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浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 摘要 在石油化工、动力机械、航空航天、核能等行业中，设备构件多处在高温、 高压等复杂多变的工况条件下。这些复杂的载荷、苛刻的环境都对设备材料的疲 劳、蠕变性能造成很大的影响，使得对材料的高温性能提出了很大的挑战。这些 设备在其使用周期内，能否安全运行，及对其使用寿命的准确预测，直接关系到 生产、人员的生命财产安全。为此本文以3 1 6 l 奥氏体不锈钢为试验研究对象， 开展4 2 0 、5 5 0 和6 0 0 。c 下的低周应变疲劳试验和高温下有保持时间的应变疲 劳试验。总结疲劳和蠕变及其交互作用的规律，并利用扫描电镜( s e m ) 对3 1 6 l 试样断口进行形变组织结构和断口形貌的分析，从微观角度探讨3 1 6 l 奥氏体不 锈钢疲劳一蠕变规律、裂纹萌生和断裂机理。 通过非间断应变疲劳的试验研究，拟合得到了3 1 6 l 材料在4 2 0 。c 、5 5 0 。c 和 6 0 0 c 下的疲劳寿命预测公式m a n s o n c o f f i n 。总结了疲劳寿命受温度的影响关 系。疲劳寿命随温度的提高而显著下降，温度对较大加载水平下的疲劳寿命影响 更为明显。在较低温度和较高加载水平下，循环应力更容易软化。 通过有保持时间的应变疲劳试验研究，发现试样中存在蠕变损伤，而且随着 保持时间的增加，蠕变损伤更严重，疲劳循环次数进一步减少。为预测构件中有 疲劳、蠕变损伤存在时的疲劳循环次数，在m a n s o n c o f f i n 公式的基础上，引入 蠕变损伤，添加时间参量，再应用损伤累积法则，导出有保持时间的高温低周应 变疲劳寿命预测模型：r ( f ) = f ( e a t ) 。为在高温条件下相类似材料的高温 低周疲劳寿命评估提供理论依据。 利用扫描电镜( s e m ) ，对疲劳断口进行显微分析，研究发现非间断应变疲 劳断口表现出平面滑移性，裂纹以穿晶方式在自由表面萌生，以穿晶方式扩展， 浙江工业大学学位论文 高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 断口存在明显的疲劳条纹。有保持时间的应变疲劳，多表现为波状滑移，而且还 有扭折带出现，在断口表面可观察到空穴特征，裂纹仍以穿晶方式萌生，却多以 沿晶方式扩展。 关键词：高温疲劳，蠕变，寿命预测，低周疲劳，3 1 6 l i i 浙江工业大学学位论文 高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 s t u d i e so nu f ep r e d i c t i o no fc r e e p f a t i g u e i n t e r a c t i o na th i g ht e m p e r a t u r e a b s t r a c t t h ec o m p o n e n t sw h i c ha r eu s e di nt h ei n d u s t r yo f p e t r o c h e m i c a l ，p o w e rm a c h i n e ， a e r o s p a c ea n dn u l e a re n e r g ym o s t l yw o r ki nt h es t a t u so fh i g ht e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r e t h e s ec o m p l e xa n ds e v e r er u g g e de n v i r o n m e n tc r e a t et h ev e r yg r e a te f f e c t t ot h ef a t i g u ea n dc r e e pp e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l so fe q u i p m e n tw h i c ha r et h eg r e a t c h a l l e n g ei nt h ew o r kc o n d i t i o no fh i 幽t e m p e r a t u r e w h e t h e rt h em a c h i n e sm r l s t e a d i l yi nt h ew o r k i n gd u r a t i o na n dt h es e r v i c el i f ew a se s t i m a t e de x a c t l yd i r e c t l y a f f e c tt h em a n u f a c t u r e ，w e a l t ha n ds e c u r i t yo fs t a f f f o rt h i sr e a s o n ，l o w - c y c l ef a t i g u e t e s ta tt h et