高温构件蠕变损伤与裂纹扩展预测研究新进展

精准的寿命预测是高温构件设计制造与运行维护的关键,但多轴应力和裂纹等缺陷的存在使得寿命预测的难度大大增加。综述了笔者近年来在高温蠕变损伤模型和蠕变裂纹扩展仿真方面的研究工作,主要包括:讨论了应力水平和应力状态对蠕变断裂应变的影响规律;基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型;采用基于应变的损伤力学模型,预测了多种含缺陷结构中蠕变裂纹的扩展行为,并分析了蠕变条件下多个表面裂纹干涉、扩展及合并的全过程;发展了基于晶界孔洞化损伤机制的裂纹扩展分析方法,实现了蠕变疲劳裂纹扩展仿真和蠕变疲劳氧化裂纹扩展仿真。这些工作为建立考虑多轴应力影响的含缺陷高温构件寿命预测方法提供了有力支持。     

Omega蠕变寿命评估方法及应用

传统高温过热蒸汽管及过热炉管蠕变寿命评估多采用等温外推、Larson-Miller参数和θ参数等寿命评估方法,此类寿命评估方法常通过开展多组高应力蠕变测试进行短时外推,不仅耗时长、取样破坏性大、寿命评估存在分散性,而且此方法没有考虑材料的老化与损伤,长时外推结果置信度下降。1986年,美国材料学会(MPC)发起了用于评估工作在蠕变范围内部件剩余寿命的O-mega工程,目前该评估方法已被编入API 579 Fitness-For-Service标准中。通过介绍Omega寿命评估方法,并对1Cr0.5MoV和1.25Cr0.5MoSi两种材料开展Omega蠕变分析,再将Omega方法预测的材料蠕变断裂时间与实际断裂时间进行对比,发现Omega方法在评定蠕变寿命评估方面更具优越性。     

高温构件蠕变损伤的概率计算有概率损伤图

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发布。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。     

复杂加载条件下压力容器典型用钢疲劳蠕变寿命预测方法

针对多轴应力状态,探讨压力容器典型用钢16MnR缺口试样的高温疲劳与循环蠕变交互作用行为,在延性耗竭理论和损伤力学基础上,建立一种半寿命平均位移速率寿命预测模型,采用该方法对不同缺口半径试样的高温疲劳寿命进行了较好的预测.针对多级加载条件,研究316L钢的循环变形行为,探讨疲劳蠕变与动态应变时效之间的耦合作用,在延性耗竭理论基础上,建立非线性损伤演化模型,考虑多级加载时的载荷历程效应,提出一种新的损伤累积准则,采用该方法对二级加载条件下的疲劳蠕变寿命进行了较好的预测.     

高温材料的多轴蠕变试验方法

综述了多轴蠕变的试验方法,并推荐了基于试验数据评价工程结构蠕变寿命的参考应力法.介绍了目前常用的薄壁管试验、环向缺口圆棒试验、环向缺口薄壁管试验、构件模拟试验、穿孔二向板试验、十字形二向板试验和紧凑拉伸试验等多轴蠕变试验方法;讨论了这些方法的优缺点及其适用范围.在分析欧盟ESIS P10-02缺口圆棒多轴蠕变试验规范的基础上,讨论了如何根据蠕变构件的参考应力、节点应力和失效模式来预测其多轴蠕变断裂寿命.     

基于Time-Hardening蠕变模型和“骨点”应力方法预测P92钢缺口圆棒多轴蠕变寿命

提出一种用于预测金属缺口圆棒多轴蠕变寿命的方法。基于Time-Hardening蠕变模型,对缺口部位在蠕变过程中的应力分布进行了模拟。将蠕变过程中,缺口最小截面上应力不随时间变化的位置确定为"骨点"。然后借助光滑圆棒试样单轴蠕变试验的寿命-应力关系,使用"骨点"位置的等效应力预测缺口圆棒的多轴蠕变寿命。分别运用该方法和欧盟的多轴蠕变规范方法预测P92钢不同缺口半径的缺口圆棒试样多轴蠕变寿命。结果表明,该方法寿命预测精度与欧盟规范中的方法相当。本方法更加简便,方便工程应用。     

