（动力机械及工程专业论文）复杂应力状态下20g材料热机械疲劳总寿命评价.pdf

人连理j 人学硕十学位论文 摘 要 现代工业正在向着高速、高温、高压的方向发展，疲劳问题严重威胁着现代工业设 备的安全。掘统计，在各类零部件的断裂失效中，约有8 0 是疲劳破坏引起的，由于 这些设备长期处于恶劣的操作环境，特别是焦碳塔等石化行业的重要生产设备，在从常 温到4 8 0 左右的周期交变温度环境下操作，同时承受气压和水压等循环载荷，容易在 焊缝等部位出现强度失效，造成人员伤亡和经济损失。 在部件的高温疲劳损伤研究中，最为复杂的课题之一是复杂应力状态的热机械疲劳 问题，l 述的损伤即属于此类问题，它涉及到高应变循环载荷、温度循环载荷、蠕变载 荷和环境效应等多种因素。目前对这个复杂过程的机制还没有一个完整性的认识，对它 的物理和力学模型的讨论也未能有一个统一的定论。所以对热机械疲劳问题的研究具有 巨大的理论和工程实际意义。 本文通过对焦碳塔常用材料2 0 9 进行热机械疲劳总寿命试验，比较了不同缺口形 式、不同应变幅、不同应变速率、不同保载时间对热机械疲劳总寿命的影响：应用有限 元分析软件对刁i 同试件进行试验条件下的应力应变计算，找出危险部位，通过对危险部 位的试验结果、计算数据进行分析，探讨能表征试件热机械疲劳总寿命的参量，并建立 用该参量表征热机械疲劳总寿命韵经验公式。 以往的总寿命表征公式主要依据应变幅的影响，对应变速率的影响因素很少考虑， 而应变速率往往对疲劳总寿命有较大影响，本文在最后对同时应用应变幅和应变速率来 表征热机械疲劳总寿命的方法进行探讨，得出相应的经验公式，来表征该2 0 9 材料试件 在该试验条件下的热机械疲劳总寿命，为进一步研究2 0 9 材料的热机械疲劳问题打下基 础。 关键词：热机械疲劳；总寿命；2 0 9 材料；复杂应力状态：应变速率 复杂应力状态下2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 e v a l u a t i o no ft h e r m o m e c h a n i c a lf a t i g u el i f eo f2 0 9 u n d e rc o m p l e xs t r e s ss t a t e a b s t r a c t w i t ht h em o d e r ni n d u s t r yd e v e l o p m e n ti n t o h i g h s p e e d ，h i g h t e m p e r a t u r e a n dh i g h p r e s s u r e ，f a t i g u ep r o b l e mi s t h r e a t e n i n gt h es a f e t yo ft h ee q u i p m e n t s s t a t i s t i c ss h o w st h a te i g h t yp e r c e n tc o m p o n e n t s c r a c kf a il u r ei s c a u s e db yf a t i g u e s i n c et h ee q u ip m e n t sarew o r k e du n d e re x e c r a b l e s u r r o u n d f n g s jnal o n gt e r m ，e s p e c i a l l ye o k e d r u m ，w h i c hi sm o s t i m p o r t a n t a s s e m b l yi np e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，a r ew o r k e du n d e rac y c l eo ft e m p e r a t u r e f r o mn o r m a lt e m p e r a t u r et o4 8 0 。c ，w i t hh y d r a u li cp r e s s u r ec y c l ea n da i r p r e s s u r ec y c i ea tt h es a m et i m e a 1 lt h ew o r k i n ge o n d i t i o n sc a u s e ss t r e s s f a il u r e ，c o n s e q u e n t l y ，u n e x p e c t e dg r a v ea c c i d e n t s t m f ( t h e r m e m e c h a n i c a lf a t i g u e ) u n d e rc o m p l i c a t e ds t r e s s ，w h i c hi st h e m o s tc o m p e xp a r ti nh i g ht e m p e r a t u r ef a t i g u es t u d y ，in v o l v e ss t r a i nc y c l e l o a d ，t e m p e r a