基于热激活变形理论的铝合金弹塑性应力松驰机理与建模

针对铝合金在弹、塑性阶段应力松驰现象存在的机理不一致、预测模型不足问题,提出一种利用热激活塑性变形理论进行弹性和塑性区域铝合金应力松弛时效(Stress relaxation ageing, SRA)过程中变形机理表征和建模的方法。基于该方法,对7B04和6082铝合金SRA试验结果开展分析,获得的表观激活体积表明,二者在弹性和塑性区域的应力松驰特性均由位错-第二相相互作用机制主导。弹性区域中应力松弛行为主要受有效应力分量影响,而塑性区域中更显著的应力松弛现象则归结于有效应力增加和表观激活能降低的综合作用。基于理论分析与量化结果,提出了一种考虑表观能量变化的材料本构模型,实现对于铝合金在弹塑性变形区域内各类应力水平下的不同应力松弛行为的高效预测,为其潜在蠕变时效成形工艺应用奠定精确模型基础。提出的方法克服了常规蠕变应力指数分析方法用于弹塑性SRA特性分析时的局限性,并提供了丰富的量化信息(包括应力分量,表观激活体积和能量等),支撑铝合金SRA变形机制和特性的表征与精确模拟。     

铍青铜C17500应力松弛特性研究

铍青铜C17500作为超导材料用于电力连接器的弹簧触指。为了预防弹簧触指的应力松弛现象,从铍青铜材料本身应力松弛特性入手研究,建立基于Norton蠕变理论的单轴应力松弛模型,并结合Arrhenius理论进行模型改进。通过不同载荷和不同温度下的铍青铜应力松弛试验,拟合出改进的应力松弛本构方程,得出不同载荷和不同温度下模型参数的预测曲线,依据预测曲线实现对铍青铜材料在特定温度下不同应力水平的应力松弛特性分析。     

基于蠕变数据的应力松弛行为预测模型与方法

综合考虑三阶段蠕变速率的影响,克服现有蠕变方程不易求解的缺点,提出一种基于平均蠕变速率的线性蠕变—松弛转换模型;以幂律蠕变模型为基础,确立一套完整的基于蠕变数据的松弛性能预测方法。1Cr10NiMoW2VNbN为例的验证结果表明,该模型转换数据较好地与实际试验结果吻合,且远优于幂律蠕变模型,可推荐用于高温材料的松弛行为预测。     

2124铝合金在蠕变时效成形过程中的回弹量

用变曲率蠕变时效成形试验装置,考察了时效时间、时效温度和预变形半径三个因素在两两作用下对可时效强化型2124铝合金在蠕变时效过程中回弹量的影响,对比分析了纯弯曲和横力弯曲对构件回弹量的影响;通过多元回归分析建立了回弹量预测模型,并进行了试验验证。结果表明:在相同的试验条件下,纯弯曲的回弹量要比横力弯曲的大,即成形件的弯曲变形模式对回弹量的影响不容忽略;回归模型对回弹量的预测结果与试验结果吻合较好,最大偏差不超过9.62%,验证了回弹量预测模型的可靠性。     

不同温度下硅橡胶蠕变行为及变温黏弹性参数模型的建立

在不同温度(-20,-5,10,25,40℃)下对硅橡胶进行蠕变试验,采用三参数固体模型和Burgers模型对试验结果进行拟合,得到了不同温度下的黏弹性参数;基于三参数固体模型及无量纲分析方法,建立了硅橡胶变温黏弹性参数预测模型。结果表明:硅橡胶的蠕变行为与温度具有明显相关性,随着温度的升高,其蠕变应变和蠕变速率均逐渐增大;与Burgers模型相比,三参数固体模型能够更准确地描述硅橡胶在不同温度下的静态蠕变行为;基于三参数固体模型及无量纲分析方法建立的黏弹性参数预测模型具有较高的预测精度,预测结果与试验结果吻合较好。     

GH4169合金的高温应力松弛行为及蠕变本构方程

针对涡轮盘用GH4169合金,在不同温度(550,650,750℃)下开展了应力松弛试验,并根据应力松弛曲线建立了蠕变本构方程。结果表明:GH4169合金在不同温度下的应力松弛曲线呈现出相同的特点,整个应力松弛过程可以分为快速松弛和缓慢松弛并趋于稳定两个区段;拟合曲线与试验曲线的符合程度表明二阶指数衰减函数可以很好地用来描述该合金的应力松弛过程;不同温度下应力-蠕变应变速率关系曲线可划分为低应力区、过渡区和高应力区三个区段,在低应力区与高应力区,应力与蠕变应变速率关系基本呈线性相关;通过Origin8.0软件对应力-蠕变应变速率关系曲线进行拟合得到了不同温度下的材料常数,建立了该合金的蠕变本构方程。     