e m p e r a t u r eo f6 9 3 k , 8 2 3 ka n d8 7 3 ka n df a t i g u et e s th a v i n gh o l dt i m ea t t h et e m p e r a t u r eo f8 2 3 ka n d8 7 3 kb o t hc o n t r o l l e db ys t r a i nw i l lb ec a r r y e do i l ，b a s i n g o nt h em a t e r i a lo f3 1 6 la u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l g e n e r a l i z et h el a wo ff a t i g u e ，c r e e p a n di n t e r a c t i o n , a n da n a l y s et h eo r g a n i z a t i o no f t h ed e f o r m a t i o nb a n da n da p p e a r a n c e o ff r a c t u r eu s i n gs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e d i s c u s st h el a wo ff a t i g u e c r e e p ， m r i a t i o no f c r a c ka n df r a c t u r em e c h a n i s ma tm i c r o s c o p i cv i e w f r o mt h er e s u l to fl o w c y c l ef a t i g u et e s tw i t h o u th o l dt i m e ，t h ef o r m u l a ro f m a n s o n - c o f f i ne s t i m a t i n gf a t i g u el i f ea tt h et e m p e r a t u r eo f6 9 3 k ，8 2 3 ka n d8 7 3 k c a nb eo b t a i n e db yt h ew a yo ff i t t i n gd a t a a n dg e n e r a l i z et h er e l a t i o nb e t w e e n t e m p e r a t u r ea n df a t i g u el i f e f a t i g u el i f e ：r e m a r k a b l yd r o pi nf a t i g u e dl i f ew i t ht h e t e m p e r a t u r er a i s e ；g r e a te f f e c ta tt h eg r e a t t e rl o a d i n gl e v e l ；c y c l es t r e s ss o f t e n sm o r e e a s i l ya tl o wt e m p e r a t u r ea n dt h eg r e a t t e rl o a d i n gl e v e l f r o mt h er e s u l to fl o w c y c l ef a t i g u et e s th a v i n gh o l dt i m e ，c r e e pd a m a g ew h i c h i sm o r es e v e r ew i t ht h eh o l dt i m ei n c r e a s ec a nb ed i s c o v e r e d ，a n dd r o pi nf a t i g u el i f e a c c o r d i n g l y i no r d e rt oe s t i m a t et h ef a t i g u el i f ea f f e c t e db yf a t i g u ea n dc r e e pd a m a g e ， t h ea r t i c l ea m e n d st h ef o r m u l ao fm a n s o n c o f f i nb ym e a n so fa d d i n gt h ep a r a m e t e r o ft i m e ，b a s i n go nt h et h e o r e mo fd a m a g ec u m u l a t i o n a n dt h ef o r m u l ao fl i f e i i i 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 p r e d i c t i o no ft h eh i g h t e m p e r a t u r el o w c y c l ef a t i g u ew i l lb e ：n i ( a t ) = f ( e ，a t ) g i v i n gat h e o r yf o u n d a t i o no f l i f ep r e d i c t i o nf o ro t h e rm a t e r i a l sw o r k i n gi nt h es i m i l a r c o n d i t i o n s a n a l y s et h ef a t i g u ef r a c t u r eu s i n gs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e t h es l i p b a n d so fl o w - f a t i g u et e s tw i t h o u th o l dt i m ei sp l a n a r , a n dc h a n g e st ou n d u l a rs t r u c t l l r e a th o l dt i m et e s t w i t h o u th o l dt i m e t h ec r a c ki n i t i a t i o ni st r a n s g r a n u l a ra n do c c u r s f r o ms l i pb a n d sc o n n e c t e dt os u r f a c ea n dp r o p a g a t i o ni st r a n s g r a n u l a r h o w e v e r , a t h o l dt i m et e s t ，i n t e r g r a n u l a rc r a c k sa r en o t i c e do nt h ef r a c t u r es u r f a c ea n dc a v i t ya l s o b es e e n k e yw o r d s ：h i g h t e m p e r a t u r ef a t i g u e ，c r e e p ，l i f ep r e d i c t i o n ，l o w c y c l ef a t i g u e ，31 6 l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名：斑年么 日期：沙彩年月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密匹 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：沙裤 日期：勿o 年 舌月石日 6 月6 日 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 近年来，随着电力、石油化工、核能以及航空航天事业的蓬勃发展，对很 多设备工作环境的要求越来越苛刻，经常要在高温高压下长期工作。并且为了 提高装置的效益，石油、化工、能源加工业的工艺都向着高温、高压和大型化 发展，如乙烯裂解炉炉管最高设计温度达到1 1 5 0 ，压力为o 2 m p a ，合成氨转 化炉炉管设计温度为9 0 0 。c ，压力达3 4 m p a ，在石油炼制过程中，加氢反应装 置的温度达5 6 5 。c ，压力达2 8 m p a 。另外快中子增殖堆、生物质发电、高温超 临界水氧化、高温燃料电池技术等等，均离不开先进的高温设备的支持。另一 方面，目前全球能源紧张，环境保护意识增强，节能节材已经成为设备设计中 十分重要的一环，这促使设计方法不断改进，设计标准中的安全系数不断下降， 也使得对设备的安全可靠性提出了更高的要求，对材料的性能提出了很大的挑 战。 据统计，由于机件、结构的断裂、疲劳、蠕变、腐蚀损伤，美、日、欧共 体等国每年所造成巨大的经济损失，占当年国民生产总值的8 一1 2 。据我国 劳动部统计，我国在8 0 年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约5 0 0 0 起，人 员累计伤亡近1 0 0 0 0 人，居国内事故的第二位。我国锅炉和压力容器的爆炸事 故比工业化先进国家高十倍，其中恶性重大事故比工业化国家高一百倍。9 0 年 代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故和人员伤亡数虽然有所减少，但仍居国内 事故的第二位。我国乙烯厂的裂解炉炉管因常期承受8 0 0 多摄氏度的高温而时 常发生变形、断裂，每次报废所造成的经济损失可达到几千万元。 鉴于以上的数字，深入研究高温环境中材料的力学性能，疲劳、蠕变等规 律就显得十分重要。而在高温条件下疲劳、蠕变等规律不同于常温，常温条件 下得出的理论已不能完全适用，目前关于这方面的理论也还不够完善。 在高温环境中构件的复杂性主要是由于构件的变形与损伤是依赖于时间以 及空间多轴应力状态的，这也是结构完整性研究的难点所在。高温下服役的构 浙江工业大学学位论文 高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 件，其寿命往往受多种机制的制约，如疲劳、蠕变、腐蚀等。