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     

蠕变断裂:从物理失效机制到结构寿命预测

蠕变断裂是高温部件最主要的失效模式之一,其特点在于失效前难见征兆,往往造成灾难性后果.澄清材料蠕变失效的微观物理机制,建立恰当的蠕变寿命预测模型是解决高温结构完整性评定、蠕变全寿命设计与运行维护的关键问题.从蠕变失效的微观物理机制出发,以蠕变寿命预测方法为落脚点,详细阐述蠕变孔洞形核长大机理,对描述蠕变损伤行为的力学模型进行归纳整理,总结对高温结构及其焊接接头进行蠕变寿命预测所需的基础理论与关键技术,对基于数字孪生技术的寿命预测方法进行展望.     

高温结构蠕变疲劳寿命设计方法:从材料到结构

诸多领域中的结构部件长期在高温变载的严苛环境下运行,其服役过程伴随着严重的蠕变疲劳交互作用.面向高温结构长寿命、高可靠服役的迫切需求,蠕变疲劳寿命设计方法日益受到了业界学者们的高度关注.介绍蠕变疲劳交互作用机理,总结复杂蠕变疲劳加载波形下的微观损伤机制.在材料层面,回顾了基于不同理论体系的蠕变疲劳寿命预测方法.在结构层面,重点阐述了多轴应力对蠕变和疲劳损伤的影响并介绍了基于蠕变疲劳损伤交互图的寿命设计方法.此外,介绍从蠕变疲劳裂纹萌生到扩展的蠕变疲劳可靠性分析方法.最后,对本领域今后的发展方向进行了展望.     

基于弹性分析的高温蠕变-疲劳损伤分析和寿命预测方法:(一)N-47规则和分析步骤

对于工作在高温环境下并进入弹塑性和蠕变状态的压力容器结构，可采用基于弹性分析并进行弹塑性和蠕变修正的损伤分析和寿命计算的方法，其中疲劳分析仍基于弹性计算，对弹性分析求出的结果进行非弹性修正（包括弹塑性修正以及引入多轴应力和Ｐｏｓ－ｓｉｏｎ比调整因子），并引入蠕变应变增量对疲劳应变幅进行修正。蠕变损伤的计算同样是基于弹性分析的结果，确定应力松驰历史，进而进行蠕变损伤计算。本文详细论述了采用该方法进行损伤分析和寿命计算的基本原理和计算步骤，而且作者已经编制了相应的计算分析程序。     

ON INTEGRITY ASSESSMENT OF AXISYMMETRIC COMPONENTS OPERATING WITHIN CREEP REGIME

A multiaxial paradigm for predicting creep damage/lives of components is described. Although in principle the paradigm is general, it is verified using axisymmetric experimental data. It is shown that the proposed paradigm is capable of predicting creep lives with an error of less than 2%. It is also shown that the proposed paradigm is more accurate than the reference stress method.     

蠕变损伤本构方程的优化特性

研究了蠕变损伤统一本构方程优化模型的特性,分析了传统的基于沿搜索方向进行迭代的优化方法失败的原因,指出了适合求解这类问题的优化方法应具有的性质。最后用进化规划对这一问题进行了求解,取得了很好的效果,所得结论对同类问题有一定的指导作用。     

Cu颗粒增强复合钎料钎焊接头的蠕变断裂及强化机理

测定不同应力和温度下Cu颗粒增强复合钎料及基体钎料钎焊接头蠕变寿命,分析Cu颗粒增强复合钎料及其基体钎料63Sn37Pb钎焊接头蠕变断裂机理。结果表明：Cu颗粒增强复合钎料钎焊接头蠕变寿命优于基体钎料。Cu颗粒表面金属间化合物形成及Cu颗粒对富Pb层阻碍作用是复合钎料钎焊接头蠕变性能改善的主要因素。钎焊接头铜基板上一薄层富Pb相的形成是蠕变裂纹产生的根源。     