t u r ec y c l e1 0 a d ；c r e e pc y c l el o a da n ds u r r o u n d i n ge f f e c t s i t s m e c h a n i s mi sn o tc l e a r ，o ri t sp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lm o d e lw i t h o u ta u n i f o r mc o n c l u s i o n s ot h i sr e s e a r c hi so fp r a c t i c a la n da c a d e m i c s i g n i f y c a n e e c o m p a r i n gd i f f e r e n tg a p ，d i f f e r e n ts t r a i nr a n g e ，d i f f e r e n ts t r a i nr a t e a n dt h ei n f l u e n c eo nt m ft o t a l1 i f ea e c o r d i n gt ot m ft e s t sf o r2 0 9 ， c a l c u l a t i n gs t r e s sa n ds t r a i nw i t h r e l e v a n tt e s tr e s u t su s i n gf e as o f t w a r e ， f i n d i n gt h ed a n g e r o u sp a r ti nt h es a m p l ea n ds e l e c t i n gp r o p e rf a c t o r st o de ne tet mfto ta 11 i fe ，the educ ingfunc t io nis p re s en t d i f f e l l j n gt ou s u a l f u n c t i o nc o n s i d e r i n gs t r a i nr a n g ea st h eo n l yi n f l u e n t i a lf a c t o r ，ae x p e r i e n t i a le q u a t i o n ，w h i c ht a k i n gs t r a i nr a t ei n t o a c c o u n t ，i sd i s c u s s e da tl a s t k e yw o r d s ：t h e r m o m e c h a n i c a lf a t i g u e ；t o t a lf a t i g u el i r e ；2 0 9m a t e r i a l c o m p l e xs t r e s s ：s t r a i nr a t e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导卜- 进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一唰工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期： 大连理t 一人学硕士学位论文 1 绪论 据统计，在各类零部件的断裂失效中，约有8 0 是疲劳破坏引起的，而发生失效 的零部件大都处于高温状态，所以研究材料和零部件的高温疲劳强度具有十分重要的意 义 1 。材料在高温下的机械性能随着温度的变化有明显的变化，构件的应力也因温度与 时间的影响而重新分配，特别是当载荷与温度同时随着时问变化时，即热机械疲劳条件 下构件受疲劳、蠕变、氧化等作用的影响，对其损伤的评估很复杂。另外，随着科学技 术的飞速发展，从化工设备、动力机械、发电机设备、航空航天及核动力技术的发展需 要，有关这方面的研究正方兴未艾，国内外学术界都在争先恐后的丌展工作。这门学科 已经成为宏观力学理论如弹性力学、塑性力学、蠕变力学、断裂力学、损伤力学等与金 属微观结构学等综合为一体的新兴学科，尤其是复杂应力状态下影响的因素更多，更复 杂，而且有许多现象用单维应力状态下理论是无法解释的。因此，对复杂应力状态下的 热机械疲劳的研究无论从理论上还是工程实际中都有重要意义。 1 1 疲劳、蠕变及热机械疲劳概述 1 1 1 疲劳破坏及疲劳分类 1 、疲劳破坏 2 3 材料及构件在低于其拉伸强度极限的交变应力( 或应变) 的反复作用下，发生裂纹 萌生、扩展并最终导致断裂的失效方式称为疲劳破坏。疲劳破坏和静力破坏有着本质的 区别，其主要有以下特征： ( 1 ) 在交变载荷作用下，构件的交变应力在远远低于材料拉伸强度极限的条件下 有可能发生的破坏； ( 2 ) 疲劳断裂在宏观上表现出无明显塑性变形的脆性断裂； ( 3 ) 疲劳破坏过程局限于局部区域，并不涉及整个构件： ( 4 ) 疲劳破坏是一个累积损伤的过程，要经历一定的时间，有时还很长，时间表 明，疲劳断裂由三个过程组成，即裂纹萌生、裂纹扩展和最终快速断裂： ( 5 ) 疲劳破坏的断口不同于其它失效类型的断口，在宏观和微观上均有明显的特 征。 