高温疲劳主要研 究材料在疲劳和蠕变共同作用下的力学行为，多数情况下，疲劳和蠕变是交互 作用的，并非可以简单的线性叠加。其中蠕变损伤是一个与时间相关的量，它 与所受应力历程和所加的温度有关。疲劳损伤则一般由循环应力应变历程决 定。 研究材料在高温环境中，疲劳和蠕变交互作用下的裂纹扩展规律及其安全 评估、寿命预测方法在实际生产中意义重大。目前在全世界已有大量的石油化 工厂、发电厂运行了相当一段时间，许多高温设备也已超过了1 0 00 0 0 小时的 设计寿命，但政治、经济、环境等因素的限制，新厂的建设渐少，进入设计寿 命期的工厂在今后将不断增加，所以采取再设计、再制造等延寿措施已成了企 业必然的选择，由此也给人们带来了很大的安全压力，对高温结构完整性技术 的需求更显迫切。 1 2 高温低周疲劳国内外研究现状 在高温环境中，构件的疲劳规律比较复杂，常温环境下得出的疲劳规律不 能直接应用于高温下的情况，寿命估算的问题也大有不同。一般认为，当合金 的工作温度与合金熔点的比值大于0 5 时，这时认为零件处于高温工作状态， 构件的蠕变现象就不可忽略。所以高温疲劳研究的是疲劳和蠕变共同作用下的 材料力学行为。在高温下的循环载荷就往往会导致蠕变一疲劳断裂，这种破坏 行为是一个与时间有关的变形机制。在这种机制下，构件的断裂形式由穿晶断 裂( 常温低周疲劳的特征) 变成了沿晶断裂。沿晶断裂是蠕变断裂的一个重要 特征，它是由晶间空穴生长和互连形成的。 经过无数科学工作者的辛勤努力，目前对构件蠕变与疲劳的规律和寿命估 算方面取得了很大进展。如果说十九世纪后期金属高温疲劳是以高周应力疲劳、 二十世纪初期是以高温蠕变为特征的话，那么二十世纪下半叶以来则是以高温 低周疲劳( h l f ) 为特征的。自1 9 5 5 年提出的m a n s o n c o f f i n 塑性应变范围与 寿命关系的方程使金属低周疲劳的研究从定性转变到定量以来，金属高温疲劳 的研究得以迅速发展，各种表达疲劳规律和寿命预测的模型相继提出和完善。 概括起来，现有的高温低周疲劳寿命预测方法可分为三大类：经典的参数模型、 2 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 损伤力学方法和基于微观物理机制的模型。参数模型比较简单，易于操作。但 其预测能力和适用性有待进一步完善。与之相比，损伤力学方法理论上严谨， 适用性广泛，可用于变温、多轴应力状态等。但其理论复杂，计算量大，要付 诸工程实用还需要经过一系列的简化处理。基于微观物理机制的模型最具一般 性，但因其复杂性，目前鲜有工程使用价值的研究进展。 1 2 1 高温低周疲劳参数模型 高温下材料的疲劳规律及损伤机理涉及与时间无关的塑性变形外，还涉及 与时间相关的蠕变及腐蚀等环境因素。这些损伤机制的同时存在及其交互作用 使得寿命预测非常复杂。广为应用的m a n s o n - c o f f m 公式已不能满足这种高温 情况。很多科学工作者通过研究疲劳机理，在m a n s o n c o f f i n 公式的基础上进 行修正，如应变划分、加入频率和时间参量等，提出更为完善的应变疲劳公式。 目前得到较多认可的参数模型有如下几种： ( 1 ) 频率划分模型( f s ) ：由c o f f i n 等人提出： ( 2 ) 应变变程划分模型( s r p ) ：由m a n s o n 和h a l f o r d 等人提出； ( 3 ) 应变能划分模型( s e p ) ：包括o s t e r g r e n 、何晋瑞等人的工作； ( 4 ) 线性损伤累积法则：已有多处应用，如美国机械工程师学会的a s m e c o d ec a s e n - 4 7 、法国规范r c c m r 、英国规范i 5 等。 这些模型中，所采用的损伤参数主要有3 种，即循环寿命比( 线性累积损 伤法) 、非弹性应变变程( 如s r p ，f s 等模型) 和非弹性应变能( 如f m d f ， s e p 等模型) 。 1 频率划分模型( f s ) 由于高温疲劳的时间相关性，c o f f i n 建议在预测常温低周疲劳寿命的 m a n s o n - c o f f i n 公式中加入频率因子来预测高温低周疲劳寿命【3 1 ： n r = c ( a e m ) 9 y ( 1 1 ) 但其中的y 为全循环频率，无法反映波形的影响。于是c o f f i n 于1 9 7 6 年对公式 ( 1 1 ) 进行了修正 4 1 ，提出频率划分模型( v s ) ： 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 ，5c ( a e r n ) 4 ( ( 1 2 ) 其中，以，心分别为拉、压进程频率。 f s 模型简便，在环境作用突出的场所适用性较好。但不能准确反映波形的 影响，当蠕变作用显著时，可能造成严重的误差。o s t e r g r e n 嘲提出在高温下时 间的影响由频率因子反映，疲劳寿命由材料拉伸时吸收的能量控制，从而得到 频率修正损伤模型( f m d f ) ： ，= c ( c r j x e = ) 4 广 ( 1 3 ) 其中，q 为最大拉应力。 