（固体力学专业论文）金属材料的单轴棘轮效应及低周疲劳行为研究.pdf

第日页西南交通大学硕士研究生学位论文 目 上简化了现有棘轮本构理论描述棘轮应变演化规律的复杂过程，该 模型预测棘轮应变演化规律有很好的精度，加上建模仅需完成 4 - 6 个试样的棘轮循环饱和试验，因而新模型更接近工程应用。 2 . t 2 2 5 n g 钦合金常温棘轮应变演化试验结果表明，棘轮应力依 然是描述棘轮变形程度的一元参量。棘轮应力与棘轮应变呈近似线 性变化规律，在此基础上提出了用于描述棘轮循环非饱和材料的棘 轮应变演化规律的p - r - n 模型。 p - r - n 模型对棘轮应变演化规律的预 测结果与实验结果符合很好。 3 . 对 3 0 4 不锈钢和 t 2 2 5 n g 钦合金材料分别给出了的u - p - r 模型 和 p - r - n 模型参数。 4 . 循环饱和棘轮变形仅对先前应力循环历史状态下最大应力水 平下的循环饱和状态有记忆效应，因此 p - s r棘轮本构模型不仅适合 独立棘轮循环加载工况而且适合棘轮循环历史加载工况的饱和棘轮 应变预测。 5 . 3 0 4钢材料的低周疲劳寿命对先前循环饱和棘轮应变e ， 或棘 轮应力6 r 有较强的依赖性，先前循环饱和棘轮应变e 6 ， 或棘轮应力6 越高，后继低周疲劳寿命降低越严重。 6 . 温度越高，t 2 2 5 n g钦合金的棘轮变形越严重，在常温下不产 生棘轮变形的应力加载工况在高温下可能会引起十分严重的棘轮变 形;因此，在工程设计中要十分重视棘轮变形的温度效应。 7 . 在传统常温和高温 m - c低周疲劳寿命估算模型基础上，根据 温度对寿命影响系数标f 与控制应变幅 e / 2 呈线性变化的规律， 提出 了一种适用于幂率材料高温低周疲劳寿命估算的71 - m - c 方法. 卜 q 为满足秦山二期反应堆压力容器强度分析项目的测试要求， 本文 还开发了一套用于应力、应变测试的可视化应用软件 w i n a c q 2 . 0 . 丫 关键词: 塑性;棘轮行为;棘轮应变演化模型;棘轮与疲劳交互作 用; 温度效应 叼 一曰 奋 山 山山滋 曰 心之二 _、林 峭邑 虑_ 、 _ _ 、 叽 、_ 西南交通大学硕士研究生学位论文第i 日页 a b s tr a c t 叫.峥 d i f f e r e n t d e g r e e s i n c r e a s i n g c y c l i c p l a s t i c d e f o r m a t i o n a c c u m u l a t e d i n e n g i n e e r i n g s t r u c t u r e s b e c a u s e o f u n s y m m e t r i c a l c y c l i c s t r e s s i n g o r h e a t e d s t r e s s i n g w h i c h i s c a l l e d r a t c h e t t i n g d e f o r m a t i o n . t h e p h e n o m e n a o f r a t c h e t t i n g d e f o r m a t i o n b r o u g h t a u s t e r e c h a l l e n g e t o t h e s a f e t y d e s i g n f o r s t r u c t u r e s , w h i c h a r o u s e s a b o a r d r e c o g n i t i o n b y i n t e r n a t i o n a l s c h o l a r s . t r a d i t i o n a l i n v e s t i g a t i v e p a t t e r n i s c o n c e n t r a t e d o n r a t c h e t t i n g c o n s t i t u t i v e m o d e l s t o a t t a i n t h e o r y p r e d i c t i o n f o r r a t c h e t t i n g s t r a i n v e r s u s u n m b e r o f c y c l e s b a s e d o n a f e w e s p e c i a l l y r a t c h e t t i n g e x p e r i m e n t s . e x i s t i n g r a t c h e t t i n g c o n s t i t u t i v e m o d e l s h a v e a l o n g w a y t o g o t o a c c u r a t e l y p r e d i c t r a t c h e t t i n g e v o l u t i o n r u l e b u t m e r e l y h a v e t h e t r e n d w i t h r a t c h e t t i n g e x p e r i m e n t a l r e s u l t s . m a k e a c o m p r e h e n s i v e v i e w i n t o i n t e r n a t i o n a l a c h i e v e m e n t s , o n t h e o n e h a n d , t h e r e a r e f e w s y s t e mi c e x p e r i m e n t s t o s t a n d u p e x i s t i n g r a t c h e t t i n g m o d e l s a n d t h e n a t u r e o f r a t c h e t t i n g d e f o r m a t i o n h a s n o t b e e n r e c o g n i z e d , o n t h e o t h e r h a n d , t h e r e i s n o r e s e a r c h a c h i e v e m e n t s c h a r a c t e r i z i n g t h e c o n s t i t u t i v e r e l a t i o n b e t w e e n r a t c h e t t i n g s t r a i n a n d c o n t r o l l e d s t r e s s . e n g i n e e r i n g m a t e r i a l s a r e o f t e n l o a d e d i n t h e s t a t e o f s t r a i n a n d s t r e s s i n t e r a c t i o n s . s o m e s c h o l a r s h a v e c a r r i e d o u t t h e f o l l o w i n g e x p e r i m e n t s : l i m i t e d s t r a i n - c o n t r o l l e d c y c l e s a r e p e r f o r m e d b e f o r e s t r e s s - c o n t r o l l e d r a t c h e t t i n g p r o c e d u r e t o i n v e s t i g a t e t h e i n fl u e n c e o f s t r a i n - c o n t r o l l e d c y c l e s t o m a t e r i a l s r a t c h e t t i n g b e h a v i o r . a t t h e s a m e t i m e , t h e r e i s n o r e p o r t a b o u t t h e i n fl u e n c e o f p r e v i o u s l y r a t c h e t t i n g c y c l i c h i s t o r y t o s u b s e q u e n t m a t e r i a l s f a t i g u e l i