2 、疲劳的分类 疲劳破坏一般可分为机械疲劳、热疲劳和腐蚀疲劳三类。 机械疲劳是指材料或零部件在交变机械载荷下而引起的破坏。机械疲劳根据载荷作 用下的幅度和频率又可分为常幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳。常幅疲劳是指交变应力的 复杂麻力状态f2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 幅度和频率是固定不变的；变幅疲劳是指交变应力的幅度变化而频率不变；随机疲劳则 是交变应力的幅度和频率都变化。机械疲劳根据材料破坏前所经历的循环次数，又可分 为高周疲劳和低周疲劳。低周疲劳是指断裂前的循环次数较少，一般小于1 0 4 1 0 5 次， 在每次循环过程中都发生了塑性变形，低周疲劳是塑性变形累积的结果，因此有时把低 周疲劳称为塑性疲劳：高周疲劳是指材料所受的交变应力远低于材料的屈服极限，有时 只有屈服极限的l 3 左右，断裂前的循环次数大于1 0 5 1 07 次，通常用s n 曲线来描述 材料的疲劳特性，高周疲劳的寿命主要是由裂纹萌生寿命组成。机械疲劳若按载荷的类 型又可分为振动疲劳( 包括颤振疲劳、共振疲劳) 、轴向拉压疲劳、接触疲劳、弯曲疲 劳和复合应力疲劳等。 热疲劳是由于温度的循环变化而引起的应力或应变的循环变化，并由此产生了疲劳 破坏。产生热疲劳必须具备两个条件：其一，必须有温度的循环变化；其二，必须有机 械约束。温度变化使材料膨胀或收缩，但由于受到约束从而产生了热应力。 腐蚀疲劳是在循环交变应力和腐蚀环境联合作用下而产生的疲劳。因此必须具备疲 劳循环和腐蚀环境两个条件。 1 1 2 蠕变 高温领域的温度问题与常温下不同的主要原因在于，材料或构件在高温下产生蠕变 现象。蠕变是指在一定温度下金属受持续应力作用而产生缓慢塑性变形的现象。蠕变现 象的发生是温度、应力和时间三者共同作用的结果，温度和应力的作用方式可以是恒定 的，也可以是变动的，而交变应力作用下的蠕变即为循环蠕变问题 4 】。 蠕变的机理和特征与疲劳完全不同，其性质完全取决于时间现象，即具有时间依存 性，而疲劳特性完全取决于循环现象，即具有循环依存性。两者的强度可分别根据各自 的特性来计算。但对一般的高温疲劳问题来说，其强度特性不能截然地分为取决于时问 和循环的两种特性，而且不能象通常所说的蠕变和疲劳那样以完全不同的破坏机理加以 区别。对于这个问题，最具有代表性的观点是认为在高温疲劳循环过程中，非弹性应变 成分影响着疲劳特性和疲劳损伤程度，蠕变塑性应变成分则影响着蠕变规律和蠕变损伤 程度，而高温下的疲劳问题受着这两方面的共同影响。 一种典型的单轴蠕变曲线如下： 一2 大连理工大学硕十学位论文 图1 1 典型的单轴蠕变曲线 f i g 1 1t y p i c a lu n i a x i a lc r e e pc u r v e 由上图可见，在第一蠕变阶段( 初始蠕变阶段) ，蠕变速率随着时间的增加而减 小，这个阶段发生在一个相当短的时问；在第二蠕变阶段，蠕变速率为一个常数，所以 应变以恒定速度增加：在第三蠕变阶段，蠕变速率迅速增加直到材料失效。 由于笫三蠕变阶段所经历的时间很短，材料将失效，所以通常情况下，感兴趣的是 第一阶段蠕变和第二阶段蠕变。 1 ，1 3 热机械疲劳 在部件的高温疲劳损伤研究中，最为复杂的课题之一是低周热机械疲劳问题 ( t h e r m o m e c h a n i c a f a t i g u e ) ，它涉及到高应变循环载荷、温度循环载荷、蠕变载荷和环 境效应等多种因素。目前对这个复杂过程的机制还没有一个完整性的认识，但是由于近 年来疲劳试验机性能的提高，计算机应用技术的发展，人们开始系统地做了一些高温合 金和高温复合材料的热机械疲劳试验，为开展热机械疲劳的机理分析和寿命预测提供了 有用的数据【4 0 】。 早在1 9 7 3 年著名疲劳专家a k m ilt e r 就提出热机械疲劳试验对透平机的寿命预 测是+ 种最基本的手段，通过模拟温度和应变的循环( 相位不一定为同相位) ，可以演示 在温度循环下材料的塑性性能、屈服特性、应力松弛和包氏效应等现象，并提出材料在 热机械疲劳下的应力一应变滞后回线，可以用拉伸和蠕变试验数据为基本参数建立数学 模型对其计算。1 9 7 5 年日本京都大学8 h u j it a i r a 教授总结了金属材料热机械疲劳试 验标准方法。但上述研究都仅限于简单应力下的热机械疲劳，1 9 8 4 年6 月美国宇航局 丌始致力于高温合金材料复杂应力状态下的热机械疲劳行为研究。 一3 一 复杂麻力状态下2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 8 0 年代后期，由于试验设备与技术的发展，使得热机械疲劳试验研究工作在国际上 得以普遍展丌，1 9 9 5 年5 月在芬兰首次召开了国际热机械疲劳学术会议，就热机械疲 劳试验方法、力学行为和寿命预测等问题进行了讨论。然而，在试验技术方面，由于热 机械疲劳试验难度较大，又因设备的差异，很难实现各国试验方法的统一。目前，在国 际化标准组织1 8 0 中虽然设置1 个小组专门进行有关热机械疲劳试验方法的研究工作， 但至今还未看到热机械疲劳试验方法的有关标准。