f m d f 模型是用非弹性应变能作为损伤参数，考虑了平均应力对低周疲劳 寿命的影响。但因其频率因子的选择带有明显的主观痕迹，仍不能准确反映高 温下波形的影响1 6 。 2 应变变程划分模型( s r p ) s r p 模型是m a n s o n 于1 9 7 1 年提出的，他认为循环应变的各个非弹性应变 分量对损伤的贡献并不相同”1 ，高温低周疲劳饵i j ) 的损伤机制为塑性、蠕变及 其间的交互作用，基于此，非弹性应变变程毛可以划分为4 种基本类型( 如 图1 1 ) ： 占h = s 即+ a 6 。p + a e c c + 占芦】 ( 1 4 ) 其中，s 。拉伸塑性变形与反向为压缩塑性变形，为两个方向中较小的一 个占； s 。拉伸塑性变形与反向为压缩蠕变变形； 拉伸蠕变变形与反向为压缩塑性变形。a 6 ，。，a e 。不能在一个 环上并存；在计算时，它们之中的一个等于非弹性应变得剩余 部分，即s 口c 一占口； s 。拉伸蠕变变形与反向为压缩蠕变变形，为两个方向中较小的一 个e f 。 浙江工业大学学位论文 高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 压蠕 f _ 图1 1 非弹性应变划分方法 c 由此可计算出各种非弹性应变岛( i j 轮流取值p ，c ) 在总非弹性应变中所 占的分数：乃= a s ，s a 6 。在寿命估算时，设对于每一种分量白，均有 m a n s o n c o f f i n 关系式存在，即： ；f = 岛( 勺) 岛 ( 1 5 ) 先按上式计算出每个应变变程分量白对应的损伤1 n u ，然后根据线性法则将 各分量引起的损伤按比例进行加和，得到每一循环引起的总损伤： 可1 翘砻 s ， s r p 模型的优点是利用非弹性应变变程的不同分量来分别反映塑性、蠕变 及其间交互作用对h l f 损伤的贡献，温度、频率、波形的影响均体现其中，在 蠕变作用突出的场合适用性较好。其缺点为对的划分及公式拟合比较麻烦， 另外该模型没有很好反映环境、频率等的影响。 3 应变能划分模型( s e p ) 由上面的介绍，应变变程划分法( s r p ) 和频率修正损伤模型( f m d f ) 模 型都有各自的优缺点。何晋瑞等人就综合s r p 和f m d f 模型，提出了应变能划 分模型： 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 ( n i = c 4 i s i 了u t 击= 白 n 。7 注意到，该模型的基本特点与s r p 模型相似，区别在于用f m d f 模型中的损伤 参数拉伸非弹性应变能来取代s r p 模型中的损伤参数非弹性应变变 程，进而考虑了平均应力的影响。经过实践的检验，s e p 模型的预测精度较s r p 模型有所提高【8 l 。 4 线性累积损伤法则 虽然频率划分模型( f s ) 、应变变程划分模型( s r p ) 和应变能划分模型( s e p ) 分别能通过频率修正、应变及应变能划分来表示高温环境中蠕变的影响，但是 当蠕变作用很显著时，这样的表达方式就明显不足，无法直接反映蠕变的作用。 于是有人就利用m i n e r 提出的疲劳线性累积损伤法则的原理，导出疲劳、蠕变 的线性累积法则： ( ( s ， 其中，雨e l t , 分别为同样条件下的纯疲劳寿命和纯蠕变寿命。 由于线性累积损伤法则仅依赖等幅试验数据，数学形式简单，因而受到了 工程界的欢迎。但线性累积损伤法则无法反映疲劳、蠕变交互作用对高温低周 疲劳寿命的影响。为此，l a g n e b e r g 等人建议在公式( 1 8 ) 中增加一耦合项来 表示疲劳、蠕变交互作用对材料损伤的贡献，即： c 钞b c c 扣护 ” 其中，b 为材料常数。 损伤累积法则形式简单、结果直观，所以被众多设计标准采用。但是其缺 陷是预测结果往往存在较大的分散性，t ，等的纯蠕变寿命数据也很难获得。 浙江工业大学学位论文 高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 1 2 2 连续损伤力学方法 连续介质损伤力学的发展为高温低周疲劳寿命预测提供了一种新的方法。 与经典的离散参数模型不同，连续介质损伤力学将高温低周疲劳的损伤破坏视 为一个连续的耗散过程，用一个能够反映这种连续耗散过程的内变量，即能反 映蠕变和循环塑性变形损伤的变量d 来表征材料的损伤，并规定1 3 = 0 材料无损 伤，d = i 材料临界破坏。再由不可逆过程热力学原理，建立起对应的损伤演化 方程，即可进行高温低周疲劳的寿命预测。 在连续介质力学中，损伤变量定义为材料有效承载面积的相对变化率，即： d ：a - a( 1 1 0 ) 4 其中，a 为无损材料单元的原始承载面积；j 为损伤材料单元因微裂纹、微孔 穴而相应减小了的有效承载面积。按有效承载面积j 计算的有效应力 9 1 ： 子：j l( 1 1 1 ) 1 一d 其中，盯为按原始承载面积计算的名义应力。 较常用到的蠕变损伤形式为： 塑d t = 【罴c ( 1 爿( 1 - d ) 一9 ( 1 1 2 ) 。 一d 、。、 而对疲劳损伤，则可表示为： 一d d ：f ! 