不同温度下胶乳复合垫片蠕变松弛特性分析

螺栓法兰接头的垫片在高温下长期使用,会发生蠕变松弛。垫片的蠕变松弛会导致接头内部流体泄漏,因此建立一种预测密封垫片蠕变和应力松弛的方法尤为重要。利用三参量开尔文流体模型建立一种预测垫片高温蠕变残余应力随时间变化的解析模型,并对胶乳复合垫片进行不同温度、不同应力载荷的蠕变松弛实验。研究结果表明：胶乳复合垫片在相同应力载荷下温度越高残余应力整体下降越明显,且应力载荷越大,损失的应力越多,随时间的推移,残余应力下降逐渐平缓;垫片的高温蠕变松弛行为会导致垫片质量和厚度下降,但随着垫片应力载荷的继续增加,垫片质量和厚度下降的趋势会有所减缓,而随温度的增加,质量和厚度持续降低,且下降趋势不会变缓。三参量开尔文流体模型的预测值与实验数据非常接近,最大误差为4.104%,该模型可以准确地描述垫片的力学行为以及垫片由于蠕变松弛引起的应力载荷损失。     

丁基橡胶粘弹性材料的非线性蠕变行为

对丁基橡胶粘弹性材料进行了不同温度、不同载荷下的蠕变试验,并用经典的线性粘弹性模型预测该材料的蠕变曲线,采用时间-应力等效原理分析材料的非线性蠕变行为.结果表明:参考应力下归一的等效柔量主曲线可用线性模型去描述.     

GH4169合金的反常应力松弛行为

对GH4169合金在500,620,720℃下进行了应力松弛、蠕变和热膨胀试验,结合显微组织观察研究了合金的应力松弛行为。结果表明:在500℃和620℃应力松弛试验过程中,GH4169合金的应力随时间的延长反常增大,在蠕变过程中表现为负蠕变应变,而在720℃下合金的应力松弛和蠕变行为均正常;在不同温度热膨胀试验过程中,GH4169合金均出现了收缩现象;γ″相析出使得γ基体的晶格常数减小,是导致GH4169合金在620℃下应力反常增大的主要原因。     

精密注塑制品残余应力的试验研究及其计算

注塑残余应力对精密注塑制品的力学性能和光学性能等有重要影响,是精密注塑制品质量控制的关键指标之一。为研究注塑成形过程中残余应力的发展,以丙烯腈—丁二烯—苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadiene styrene,ABS)塑料为研究对象,对其模内蠕变行为进行试验研究。将热弹性模型计算的收缩应变与试验测量的收缩应变之间的差值定义为制件的模内蠕变,得到注塑工艺条件对模内蠕变的影响规律。在此基础上构建计算精密注塑制品残余应力的蠕变模型。模型中的材料弹性模量可由Tait方程计算得到,粘壶系数采用反演方法计算得到。利用该模型结合薄壳有限元法对ABS平板注塑件残余应力进行计算,对计算结果进行试验验证,并与普通的松弛模型计算进行比较。计算结果表明,该模型的计算精度高于普通的松弛模型,是解决精密注塑制品残余应力预测问题的新的有效方法。     

输油管道用316L和2205不锈钢低温蠕变模型的选择与验证

分别进行了80℃下316L不锈钢和20℃下2205不锈钢的蠕变试验,对试验数据拟合后分别得到了两种不锈钢的蠕变幂模型和对数模型,并推导得到了应力松驰模型;利用蠕变和应力松驰模型分别模拟了两种不锈钢的拉伸蠕变曲线和应力松驰曲线,并与试验曲线进行了对比分析。结果表明:两种模型都能很好地描述316L和2205不锈钢的低温蠕变行为,但幂模型在蠕变和松弛模拟中都表现得更好。     

蠕变-疲劳载荷下25 Cr2 MoVA 钢的循环应力松弛行为

试验测试了500℃时高温螺栓材料25 Cr2 MoVA在应变控制的蠕变-疲劳载荷下的循环应力松弛行为,重点考虑了不同应变幅和峰值保持时间对材料应力松弛行为的影响。研究表明,保持阶段的蠕变变形和循环加载阶段的粘塑性变形共同加速了25 Cr2 MoVA的应力松弛速率,且应变幅小的时候,材料的循环松弛速率更大。     

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.     