f e . t h e d e g r e e o f r a t c h e t t i n g e f f e c t t o m a t e r i a l s s t r a i n - c o n t r o l l e d f a t i g u e l i f e h a s b e e n c o n c e r n e d t h e a i m o f r e s e a r c h i n g l o w c y c l e f a t i g u e u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e i s a t t a i n i n g t h e e s t i m a t i n g m e t h o d o f m a t e r i a l s l o w c y c l e f a t i g u e l i f e u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e . i t i s w e l l - k n o w n t h a t t h e m- c f a t i g u e l i f e s e s t i m a t i n g m o d e l d e m a n d s p e r f o r m i n g m a n y s p e c i m e n s l o w c y c l e f a t i g u e l i f e e x p e r i m e n t s u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e . f i r s t o f a l l , l o n g t i m e o f s t r a i n - c o n t r o l u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e d e m a n d s u p p e r p r e c i s i o n a n d s t a b i l i z a t i o n o f t e s t e q u i p m e n t s a n d t e m p e r a t u r e g e n e r a t i n g a n d c o n t r o l l i n g d e v i c e s . s e c o n d l y , t h e m- c m o d e l r e q u i r e s m o d e l p a r a m e t e r s o b t a i n e d t h r o u g h c a r r y i n g o u t m o n o t o n i c t e n s i l e 嗽 泣洛盗曰乙盆 认 础 众 西南交通大学硕士研究生学位论文 第i v 页 气 e x p e r i m e n t u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e . a c c o r d i n g l y , a m e t h o d e s t i m a t i n g f a t i g u e l i f e u n d e r h i g h t e m p e r a t u r e m u s t b e d e v e l o p e d . b a s e d o n s y s t e m i c u n i a x i a l e x p e r i m e n t s c a r r i e d o u t o n 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l a n d t 2 2 5 n g t i t a n i u m a l l o y , t h e p a p e r s p e c i a l l y i n v e s t i g a t e d r a t c h e t t i n g - e v o l u t e d r u l e s o f r a t c h e t t i n g - s a t u r a t e d a n d r a t c h e t t i n g - u n s a t u r a t e d m a t e r i a l s , t h e i n f l u e n c e o f 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l r a t c h e t t i n g e f f e c t o n s u b s e q u e n t l o w c y c l e f a t i g u e b e h a v i o r s , a n d t 2 2 5 n g t i t a n i u m a l l o y r a t c h e t t i n g b e h a v i o r s a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e . t h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e e f f e c t o n l o w c y c l e f a t i g u e b e h a v i o r s o f t 2 2 5 n g、t 4 2 n g t i t a n i u m a l l o y a n d 1 8 c r 2 n i w a w e r e a l s o r e s e a r c h e d . s o me i m p o r t a n t c o n c l u s i o n s o b t a i n e d i n t h i s p a p e r a r e p r e s e n t e d a s f o l l o ws : 1 . a n i m p o r t a n t d i s c o v e r y w a s g o t t h a t t h e r e e x i s t s m o n o t o n i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n p e a k s t r e s s a n d s a t u r a t e d r a t c h e t t i n g s t r a i n a n d t h e c o n c e p t s o f r a t c h e t t i n g s t r e s s 。 ， a n d r a t c h e t t i n g s t r e s s t h r e s h o l d a r , h w e r e d e f i n e d f o r t h e f i r s t t i me . t wo k i n d s o f mo d e l s c a l l e d a s p - s r a n d p - e r mo d e l wh i c h c a n p r e d i c t r a t c h e t t i n g - s a t u r a t e d s t r a i n a n d r a t c h e t t i n g - e v o l u t e d p r o c e s s e s o f r a t c h e t t i n g - s a t u r a t e d m a t e r i a l s r e s p e c t i v e l y w e r e g i v e n . a u n i v e r s a l u - p - r m o d e l f r o m t h e s e t w o m o d e l s w a s p r o p o s e d f o r p r e d i c t i n g r a t c h e t t i n g - e v o l u t e d r u l e s u n d e r a r b i t r a r y c y c l i c s t r e s s i n g . t h e u - p - r m o d e l i s m o r e r e a s o n a b l e i n m a t h e m a t i c a l f o r m a n d s i m p l e r o n t h e p r o c e d u r e o f p r e d i c t i n g r a t c h e t t i n g - e v o l u t e d s t r a i n t h a n t h o s e t r a n d i t i o n a l c o n s t i t u t i v e m o d e l s . t h e p r e d i c t i o n o f r a t c h e t t i n g - e v o l u t e d s t r a i n b y u - p - r m o d e l h a s b e t t e r c o n s i s t e n c y w i t h t e s t r e s u l t s . 