轴对称体热弹塑性蠕变有限元分析计算

以经典的热弹塑性蠕变理论为基础，考虑到材料常数随温度的变化，导出了热弹塑性蠕变问题的增量本构方程和轴对称有限元计算公式，编制了程序，并以高温炉管为例作了应力、应变计算，结果可供工程设计部门参考。     

单轮对轮轨蠕滑力试验研究

利用原型尺寸单轮对试验装置和滚振试验台，进行单轮对（货车）运动过程中轮轨之间蠕滑力试验研究，试验中考虑到轮对位置和轮轨表面之间有污染因素影响。试验结果反映了轮轨之间蠕滑力和轮对运动位置（轮对横移和摇头角）之关系，对其进行了详细讨论。并对部分试验结果同Ｋａｌｋｅｒ三维弹性体非赫兹滚动接触理论计算的结果作了比较。     

ANALYSIS OF CREEP FORCES OF WHEEL/RAIL

ＮＯＴＡＴＩＯＮＳｙ1———Ｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｖ1———Ｌａｔｅｒａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｃｅｎｔｅｒｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔφ———Ｙａｗａｎｇｌｅｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔω———Ｙａｗａｎｇｌｅｖｅｌｏｃｉｔｙｖ———Ｆｏｒｗａｒｄｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔ,ｏｒｎｏｍｉｎａｌｒｏｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｗｈｅｅｌｓｅｔｒｉ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｉｎｓｔａｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｉｒｃｌｅｏｆｗｈｅｅｌｒ0 ———Ｒａｄｉｕｓｏｆｒｏｌｌｉｎｇｃｉ…     

考虑加载历史影响的蠕变律

考虑到蠕变过程中,材料内部微观结构的变化,会使材料的变形行为发生改变,本文引入硬化状态变量表征加载历史对材料变形行为的影响,提出的蠕变律可以正确反映蠕变三个阶段的变形规律,由此导出的蠕变损伤演变方程与加载历史有关。其结果可以为分析多级蠕变加载时损伤演变过程和剩余寿命估算提供新的思路。     

基于时间硬化理论的蠕变损伤计算模型

在540℃和565℃温度下进行30CrlMolV钢的蠕变试验，根据试验结果提出基于蠕变损伤理论和蠕变时间硬化理论的Rabotnov损伤修正模型再修正计算公式，该模型较好地解释了应力大小与损伤演变的关系。采用该公式对蠕变实验数据进行计算分析，分析结果显示，按照新的计算模型，与应力相关的参数对应力具有较好的线性相关性，从而克服了Rabotnov损伤修正模型再修正计算公式中参数不易求解的缺点，并且拟合得到的计算模型能够较好的与试验数据吻合。给出关于该材料的蠕变损伤计算模型的各参数表达式。     

纳米压痕位移突变机理研究

用铁和ZnO单晶研究纳米压入时的位移突变和蠕变突变.结果表明,电解抛光的纯铁压入时会出现位移突变,突变前后的载荷一位移曲线明显不同,它对应表面膜破裂.而对于ZnO单晶来说,突变前后载荷一位移曲线变化不大,该突变意味着位错的爆发式发射.随加载速率降低,发生位移突变的临界载荷PC也下降.当P＞PC恒载荷蠕变时,位移缓慢升高直至饱和,但无突变;如P＜PC,恒载荷下保持一定时间就会发生蠕变突变,随后位移缓慢升高至饱和;如P＜P++(门槛载荷),则不发生蠕变和蠕变突变.     

梯度涂层界面裂纹蠕变扩展驱动力的研究

目前针对梯度材料力学性能的研究主要集中在弹性解范围，这些研究结果尚无法直接用来关联梯度涂层的高温服役行为。文中在考虑梯度涂层不同蠕变参量的基础上，采用非均匀有限元法对梯度涂层／基体系统中的界面裂纹进行研究，通过对其高温蠕变行为的模拟计算，得到涂层梯度因子、蠕变系数、蠕变指数以及涂层厚度对裂纹蠕变扩展驱动力的影响关系，为高温下梯度涂层的优化设计奠定了一定的基础。