我国对热机械疲劳的研究起步较跪， 从事这项研究工作的学者也不多。1 9 8 5 年冶金部钢铁研究总院和北京科技大学先后从 美国m t s 公司引进了先进的热机械疲劳试验系统。虽然1 9 8 9 年由冶金部钢铁研究总 院、北京航空材料研究所和北京科技大学组成编制组，制定金属材料轴向热机械疲劳试 验方法国家标准，但由于经费的限制，该领域的研究成果甚少。 热机械疲劳特性主要有： 1 ) 滞后回线形状： 在热机械疲劳试验过程中，随着控制应变量和温度的变化，材料在变形过程中的力 学性能参数也不断变化，不再像等温低周疲劳试验那样材料的抗力在循环过程中为常 数。以同相位热机械疲劳为例，如图1 2 ( a ) 所示随着应变的增加温度升高；当应变减 小时温度降低。多数金属材料随着温度的升高其抗力不断下降，因此在正半周材料的抗 力不断降低，而在负半周抗力则不断提高，结果导致应力一应变滞后回线的不对称，如 图1 2 ( b ) 所示。 ( a 12 5 0 孚0 5 0 = 0 3 0 o7 5 0 q - t x ) 图1 2 同相位热机械疲劳时的波形和应力一应变滞后回线 ( ( a ) 试验波形，( b ) 应力一应变滞后回线) f i g 1 2s t r e s s s t r a i nh y s t e r e s i sl o o pi ni n p h a s et m f ( ( a ) e x p e r i m e n tl o a d i n gc y c l e ，( b ) s t r e s s s t r a i nh y s t e r e s i sl o o p ) 4 哆 大连理1 人学颂十学位论文 应力一应变滞后回线的不对称说明在热机械疲劳循环状态下，材料的塑性性能、软 硬化性能以及包氏效应均呈现出复杂特性，一方面给试验数据的处理造成了困难，另一 方面对材料的本构关系的描述，无论是对拉半周还是对压半周，都难以用较为简单的模 型来表达，使得应力一应变场的分析难以进行，也给有限元计算带来了不便。 2 ) 损伤特性 热机械疲劳的损伤是由热循环应力与机械循环应力的共同作用所产生的，然而其损 伤程度并非是二者的简单线性叠加。当加载速率较慢时，温度的变化也较慢，因此还伴 随有蠕变损伤。研究结果表明，无论是同相位热机械疲劳，还是反相位热机械疲劳，其 损伤均比平均温度下等温疲劳损伤严重，某些材料甚至比最高温度下等温疲劳损伤还严 重，如图1 3 所示。这说明由于温度的变化，使得材料不仅存在着疲劳损伤、蠕变损 伤，同时还有二者的交互作用，因此其损伤机理较为复杂，对试验结果的理沦分析，目 日u 还有困难。 寿命周 图1 3 低碳钢热机械疲劳与等温疲劳寿命 f i g 1 3t m f1 i f ea n di s o t h e r m a lf a t i g u el i f e o fl o wc a r b o ns t e e l 同时，变载荷蠕变会同时出现阶梯加载时的硬化现象和卸载时的蠕变恢复现象，使 得对于蠕变的分析更加困难。 3 ) 热机械疲劳试验方法 5 复杂应力状态f2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 热机械疲劳试验过程中，为了保证不产生热变形滞后现象，温度的升降不可能太 快，一般来况，试验要求加载波形与温度波形在保证一定相位差的情况下，二者的频率 是相同的，这就直接影响试验过程中的加载频率。因此，热机械疲劳属低周疲劳范围。 热机械疲劳从表观上来看，是低周疲劳与热疲劳的叠加，所以其试验设备、方法、 各参量的定义是以低周疲劳和热疲劳为基础而演化形成的。 1 2 本文研究内容 本文研究内容主要包括： l 、采用在役焦碳塔材料2 0 9 ，加工出复杂应力状态疲劳研究所用圆柱形缺1 ：3 试 样，进行复杂应力状态下热机械疲劳总寿命试验； 2 、并利用有限元程序对试样缺口附近进行轴对称复杂应力状态下的应力、应变场 分析，找出复杂应力状态下热机械疲劳总寿命的表征参量，来评价材料在从常温到近 4 8 0 。c 下的热机械疲劳总寿命； 3 、通过试验、计算，初步建立评价该材料总寿命的方法及热机械疲劳总寿命评价 方程。 1 3 主要技术难点及创新 技术难点： 1 、焦炭塔是大型的化工生产实际设备，其操作环境，温度、载荷条件复杂，如何 模拟接近实际生产环境的试验条件； 2 、考虑一i 同缺口形式对焦炭塔材料热机械疲劳总寿命的影响； 3 、考虑不同应变速率条件下对焦炭塔材料疲劳热机械疲劳总寿命的影响： 4 、建立相应的复杂应力状态下热机械疲劳评价方程。 本文创新之处在于对复杂应力状态热机械疲劳条件下的试验方法、对无缺口依存性 的评价方法和有应变速率影响的评价方法进行有益的探索。 6 一 人连理丁大学硕卜学位论文 2 复杂应力状态下热机械疲劳试验内容及结果 2 1 试验设备、试验材料及试验试样 2 1 1 试验设备 试验设备：中国科学院金属研究所失效分析中心的m l 、s 8 8 0 试验机。 由美国引进的m t s 8 8 0 型液jh 伺服材料试验系统由负荷机架( 即手机) 、电气控制 台和液压动力源三大部分组成。试验机的基本原理是采用伺服闭坏控制系统进行工作。 