，结合加钒改进型2.25Cr1Mo钢的蠕变变形与断裂寿命数据，利用基于最小二乘法原理的模型参数识别方法，实现对材料的蠕变应变及应变速率的准确预测。综合分析Larson-Miller主曲线方程的寿命预测精度及寿命随应力的变化趋势，确定用于预测蠕变断裂寿命的模型多项式阶数。根据改进LCSP模型的蠕变应变解析公式，推导蠕变应变增量及其对等效应力以及蠕变应变的导数的计算表达式，确保计算收敛性，利用Fortran语言开发了针对改进LCSP模型的usercreep蠕变子程序，通过光滑圆棒试样蠕变有限元分析验证该蠕变子程序的准确性。     

基于参数Z_c预测25Cr35Ni耐热钢的蠕变行为与持久寿命

在不同温度T和不同应力σ下对25Cr35Ni耐热钢进行蠕变试验,引入参数P对不同蠕变应变下的温度和时间进行归一化处理,分析了(P,σ)数据点随蠕变应变的变化规律,引入参数Z_c分析了数据的分散程度并使用蠕变应变为5.0%下的试验数据对持久寿命进行了预测。结果表明:随蠕变应变的增加,σ-P曲线趋近于断裂曲线,Z_c先迅速增大后趋于稳定,(P,σ)数据点与其对应拟合曲线的偏差减小;基于Z_c参数法预测得到的持久寿命与实测持久寿命接近,数据分散程度较小。     

高温金属部件的设计

该书由英国ELSEVIER APPLIED SCIENCEPuBLISHERS出版社于1984年出版,全书共202页。该书是欧洲共同体联合研究中心于1983年6月召开的一次报告会的论文集。内容有: 1.发电厂高温结构的设计方法; 2.化学与石油-化学工业用高温部件的设计方法; 3.蠕变与蠕变断裂数据的测量、分析与整理; 4.高温使用时,蠕变寿命的预测和外推; 5.结构的蠕变与粘塑性寿命时间预测; 6.交互作用性能、多轴应力与部件试验。     

钛合金材料IMI834高温蠕变和蠕变断裂的连续损伤力学分析

对工作在650℃下的航空发动机用高温钛合金材料IMI834的高温蠕变和蠕变断裂行为进行连续损伤力学分析研究，预测结构件的蠕变断裂寿命，得到的结果和试验数据相吻合。用有限元软件ANSYS分析半圆形缺口圆棒试样的应力应变状态，得到应力三轴因子，进而考虑多轴应力状态对材料蠕变断裂寿命的影响，表明多轴应力显著地降低结构的蠕变断裂寿命。分析结果显示，文中所用的蠕变损伤模型能够合理地描述材料蠕变损伤的累积发展过程，并正确地预测结构件的蠕变断裂寿命。     

1.25 Cr0.5Mo 钢高温疲劳蠕变交互作用的寿命预测

通过1.25Cr0.5Mo钢光滑试样540℃环境下应力控制的梯形波加载试验,对1.25Cr0.5Mo钢高温环境下疲劳蠕变交互作用的寿命预测进行了研究。研究表明:在本次试验的情况下,频率分离法、频率分离法的应变能修正法可以变形成一个统一的模型表达式。用此模型对1.25Cr0.5Mo钢540℃环境疲劳蠕变的交互作用进行了寿命预测,预测结果与实测结果符合较好。     

炼油厂Cr5Mo工艺管线的蠕变损伤及剩余寿命

我国炼油厂重整、加氢精制和热裂化三套装置中的高温临氢工艺管线普遍采用Cr5Mo钢管。Cr5Mo工艺管线是在高温临氢条件下工作的,在蠕变温度范围内材料在外载的作用下,应变会随着时间的增长而增加,最后导致断裂。作为高温部件必须考虑其蠕变损伤和蠕变残余寿命。试验结果表明,对工作温度为500℃,服役10000小时的炼油厂重整装置中的Cr5Mo管件及其焊接接头,由于其承受的一次应力很低,故蠕变损伤是不明显的。结果还表明,Cr5Mo管件的剩余寿命不受蠕变的控制,而其最大潜在的危险来自于材料的脆性。     