二婴：( 1 1 3 、 d n ( p + i ) n i ( h e 。) 设蠕变损伤和疲劳损伤可以简单叠加，则损伤演化方程可表示为： d d = c 南h 卜玎呦+ 龋柳 据此，可先计算应力一应变循环，同时对诸循环逐一进行积分，直到达到临界 损伤。 7 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 1 2 3 基于微观物理机制的模型 m a j u m d a r 和m a i y a 在1 9 7 6 年提出损伤率法呻1 ，1 9 8 0 年他们将此法进行改 进，已包括蠕变疲劳交互作用。这种方法用当前裂纹的长度和晶间裂纹的尺寸 表示蠕变一疲劳损伤，并且把材料失效的过程看成是预先存在的或早期成核的 疲劳裂纹或晶间空穴c 0 扩展到临界尺寸。，或c ，的过程。 在给定的环境下，疲劳裂纹在空穴存在的条件下生长速度被定义为： 丢罢= 肿( c c 0 川引w 同理，空穴的增长遵循以下方程： 三面d e = 1 f i gp 1 川岛严 ( 1 1 6 ) 其中，i s ，l 为当前塑性应变的绝对值，它包括与时间有关的分量和与时间无关 的分量；10 。i 为当前塑性应变速率的绝对值；t 和g 分别用在拉应力作用的情 况下，c 和一g 用在压应力作用的情况下。在压应力作用的情况下。t 、c 、m 、 k 、k ，、口和g 是材料参数，它们是温度、环境和材料微观结构的函数。 据称【1 0 1 ，上述方程可以预测保持时间较短的循环的c o f f i n 型频率修正疲劳 关系。 1 3 高温疲劳微观机理 在高温低周应变循环载荷的作用下，材料的组织结构和力学性能都会发生 变化，这种变化反过来又影响材料的高温低周疲劳性能。所以深入探讨高温疲 劳的微观机理是很有必要的，为确定构件的疲劳寿命和延长其使用寿命提供了 可靠的理论依据。 1 3 1 疲劳形变特征 关于金属在循环载荷作用下的形变问题，早在本世纪三十年代前后，g o u g h 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 等人就作了较为系统的研究工作，证实了与单向形变具有同样的滑移系统。但 比较细致的工作还是近期的事情。 滑移特征是塑性变形期间位错分散程度的一种度量，能合理的解释材料各 种疲劳失效模式。f e l t n e r 和l a i r d “1 2 1 以及m c e v i l y 和j o h n s t o n l l ”曾就滑移特征 的意义进行了具体的阐述，他们把滑移特征划分为平面的和波状的，并且认为 形变以平面的还是以波状的滑移方式进行取决于位错在各自得滑移面上滑移时 所受约束的程度，波状滑移通常是受螺型位错的交滑移的难易程度制约的。低 的层错能、有序结构、共格析出相的存在、低的试验温度和较小的应变范围有 利于循环形变时发生平面滑移。像奥氏体不锈钢、含z n 量较高的a 黄铜以及镍 基高温合金就是在室温下表现出平面特征的一些典型金属。以平面滑移方式循 环形变的材料中，位错往往保持平面排布，而且在经过抛光的试样表面上一般 会出现平面剪切带。高的层错能、非共格析出相的存在、较大的应变范围和较 高的温度有助于波状滑移。对于大多数金属材料而言，在高于0 4 l ( 熔点温 度) 的温度下，由于热激活条件允许位错通过交滑移和攀移而离开其原来的滑 移面，因此大多表现为波状滑移。发生波状滑移的金属材料通常表现出均匀分 布的且为平面状的位错组态，同时在经过抛光的样品表面上一般会出现由微观 挤出和侵入组成的凸起。 1 3 2 疲劳开裂机制 t h o m p s o n 等人1 研究了滑移带与疲劳裂纹之间的关系。他们用拉一压式 疲劳试验方法在退火铜试样中产生滑移带，然后经电解抛光两微米，就发现一 般滑移带都已消失，唯有几个滑移带却仍然保留，并且疲劳裂纹就是由这些带 中产生，称些滑移带为住留滑移带。应力较小时，住留滑移带常成断续点线状， 不易形成裂纹。 在一些合金中，滑移带表面比周围较高些，试样表面有被挤出来的物质， 具有清楚而明确的边缘，形式多样。f o r s y t h 等人1 发现，把出现挤出的试样经 电解抛光和蚀刻后，在挤出处存在裂纹。w o o d t “1 研究了疲劳裂纹的成核机制， 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 认为在形成挤出片的同时，试样内部就产生了相应的空洞片，挤出或侵入来自 于住留滑移带，形成挤出和侵入是疲劳裂纹的成核过程。 f o r s y t h ”1 在铝合金的一系列研究中指出，疲劳裂纹的传播是一个不连续的 过程，分为明显的两个阶段。第一阶段包括从个别侵入处形成的微裂纹，通过 交滑移与相邻的平行微裂纹相连形成较大的裂纹。第二阶段包括裂纹沿垂直最 大张应力传播的过程，直到未断裂部分不足以承受所加负载为止。l a i r d 【1 8 1 等人 认为第二阶段疲劳裂纹扩展是一个塑性钝化的过程。 1 3 3 蠕变形变特征 在蠕变过程中，滑移仍然是一个主要现象。随着温度的增加，滑移带逐渐 加宽、变深，并且在带与带间出现精细滑移线。有实验证明，温度越高，应力 越小，晶粒越小，滑移带间距就越大。有时多晶试样在一定的高温和低应力下， 蠕变的绝大部分滑移量是来自精细滑移，而看不见滑移带。