试验机配有微机( m i c r o p d p 一1 ) 监控系统进行应力( 或应变) 和温度等的自动调节控 制以及对试验数据的自动处理，可将试验结果储存并能随时调出。该机功能齐全， 精度较高，温度可以控制存】，应变误差可以控制在0 0 0 1 。 2 1 2 试验材料 试验材料采用2 0 9 。表2 ，1 为2 0 9 材料的化学成分，表2 2 为2 0 9 的机械性能。 表2 1 试验材料化学成分( w t ) t a b l e 2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o n so fm a t e r i a l c w t 、 i 材糊 cm ns ic rn ic usp 2 0 901 7 - 0 2 3 03 5o6 5 o 1 7 一o 3 7 = o2 5 03 o 2 0 0 3 5 00 3 5 表2 2 试验材料机械性能 t a b l e 2 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l 材料温度 oo ，m r ao i m p a6 u eg p au 2 02 8 84 2 6 53 7 66 01 8 50 ，3 2 0 9 4 8 02 0 5 52 8 9 ，34 6 37 381 6 9 0 ：3 2 13 试样形状和尺寸 试样分两种，一种是光滑圆杞形试样，用丁试验材料的中拉性能和循环应力应变天 系，如图2 1 所示：另一种是为_ 决口的圆柱形试样，通过改变缺口形式，单向加载厉 在缺口处产生不同分量比的复杂应力。 采用带缺口的圆柱形试样进行复杂应力状态下热机械疲劳试验，具有以下优点： 7 复自j 应力状志卜2 0 9 牛才料热机械疲劳总寿命评价 ( 1 ) 可用一般的单轴疲劳加载试验机完成复杂应力状态下的疲劳试验，克服了采 用造价昂贵的多轴加载试验机带来的麻烦； ( 2 ) 在单i 柏施加拉压载荷，利用试样几何形状( 即缺门) 产生非均匀的轴向、周 向和径向三维应力、应变分量。这种加载方式存试样心力集中处的麻力响应与石油化j _ 容器及设备l 卜疲劳破坏处的受载方式相近。 ( 3 ) 由于试样结构的几何尺、捋n 加载的轴对称，其应力、应变响应c 乜是轴对称分 布的，因此，有限元数值分析相当于一个二维问题，给研究工作带来了方便。 本试验试样工作氏度( 即应变规标定长度) 为2 5 m m ( 标距段抛光处理) ，缺口深 度为0 ，5 r m n 。缺口尺、分别为：r = 07 5 ，1 5 ，3 。试样具体尺寸如图2 1 、图2 2 所示。 幽2 1 光滑网柱形试样 f i g 2 1s m o o t hc o l u m ns a m p l e 盎蒂豇碧窿荸g ：二馥声q 车压声驵算覃寻 aa 图2 2 圆柱形带缺口试样 f i g 2 2c o l u m ng a ps a m p l e 8 a 大连理工大学硕士学位论文 其中，r = 0 7 5 的试件1 3 根，r = i 5 的3 根，r = 3 的1 根。 试样加工时，必须保证同心度。车床加工时，要用锐利的刀具和较高的转速 ( 4 8 0 0 r m i n ) 。切削深度应当限制在1 2 m r n 以内，并且切削深度逐步减小，最后的切 削深度不大于o 0 5 m m 。这样一直车至直径比规定尺寸大o 0 2 5 r a m 为止。对于缺口底部 的圆角半径及表面仔细加工，抛光时，开始可以用较粗糟的砂纸打磨到设计尺寸，最后 用0 0 0 号或0 0 0 0 号金刚砂布后砂纸抛光。 2 _ 2 试验参数的确定 2 2 1 载荷控制方式 对称循环载荷的控制方法有两种：控制交变应力幅度为常量，称为应力控制：控制 交变应变幅度为常量，称为应变控制。应力控制和应变控制代表两种极端情况，应力控 制为完全无约束加载，应变控制为完全约束加载f 1 9 。对实际的工程结构来说，无论该 结构实际承受的外加载荷是应力、应变还是温度载荷，其应力集中处的变形总是受到周 围弹性体的约束，即其变形总是受应变控制的。因此采用应变控制疲劳试验所得到的数 据比采用应力控制疲劳试验所得到的数据来描述工程材料的疲劳响应更与工程实际相符 合。因此，本试验所采用的载荷控制方式为应变控制。 应变控制有轴向和径向应变控制两种方式。径向应变控制可以使材料产生相当大的 压应变而使试样不失稳，但是由于材料循环硬化或循环软化，将引起径向应变和轴向应 变结果不等效。轴向应变控制可以得到比较大的位移量，控制精度较高。因此本试验选 用轴向应变控制。 通过实际试验操作结果对比，本试验的应变幅选取：1 3 、1 4 、1 6 、1 7 、 1 8 。 2 2 2 循环波形的选择 采用两种循环波形，一种是温度和应变同相、无保载的三角形波形，三角形波形能 保持应变速率在整个拉伸和压缩过程中不变化，其滞后环具有明显的尖顶，本试验取应 力比为0 ，波形如图2 3 f a ) 所示：另一种是采用温度和应变同相，上保载的热机械总应 变控制波形，符合焦碳塔实际载荷条件，如图2 3 ( n 所示。通过有、无保载试验的比较 载荷保持时间的影响。 