Estimation of kachanov parameters and extrapolation from isothermal creep rupture data

A simple method for extrapolation of isothermal constant load creep rupture test data is presented and discussed. It is shown that the method has support from the Kachanov theory of brittle creep rupture. As a consequence, the material parameters of the Kachanov creep damage rate law can be quickly estimated from short time tests. Five sets of experimental data are used to illustrate the method and its limitations.     

Improvement of long-term creep life extrapolation using a new master curve for Grade 91 steel

This study aims to improve the long-term creep life extrapolation of Grade 91 (Gr. 91) steel using a new master curve of a hyperbolic sine (“sinh”) form. In the master curve for extrapolating creep rupture life, a controversial point of a polynomial form, which has usually been used in time–temperature parametric methods, was preliminarily indicated. The validity of the new master curve was verified. A large body of creep rupture data for Gr. 91 steel was prepared from different sources of available worldwide data at 500 °C to 700 °C for Gr. 91 steel. The material constants of the Larson–Miller, Orr–Sherby–Dorn, and Manson–Harferd parameters were obtained using the polynomial and sinh forms on the basis of the rupture data. Long-term creep rupture life was extrapolated for up to 60 years using the two forms that defined the master curves. Results of long-term creep life extrapolation showed that the master curve of the polynomial form exhibited overestimation due to the divergent curves in the low stress ranges, whereas the master curve of the sinh form revealed goodness in the low stress ranges beyond the experimental data. The proposed sinh form was superior to the polynomial form. The sinh form could be applied to extrapolate the long-term creep rupture life of other heat-resistant steels. The creep rupture stresses predicted by the sinh function were comparable to those of RCC-MRx code.     

高温构件蠕变损伤的概率计算及概率损伤图

由于材料性质以及操作条件的随机性 ,高温构件的蠕变损伤也同样具有随机性。文中根据概率计算的基本原理和高温构件蠕变损伤确定性解 ,得到蠕变损伤的概率方程。探讨各参数的分布规律 ,利用K S检验方法 ,对高温材料数据进行全面的检验 ,包括高温材料的蠕变系数和指数、损伤系数和指数 ;同时 ,对操作温度以及高温构件的蠕变损伤进行检验 ,认为这些参数分别符合正态或对数正态分布。在全面考虑各参数的随机性和相关性基础上 ,最终获得高温构件的概率蠕变损伤解。为了表达它们之间的关系 ,以期最终达到高温构件寿命预测和可靠性评估的目的 ,考虑两个参数 ,确定性时间t和随机性的炉管损伤值D。将它们之间的关系表述成为t—D—f(D)图 ,形成高温构件的概率损伤图 ,清晰地勾画出不同时间D值的概率分布关系 ,为高温构件的可靠性分析和概率寿命预测提供基础     

“服役条件—持久强度”(SCRI)干涉模型及其在持久寿命可靠性预测中的应用

对于高温构件持久寿命的可靠性预测而言,材料持久性能的分散以及服役条件如温度和应力的波动对可靠性评估结果有直接的影响。文中提出基于Z参数的"服役条件—持久强度"干涉模型("service condition-creep rupture prop-erty"interference model,SCRI模型)用于高温材料持久寿命的可靠性预测。利用Z参数方法,高温材料持久强度的分散性服从正态分布,而服役温度和应力波动造成的服役条件的分布可以用MonteCarlo方法模拟获得,从而实现在考虑性能数据分散性以及服役条件波动性的情况下材料持久寿命的可靠性分析。文中提出的干涉模型为高温蠕变持久寿命的可靠性评估提供新的思路和方法。     