蠕变条件下，比较 容易出现扭折带。有实验证明，温度越高，应力越小，晶粒越小，扭折带就越 宽。 晶界的运动在蠕变过程中也是很复杂的。从蠕变开始到终了都有晶界的滑 动，它对总蠕变量的贡献随温度的增高，应力的降低，晶粒度的减小而增加。 由于晶界本身不可能绝对平滑，故其滑动是跳跃的。在蠕变过程中，塞积在晶 界前的位错群因力求获得松弛，故沿晶界便产生一空位流流向要攀移的位错。 位错攀移后，沿晶界的位错分布变得更均匀，有利于晶界的移动。随温度的升 高，晶界的滑动也来得更加突出。 1 4 存在问题 基于微观物理机制的模型从疲劳、蠕变损伤的本质出发，导出材料损伤机 制的演化方程。应该来说，这种模型是最具有一般性，最能反映疲劳、蠕变损 伤机理的。但是也正由于模型的微观尺度，使得模型相当复杂，各种参数的确 定比较困难，很难广泛应用于工程实践。 连续损伤力学的方法估算在理论上是最严谨的。但是由于实验设备比较复 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 杂、费用昂贵等原因，使得高温疲劳数据还不丰富，各种相关研究仍处于数据 积累阶段，大量的试验有待进行。 高温低周疲劳参数模型由于形式简单、可操作性强，有很强的工程实用价 值。不足之处在于对高温环境( 如蠕变) 的影响不能很好的反映。如频率划分 模型仅是用频率因子来修正m a n s o n - c o f f m 公式来反映高温的影响；应变变程 划分模型则通过划分非弹性应变来表示不同损伤机制的影响。当蠕变作用显著 时，它们仍会造成较大误差，而且都没能直接反映具有时间相关性的蠕变损伤。 1 5 本文研究内容和目标 1 5 1 研究内容 本文仍以m a n s o n - c o f f i n 公式为基础，通过引入蠕变损伤，添加时间参量。 再应用损伤累积法则，修正m a n s o n - c o f f i n 公式。从而得到高温低周疲劳寿命 预测公式： r ( f ) = 厂( s 。，a t ) ( 1 1 7 ) 其中，s 。为塑性应变幅；出为蠕变保持时间。公式( 1 1 7 ) 能直接反映疲劳、 蠕变及其交互作用的影响。 为验证公式( 1 1 7 ) ，本文以3 1 6 l 奥氏体不锈钢为研究对象，进行温度为 4 2 0 。c 、5 5 0 c 和6 0 0 。c 的疲劳、蠕变试验。并通过理论研究和试验研究的相结 合，研究高温低周疲劳损伤机制、断裂机理和蠕变疲劳交互作用损伤转换关系 及其主要影响因素。 1 5 2 研究目标 本文的目标是提出3 1 6 钢高温低周疲劳蠕变交互作用寿命预测模型，并为 在高温条件下相类似材料的高温低周疲劳寿命评估提供理论依据。 浙江工业大学学位论文 高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 第二章高温低周疲劳寿命预测模型理论推导 许多工程构件，在其整个使用寿命期间，所承受的载荷情况通常比较复杂， 经历启动、稳定运转、停车等变化。这些变化都将很大程度地影响疲劳寿命。 本章将通过疲劳及蠕变损伤，推导有保持时间的高温低周应变疲劳寿命预测模 型。 2 1 应变疲劳 对于循环应力水平较低，寿命长的情况，用应力一寿命曲线( s n 曲线) 来描述其疲劳性能是适当的。然而，有许多工程构件，在其整个使用寿命期间， 所经历的载荷循环次数却并不多。例如，压力容器若一天经受二次载荷循环， 则在3 0 年的使用期限内，载荷的总循环次数还不到2 5 x 1 0 4 次。在寿命较短的 情况下，设计应力或应变水平当然可以高一些，以充分发挥材料的潜力。众所 周知，对于延性较好的材料，屈服后应变的变化大，应力的变化小。因此，用 应变作为疲劳性能的控制参量显然更好一些。载荷水平高( 超过屈服应力) ，寿 命短( n 1 0 4 ) ，即是本文要研究的低周应变疲劳。 2 1 1 循环应力一应变响应 1 滞后环 在恒幅对称应变循环试验中，连续监测c r s 响应，可以得到一系列的应力 应变环，如图2 1 所示。这些环，反映了循环载荷作用下，应力、应变的连续 变化情况，通常称为滞后环。它有以下特征： ( 1 ) 仃一占响应随循环次数而改变 图2 1 中所示低碳钢的盯一s 响应是在恒幅对称应变循环下得到的。随着循 环次数的增加，同样的应变幅下，应力幅不断地增大。 ( 2 ) 大多数金属材料，在循环数增加到一定次数后，仃一占响应逐渐趋于 稳定，形成稳态滞后环。图2 1 中所示的低碳钢，在n 约1 0 0 次左右，即可形 成稳态滞后环。当然，也有些材料需要较长的循环次数后才能形成稳态环；甚 1 2 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 至还有些材料的滞后环一直都不会稳定。对于这些材料，往往用在该应变幅下 1 2 寿命处对应的滞后环，作为名义稳态滞后环。 n 2 n 3 u 。 ：一 二纥 ! t 稳态环 图2 1 低碳钢的循环应力、应变响应 ( 3 ) 循环硬化和软化现象 在应变幅毛不变得对称循环下，随着循环次数n 的增加，应力幅吒不断 增大的现象，称为循环硬化。图2 1 中所示的就是低碳钢循环硬化现象。反之， 若随着循环次数n 的增加，应力幅吒不断减小，则称为循环软化。 