9 复杂应力状态下2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 ( a )( b ) 图2 3 温度和应变循环波形 ( a ) 无保载时间循环波形( b ) 有保载时间循环波形 f i g 2 3 t e m p e r a t u r ea n d l o a dc y c l e ( a ) l o a dc y c l ew i t h o u th o l d i n gt i m e( b ) l o a dc y c l ew i t hh o l d i n gt i m e 2 2 3 试验环境及温度的选择和控制 温度为1 0 0 。c - 一8 0 。c 的热交变环境。试验在空气介质中进行，从而不考虑腐蚀对 试验结果的影响，加热方式为线圈加热，将热电偶点焊固定在试样表面，由温度控制台 来控制、调整、保持温度，冷却采用压缩空气强j ) ( 1 冷却，速度快，整个加热区域各方向 都布置有冷却喷嘴，保证冷却均匀。高温应变测量系统和热电偶测温系统组成两个闭合 回路，通过计算机控制软件，自动测量与控制应变和温度循环的幅度、频率及相位关系， 应变的测量是由高精度高温应变引伸汁来实现的。 2 3 试验内容和试验结果 1 、2 0 、4 8 0 材料的单拉性能试验； 2 、4 8 0 材料的循环应力应变性能试验； 3 、热机械循环载荷下的疲劳总寿命试验； 2 3 1 单拉和循环特性曲线测定及分析 为精确分析经过一段时间后( 已有损伤材料) 材料的各项性能，所有试棒材料均采 集自实际设备。 对2 0 9 在2 0 。0 、4 8 0 进行单拉曲线和在4 8 0 。c 进行循环应力应变曲线( c s s 曲 线) 进行测定，其结果如图2 4 所示。材料的单拉特性值即机械性能见表2 2 。由图可 见，在2 0 。c 下试验材料的单拉特性曲线上有较为明显的屈服台阶( 即屈服点) ；而在 4 8 0 。c 时并不存在明显的屈服点，选定，作为该试验材料在4 8 0 。c 时的屈服强度。 1 0 大连理r 人学硕十学位论文 5 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 o 2 0 9 材料单拉特性和c s s 特性曲线 00 0 20 0 40 0 6 图2 4 材料单拉曲线和循环应力应变曲线 f i g 2 4 m o n o t o n i ca n dc y c l es t r e s s - s t r a i nc u r v eo f2 0 9 在疲劳过程中，材料在开始的若干循环中，应力应变曲线变化较大，约经过寿命 的1 0 2 0 循环次数后，滞后回线才接近于稳定的状态，其所对应的滞后回线成为 “稳定滞后回线”。将不同应变幅的稳定滞后环回线顶点的轨迹称之为循环应力一应变 ( c s s ) 曲线，它表征了材料大部分寿命期间的本构关系，它是反映循环特性( 循环软 化、循环硬化、鲍氏效应、蠕变及其棘轮效应) 的曲线，因此它与静载下的应力一应变 关系有很大的不同。获得材料c s s 曲线的方法有两种，一种是多试样分别试验法，另 一种是单试样逐步递增法。多试样分别试验法是在同一母材上选取多个试样，分别进行 不同应变范围下的疲劳试验，将稳定滞后环的顶点连线，即为该材料的循环应力应变 ( c s s ) 曲线。单试样逐步递增法是选用一根试样，做应力范围由小到大的疲劳试验， 记录稳定滞后环，将滞后环顶点连线即构成循环应力一应变( c s s ) 曲线。由于用多试 样分别试验法工作量大，并且不易保证前后试验条件和各试样的材料加工偏差的一致 性，因此，在本研究中c s s 曲线的获得采用单试样逐步递增法。 7 i 门一 ( a ) 血重耗窜i ( b ) 直由妊制 复杂应力状态下2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 入。一入一： 一v 一一一! ( c ) 伯韩敏化 二入一入 一- v - , - - 一_ i 入一乃 一一一一一一一、厶 入一一：j ，二： 7 一二一一一一一 ( e ) 棚环敏化( f ) 帕环建化 图2 5 应力控制和应变控制 f i g 2 5 s t r e s sc o n t r o la n ds t r a i nc o n t r o l 在常规设计中，一般用单拉曲线。但在交变循环应力作用下，材料会出现一种“硬 化”或“软化”的现象，如图2 5 所示。在应变控制( 如图2 5 ( a ) 所示) 过程中，应 力幅不断变小的现象，如图2 5 ( c ) 所示，称为“循环软化”；反之，应力幅不断增加 的现象，如图2 5 ( d ) 所示，称为“循环硬化”。在应力控制( 如图2 5 ( b ) 所示) 过 程中，应变幅不断增加的现象，如图2 5 ( e ) 所示，成为“循环软化”：反之，应变幅 不断减小的现象，如图2 5 ( f ) 所示，称为“循环硬化”。出图2 4 可见，该材料的 c s s 曲线在单拉曲线的上方，因此该材料应属于循环硬化材料。 2 3 2 热机械疲劳总寿命试验 以往对碳钢、合金钢和铸铁等金属材料的高温低周疲劳研究，疲劳寿命n ，( 即断 裂寿命) 的定义都是按日本学术界的规定，即为循环应力范围下降到初始应力范围的 7 5 的循环次数 2 0 2 2 。这个规定是根据大量试验得出的，即此时试样出现明显的宏观 裂纹，滞后环出现明显的丌闭合现象，认为试样断裂。本文办沿用此规定。