蠕变持久寿命幂函数预测方法

通过对大量试验数据的分析研究发现．蠕变持久寿命试验数据经加权累加变换后，能够很好地呈现出幂函数变化规律。由此建立蠕变持久寿命幂函数预测模型，并采用导数最小二乘法确定模型中的待定参数。该方法不但拟合蠕变持久曲线本身，而且还同时拟合蠕变持久曲线上各点的导数，能够很好地描述蠕变持久曲线及其变化趋势，从而实现长期蠕变持久寿命的高精度预测。大量对比试验结果表明，与传统方法相比，蠕变持久寿命幂函数预测方法可以获得更高的预测精度。文中给出两个应用实例。     

高温蠕变条件下表面裂纹扩展行为分析

裂纹的存在及其扩展严重限制着高温承压部件的使用寿命，而目前对结构三维蠕变裂纹扩展行为的认识及其预测仍比较有限。以典型耐热钢P91为例，在650℃下对其开展了不同应力和不同初始裂纹尺寸的表面裂纹蠕变扩展试验，通过断面观察获得了蠕变裂纹扩展形貌演化，并采用基于多轴蠕变损伤模型的有限元法、基于蠕变裂纹尖端参量C^*的有限元法以及英国标准BS7910推荐的简化计算方法进行表面裂纹蠕变扩展分析。结果表明，基于多轴蠕变损伤模型的有限元法能够合理地描述裂纹最终轮廓并准确地预测裂纹扩展时间。相比之下，基于C^*的有限元法和BS7910简化计算方法计算的裂纹形貌预测有明显偏差，并且较依赖于紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验数据及其拟合的参数C和q，易导致过于保守的裂纹扩展时间预测。评估了不同计算方法对于表面裂纹蠕变扩展行为的预测能力。     

镍基定向凝固高温合金蠕变寿命预测的改进方法

一种应用简单、物理依据清晰、稳健的蠕变和持久寿命性能方法是开展航空发动机热端部件强度评价的重要基础。针对航空发动机用典型的镍基高温合金,首先讨论了Wilshire方法对宽温度/应力条件下蠕变性能的预测精度,并证实该方法体系中的等效蠕变激活能比传统方法更接近晶格扩展激活能,所预测的应力分界点与合金不同温度/应力条件下的蠕变变形机制密切相关;其次,通过引入拉伸强度相关的晶向函数对Wilshire和传统的Larson-Miller法进行修正,结果显示修正方法顺利实现了不同晶向下蠕变持久性能的高精度预测;最后,基于Wilshire方法提出了一种基于归一化应力的热强综合参数,该热强综合参数可用于评估高温合金材料在归一化应力条件下的蠕变持久性能,同时基于该热强综合参数有利于发挥材料的高温性能潜能。     

TDFAD APPROACH TO HIGH TEMPERATURE DEFECT ASSESSMENT AND ITS ENGINEERING APPLICATION

From the idea of failure of defective structures at high temperature being controlled by two mechanisms: fast fracture due to creep crack growth initiating at the crack tip and creep rupture on the weakened section, a time-dependent failure assessment diagram (TDFAD) is developed on the basis of the time dependent crack tip parameter J integral. According to the proposed TDFAD method, detailed crack initiation and creep crack growth analysis is avoided in safety assessments of high temperature structures by performing simple calculations of stress intensity factor and limit load. To evaluate the creep toughness parameter Kmat, three different expressions are suggested on the basis of experimental load-line displacement, creep crack initiation and growth parameters as well as the isochronous stress-strain curve. The influence of service factors such as temperature and service-time on the proposed TDFAD is discussed by using the properties of 2.25CrlMo steel and an example is also presented to illustrate t     

T92钢时效硬度变化试验及蠕变寿命预测研究

硬度是衡量材料部件老化的一个重要指标，针对T92铁素体钢高温时效后的硬度变化做了详细的试验分析研究，归纳了硬度变化的原因，还对硬度法评估蠕变寿命进行了探讨，并结合试验数据，根据硬度法外推了T92钢的蠕变寿命。