组合转子拉杆螺栓蠕变松弛畸变相似机理研究

重型燃气轮机组合转子拉杆螺栓蠕变松弛试验时间非常漫长,过程极其复杂,不可能以原型尺寸进行试验。提出一种基于相似理论的不同尺寸组合转子拉杆螺栓蠕变松弛建模方法。建立完全相似缩尺模型,缩短试验周期;考虑工程实际中模化缩小模型存在尺寸畸变,在完全相似模型的基础上建立畸变相似缩尺模型,得出畸变相似预测系数来对畸变模型进行修正。实现通过畸变相似模型反演原型组合转子拉杆螺栓蠕变松弛引起的组合转子动力学性能变化规律的目的。     

P92钢的蠕变-疲劳损伤行为及蠕变-疲劳损伤本构模型的建立

对P92钢在600℃下进行应力和应变控制的蠕变-疲劳试验,分析了载荷水平、保载时间对蠕变-疲劳损伤的影响;结合应力控制下的蠕变-疲劳试验数据,在黏塑性统一本构理论框架下引入修正的Chaboche非线性随动硬化率及蠕变应变并考虑损伤演化规律,构建了基于Chaboche理论的耦合蠕变-疲劳损伤本构模型,模拟了P92钢的蠕变-疲劳循环曲线.结果表明:P92钢在600℃下表现为循环软化特性;在应力控制下,P92钢高位保载的损伤与平均应力呈正相关,而低位保载的损伤与平均应力呈负相关;在应变控制下,P92钢产生应力松弛行为,保载时间越长,应力松驰越明显;建立的蠕变-疲劳损伤本构模型可以较好地模拟P92钢的循环特性,对于蠕变-疲劳过程中应力模拟的最大相对误差为7.30％.     

硬质聚氨酯泡沫材料的常温蠕变特性

在常温和不同应力下对硬质聚氨酯泡沫材料进行压缩蠕变试验,根据蠕变曲线,采用经典的Burgers模型描述了材料的蠕变行为,计算出蠕变参数,得到了蠕变本构模型,还对由Burgers模型导出的和试验测得的稳态阶段的蠕变速率进行了比较。结果表明:常温下,硬质聚氨酯泡沫材料的压缩蠕变行为具有明显的应力相关性,随着加载应力增大,蠕变变形量和稳态蠕变速率均增大;压缩蠕变过程分为明显的两个阶段,第一阶段的蠕变速率随时间延长而逐渐降低,第二阶段的蠕变速率基本保持恒定;由Burgers模型导出的稳态蠕变速率公式可以较好地预测硬质聚氨酯泡沫材料在压缩稳态蠕变阶段的蠕变速率。     

Ti-6Al-4V钛合金薄板应力松弛行为研究

针对Ti-6Al-4V钛合金薄板,分别在温度650℃、700℃和750℃,和预应变2%、4%和16%的条件下进行多组应力松弛交叉试验。研究Ti-6Al-4V钛合金高温下的应力松弛行为及温度和预应变对应力松弛极限的影响。并基于试验数据,对比分析阶次不同的延迟函数的拟合精度,最终采用精度更高的四次延迟函数进行Ti-6Al-4V钛合金的应力松弛曲线拟合。通过对比发现四次延迟函数预测的结果和试验数据十分吻合,并且拟合最低精度高达99.724%,证明使用四次延迟函数拟合应力松弛曲线的有效性。在试验数据的基础上,进一步推导出高温短时蠕变应变速率与应力的关系。最后基于Arrhenius本构模型,通过对各参数的线性回归,建立适合Ti-6Al-4V钛合金薄板的高温短时蠕变型本构方程,为后续热校形工艺制定和数值模拟奠定基础。     

四代核电高温螺栓松弛设计方法

针对四代核电螺栓高温、重载、长期的设计需求,提出一种基于Norton-Bailey本构的四代核电高温螺栓松弛设计方法 (N-BBD)。该方法基于Norton-Bailey蠕变本构,推导螺栓的应力松弛模型,并以两端取对数法对Norton-Bailey本构参数进行识别,从而建立起螺栓应力松弛模型。以某螺栓设计方案为例,对不同预紧载荷的影响进行分析。结果表明,基于Norton-Bailey本构的松弛模型可有效预测高温、应力等长期作用下螺栓的剩余应力,施加不同初始预紧载荷,经过长时间使用剩余应力值相同,其松弛极限应力与初应力无关。     

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。     

基于Hull-Rimmer理论的应变强化奥氏体不锈钢高温疲劳寿命预测方法

以S31603奥氏体不锈钢材料为研究对象,开展应力控制下的高温疲劳试验,获得固溶态和经不同应变强化量预处理的S31603奥氏体不锈钢高温疲劳寿命试验数据。基于Hull-Rimmer空洞长大理论,建立适用于应力控制下的材料疲劳寿命预测模型,并对固溶态和应变强化态S31603奥氏体不锈钢进行寿命预测,预测结果与试验值吻合较好。在此基础上,结合不同应变强化量下材料的疲劳寿命变化趋势,进一步建立耦合应变强化预处理量的材料疲劳寿命预测模型。与实测寿命相比,预测寿命位于±1.5倍误差带之内,预测效果良好。建立的高温应力控制下的材料疲劳寿命预测模型形式简洁且具有清晰明确的物理意义,可用于应力加载下金属材料的高温疲劳寿命预测。