对2 0 9 材料 试样在1 0 0 。c - 4 8 0 、进行了不同应变速率，不同应变幅、不同缺口形式( r = o 7 5 、 r = i 5 、r = 3 ) 、及不同保载时间的热机械疲劳总寿命试验。试验结果如表2 3 表2 , 6 所示。 l 、缺口试样无保载热机械疲劳总寿命 1 1 试样缺口形式对热机械疲劳总寿命的影响试验 表2 3 不同形式缺口试样热机械疲劳总寿命 1 2 火进理l ：人学硕十学位论文 t a b l e2 3t h e r m a l - m e c h a n i c a lf a t i g u el i f eo f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t y l e so f g a p 应变幅 周期( s ) 缺口形式n r ( ) 1 32 1 1 1 41 3 7 o 7 5 1 6 1 3 6 l ，81 0 3 9 0 1 42 5 4 1 5 1 61 8 8 1 71 3 7 31 42 7 2 1 2 缺口试样应变幅对热机械疲劳总寿命的影响试验 表2 4 缺口试样不同应变幅热机械疲劳总寿命 t a b l e2 4t h e r m a l - m e c h a n i c a lf a t i g u el i f eo fs a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t r a i nr a n g e s 应变幅 应变速率缺口形式n f ( ) 1 32 5 8 0 0 3 l0 7 5 1 41 3 7 1 61 1 2 1 3 缺口试样应变速率对热机械疲劳总寿命的影响试验 表2 5 缺口试样不同应变速率热机械疲劳总寿命 t a b l e2 5t h e r m a l - m e c h a n i c a lf a t i g u el i f eo fs a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t r a i nr a t e s 应变幅 缺口形式周期( s )应变速率 n f ( ) 9 00 0 3 61 3 6 1 6 l l o0 0 2 91 3 3 o 7 5 1 3 00 0 2 51 2 6 1 5 00 。0 2 1 9 5 1 4l l o0 0 2 51 9 0 1 3 复杂应力状态r2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 2 、缺口试样有保载热机械疲劳总寿命 温度波形与载荷波形为上保持下不保持的梯形波，保持时间短，寿命低，试验条件 比较苛刻，按照金属材料高温强度理论，热机械疲劳试验条件模拟试验与焦炭塔的实际 情况比较接近，所预测的剩余寿命是偏于安全的 5 。 表2 6 缺口试样不同保载时问热机械疲劳总寿命 t a b l e2 6t h e r m a l - m e c h a n i c a lf a t i g i l el i f eo fs a m p l e sw i t hd i f f e r e n tl o a dh o l d i n g t i m e 应变幅 缺口形式应变速率 保持时间 n r ( ) ( s ) o1 3 6 2 01 4 9 1 60 7 50 0 3 6 4 01 3 8 6 09 3 2 4 试验结果分析 2 4 i 试样缺口形式同疲劳总寿命的关系 试样缺口形式的不同即受载区域应力分量比的不同，对疲劳总寿命有较大影响，其 关系曲线如图2 6 所示，可以看出： 3 0 0 霪2 5 0 躅2 0 0 鞋r 蛸1 5 0 棰 蠢i 0 0 5 0 试样缺口形式对热机械疲劳总寿命的影响 r = o 7 5 _ r = 1 5r ：3 1 2 1 31 41 5 i 6i 71 81 9 应变幅( ) 图2 6 试样缺口形式对热机械疲劳总寿命的影响 f i g 2 6t h e r m a l 。m e c h a n i c a lf a t i g u el i f eo f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t y l e so f g a p 1 4 大连理t 大学硕士学位论文 相同应变幅条件下缺口半径越小，即曲率越大，其寿命越短。 随着加载应力幅的增大，无论缺仁j 形式如何，试样的疲劳总寿命呈f 降趋势；而且 下降趋势不尽相同，o 7 5 缺口形式的试样寿命曲线下降较平缓，而1 5 缺口形式的试样 寿命曲线较陡。 由上图可以看出，0 7 5 缺口形式的试样寿命曲线可以用+ 个三次多项式近似表示： y = 5 7 0 0 x 3 + 2 6 9 6 0 x 2 4 2 3 5 3 x + 2 2 2 3 0 1 5 缺口形式的试样寿命曲线可以用一一个二次多项式近似表示： y = 6 0 0 x 2 + 1 4 7 0 x 一6 2 8 2 4 2 加载应变幅同疲劳总寿命的关系 由于试样有限，应变幅同疲劳寿命关系试验主要针对缺口形式为o ，7 5 的试样。 加载应变幅s 同疲劳寿命，关系曲线如图2 7 所示。