循环硬化和循环软化不仅与材料及热处理状态有关，还与循环加载时材料 所处的环境有关。一般说来，低强度、软材料趋于循环硬化；高强度、硬材料 趋于循环软化。完全退火铜是循环硬化；冷拉铜是循环软化。高温时由于蠕变 发生，也会有循环软化现象。 2 循环应力应变曲线 由不同应变幅对称循环控制下的疲劳试验，可以得到一族稳态滞后环。将 这些稳态环置于同一坐标内，如图2 2 所示。各稳态滞后环顶点的连线反映了 不同应变幅毛循环下的应力幅仃。响应，由此所给出的c r 4 - 乞关系，称为循环 吒一巳曲线。值得注意的是，循环应力一应变曲线并不反映加载路径。反映加 载路径的是滞后环。 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 c bj 痧 篷一 图2 2 循环应力一应变曲线 循环吒- 8 a 曲线，可以通过式( 2 1 ) 进行描述，即： 乞= 气咏= 暑+ ( 秒。 ( 2 1 ) 其中，k 为循环强度系数，具有应力量纲( m p a ) ；n 为循环应变硬化指数， 是无量纲的；g e a 是弹性应变幅；s 。是塑性应变幅。对于大多数金属材料，循 环应变硬化指数n 之值一般在0 2 左右。 由式( 2 1 ) 可知，将应变幅s 。划分为弹性应变幅 e e a 与塑性应变幅占。两部 分，就可以得到它们与应力幅的关系： o a = e 气 ( 2 2 ) o a = k ( 占。) “ ( 2 _ 3 ) 由此就可以通过塑性应变幅计算应力幅。 2 1 2 应变一寿命关系 前面讨论的是应力一应变曲线和滞后环曲线，描述的是材料的循环性能。 低周应变疲劳主要研究的是应变与寿命之间的关系，可以用占一n 曲线来描述。 4 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 按照标准试验方法，在r = 一1 的对称循环下，进行给定应变幅下的对称恒 幅循环疲劳试验，可得到图2 3 所示的一般规律。图中，载荷用应变幅5 。表示， 寿命用载荷反向次数2 n 表示。注意到一个循环有两次反向，n 即为循环寿命。 由试验记录可知应变幅s 。和破坏循环数2 r 的关系。将总应变幅s 。写成弹 性应变幅气和塑性应变幅气两部分，分别画出l g e 一l g ( 2 n f ) 1 9 8 p 。一l g ( 2 n f ) 之关系，如图2 3 中直线所示，呈对数线性关系。由此可分别得到： 气= 号( 2 ，) 6 ( 2 4 ) s 。= e ( 2 n f ) 。 ( 2 5 ) 式( 2 4 ) 反映了弹性应变幅与寿命间的关系，盯称为疲劳强度系数，具有应力 量纲；e 为弹性模量；b 为疲劳强度指数。式( 2 5 ) 反映了塑性应变幅与寿命 间的关系，占称为疲劳延性系数；c 为疲劳延性指数。b 、c 分别为图中二直线 的斜率。因此，占一n 关系曲线可写为： 毛= + = 署( 2 n f ) 6 “( 2 n f ) 。 ( 2 6 ) l g 。 0 图2 3 典型的应变一寿命曲线 1 9 2 n 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 在长寿命阶段，以弹性应变幅为主，塑性应变幅很小可以忽略，s 。zs 。， 所以在研究高周疲劳时，寿命预测方程为式( 2 4 ) ，此即反映应力疲劳的s n 曲线。而在短寿命阶段，载荷水平高，以塑性应变幅为主，弹性应变幅可以忽 略，乞* s 。，故在研究低周疲劳时寿命预测方程为式( 2 5 ) 。 式( 2 5 ) 也可以改写为： f ，p a m 2 r = 。2 ( 2 7 ) 这就是著名的m a n s o n - c o f f i n 低周应变疲劳公式。正由于此式的简单及其适应 性，被广泛应用于理论研究和生产实践中。许多进一步的低周疲劳研究工作都 是在此公式的基础上进行修正，如第一章所述的低周疲劳参数模型。 m a n s o n - c o f f i n 公式也是本文所做研究的基础之一，并考虑蠕变及其疲劳蠕变的 交互作用，更深入的研究高温低周疲劳，并提出新的h l f 寿命预测模型。 2 2 疲劳及蠕变损伤规律 2 2 1 疲劳损伤 材料的低周疲劳寿命研究一般是在非间断循环下进行的，而实际生产中设 备所处工况远非如此简单。首先设备启动；接着进入正常运作阶段，在这段时 间中可能会产生松弛或蠕变现象；然后关闭设备；随后又重复开始下个完整 的循环( 启动运转关闭) 。如表2 1 所示为典型的锅炉涡轮工作循环史。 表2 1 典型的锅炉涡轮工作循环史( 2 0 年) o 7 年7 1 4 年1 4 2 0 笠 总数 冷启动( 涡轮低于3 0 0 。f ) 2 53 04 51 0 0 快速停车后在3 小时内在进行热启动 2 53 04 51 0 0 一周内关闭一次 2 01 9 04 9 07 0 0 一昼夜关闭一次 2 05 4 01 3 4 01 9 0 0 主负载变化( 7 0 速率) 3 0 0 9 0 01 8 0 03 0 0 0 小负载变化( 2 8 速率) 2 0 0 06 0 0 02 0 0 01 0 0 0 0 浙江工业大学学位论文高温环境中疲劳蠕变交互作用寿命预测方法研究 所以仅用非间断循环疲劳数据来表达实际使用条件显然是不足的，要严