由图可以看出： 缺口试样应变幅对热机械疲劳总寿命的影响 3 0 0 襄2 5 0 躜 椒2 0 0 蜊 警1 5 0 霉 杂： l ( ) 0 1 21 31 41 51 61 7 应变幅( ) 图2 7 试样应变幅对热机械疲劳总寿命的影响 f i g 2 7 t h e r m a l m e c h a n i c a lf a t i g u el i f eo f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t r a i nr a n g e 当加载应变幅占在】3 1 4 之问时( 缺口形式o 7 5 ) ，它对疲劳总寿命的影响很 大，当加载应变幅占大于1 4 时，加载应变幅对疲劳总寿命的影响较小，这说明当试 样处于小应变( 占小于0 _ 3 ) 时，疲劳总寿命主要由萌生寿命组成，随着应变幅的增 大( 占在1 3 1 4 之问) ，试样的总寿命逐渐由占主要的萌生寿命变成占主要的微观裂 纹扩展寿命组成，随着加载应变幅的进一步增大，疲劳裂纹处于很快进入微观裂纹扩展 阶段，当加载应变幅足够大时，裂纹处于宏观裂纹扩展阶段，且迅速失稳断裂； 该曲线可以用一个二次多项式近似表示： 1 5 复杂应力状态下2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 y = 3 6 1 6 7 x 2 1 0 9 7 5 x + 8 4 1 3 3 2 4 3 加载应变速率同疲劳总寿命的关系 r 2 1 1 加载应变速率占同疲劳寿命，关系曲线如图2 8 所示。可以看出：在同一缺口形 式、同一应变幅条件下，随着应变速率下降，疲劳总寿命也呈下降趋势。在应变速率为 2 5 之前，寿命曲线较为平缓，在循环硬化的影响下，总寿命甚至略有提高；但接近 2 1 后，寿命突然较大幅度下降，表明此过程中，单向疲劳损伤( 蠕变) 累积到一定程 度，超过循环硬化的影响，使材料性能下降加剧。 缺口试样应变速率对热机械疲劳总寿命的影响 不 z 船 谁 蹈 耗r 憾 耀 是 彝； 1 4 0 3 0 2 0 1 0 o o 9 0 0 0 20 0 2 50 0 30 0 3 5 0 0 4 应变速率( s e c ) 图2 8 试样应变速率对热机械疲劳总寿命的影响 f i g 2 8t h e r m a l - m e c h a n i c a lf a t i g u el i f eo fs a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t r a i nr a t e 该缺口试样应变速率对热机械疲劳总寿命的影响曲线可用一个三次多项式近似表 y = 6 e + 0 7 x 3 6 e + 0 6 x 2 + 1 7 0 8 1 9 x 一1 5 8 7 9 ( 2 2 ) 2 4 4 保载时间同疲劳总寿命的关系 保载叫间ti 司疲劳寿命，关系曲线如图2 9 所示。可以看出：随着在最大应变和最 高温度处保载时i 目的延长，疲劳总寿命由于循环硬化的影响开始逐渐缓曼增加，但到一 定程度( 试验中为6 0 秒后) 总寿命突然丌始降低，表明材料损伤中的蠕变部分随着时 1 6 人连理1 ：人学硕 ：学位论文 间逐渐增加，在疲劳和蠕变的交互作用f ，超过循环硬化的作用，使材料组织老化程度 明显加剧，致使寿命急剧下降。 缺口试样保载时间对热机械疲劳总寿命的影响 刁弋： 1 6 0 嘉篙 蘧1 3 0 粘r1 2 0 馨1 1 0 苎1 0 0 囊9 0 8 0 01 02 03 0 4 05 06 07 0 保载时间( s e c ) 图2 9 试样保载时问对热机械疲劳总寿命的影响 6 辱2 9t h e r m a l - m e c h a n i c a lf a t i g u el i f eo f s a m p l e sw i t hd i f f e r e n tl o a dh o l d i n gt i m e 该缺口试样保载时间对热机械疲劳总寿命的影响曲线可用一个三次多项式近似表 1 7 ( 2 3 ) 复杂应力状态f2 0 9 材料热机械疲劳总寿命评价 3 有限元数值计算和分析 3 1 引言 进行疲劳总寿命评价时，需要知晓应力集中处的局部应力、应变状态( 复杂应力状 态) 。而对于受交变载荷作用的试样和结构，在分析其应力应变状态时，如像国外文章 报道那样仅用拉、压的应力、应变关系而不考虑循环载荷的影响会对分析结果产生较大 的误差。对疲劳寿命评价来说，目前的方法还是要依赖于循环滞后环 2 3 。一维问题， 可由试验获得滞后环，而对于复杂应力状态下，特别是对某一具体结构，目前尚不能由 试验的方法直接得到其各应力、应变分量的滞后环，所以，若想得到复杂应力状态下的 滞后环，并做到对复杂问题零部件的疲劳寿命进行评价，则必须依赖于数值分析的方 法，这就要求对循环交变载荷作用下的试样或零部件进行详细的复杂应力状态进行应 力、应变分析。 为进行交变载荷下的复杂应力、应变分析，关键是力学模型的建立，而力学模型的 建立离不丌宏观弹塑性力学的三个要素，即初始屈服条件、流动法则和硬化法则。对于 一般的工程材料，常用的屈服条件为v o nm i s e s 屈服条件，流动法则多采用p r a n d l t r u s s 法则，对硬