2 . t h e r e a l s o e x i s t s t h e m o n o t o n i c r e l a t i o n s h i p b e t w e e n r a t c h e t t i n g s t r a i n a n d r a t c h e t t i n g s t r e s s f o r r a t c h e t t i n g - u n s a t u r a t e d m a t e r i a l s s u c h a s t 2 2 5 n g a l l o y . a c c o r d i n g l y , t h e p - r - n m o d e l w a s p r o p o s e d t o d e s c r i b e r a t c h e t t i n g - e v o l u t e d r u l e o f r a t c h e t t i n g - u n s a t u r a t e d m a t e r i a l s u n d e r i n d e p e n d e n t c y c l i c s t r e s s i n g w i t h p r e f e r a b l e p r e c i s i o n . 3 . t h e p a p e r p r e s e n t e d t h e p a r a m e t e r s o f u - p - r m o d e l f o r 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l a n d t h e p a r a m e t e r s o f p - r - n m o d e l f o r t 2 2 5 n g t i t a n i u m a l l o y w h i c h c a n b e u s e d i n e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d s e c u r i t y c o n t r o l 4 . s a t u r a t e d r a t c h e t t i n g s t r a i n o n l y d e p e n d o n t h e s t a t e o f m a x i m u m c y c l i c s t r e s s i n g u n d e r r a t c h e t t i n g c y c l i c s t r e s s i n g h i s t o r y , s o t h a t t h e p - s r m o d e l h a s _ _比二之 ; 认乙瓜 流 _ 遭 鱼 翌 重 兰 鲤 吐 卫 途 里 刽 鱼 丝 乞一一v v t h e a b i l i t y f o r p r e d i c t i n g s a t u r a t e d r a t c h e t t i n g s t r a i n i n r a t c h e t t i n g h i s t o r y w i t h v a r i o u s a m p l i t u d e o r m e a n s t r e s s e s . 5 . l o w c y c l e f a t i g u e l i f e o f 3 0 4 s t a i n l e s s s t e e l d e p e n d o n p r e v i o u s s a t u r a t e d r a t c h e t t i n g s t r a i n o r r a t c h e t t i n g s t r e s s a , . t h e h i g h e r o f e i t h e r o f ， ， a n d v t h e l o w e r o f s u b s e q u e n t l o w c y c l e f a t i g u e l i f e . 6. the d e f o r ma t i o n h i g h e r i se l e v a t e d t e mp e r a t u r e , t h e mo r e s e r i o u s f o r t 2 2 5 n g t i t a n i u m al l o y . a c y c l i cma y i s r a t c h e t t i n g p r o d u c e g r e a t r a t c h e t t i n g d e f o r m a t i o n a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e e v e n l o a d t h o u g ht hi s l o a d i s una bl e t o p r o d u c e a n y r a t c h e t t i n g d e f o r m a t i o n a t r o o m t e m p e r a t u r e . 7 . b a s e d o n c o m p a r i s o n b e t w e e n b o t h t r a d i t i o n a l m- c m o d e l u s e d f o r l i f e p r e d i c t i o n a t r o o m t e m p e r t u r e a n d o n e u s e d f o r l i f e p r e d i c t i o n a t e l e v a t e d t e m p e r t u r e b y l i f e r a t i o x n r , t h a t r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e p a r a m e t e r 2 .n r a n d t h e s t r a i n a m p l i t u d e a e / 2 h a s l i n e a r p r o p e r t y w a s d i s c o v e r e d . a c c o r d i n g l y , a n e w m o d e l c a l l e d 2 .- m- c w a s d e v e l o p e d i n t h i s p a p e r w h i c h c a n s i mp l i f y l o w c y c l e f a t i g u e t e s t p r o c e d u r e o f m a t e r i a l s a t e l e v a t e d t e m p e r a t u r e , s a v e t e s t t i m e , r e d u c e t e s t s p e c i m e n s a n d b e m o r e p r e c i s e f o r l i f e p r o d i c t i o n t o m e e t t h e n e e d s o f r e a c t o r v e s s e l i n t e n s i t y t e s t i n g a n d a n a l y s i s , a s e t o f s o f t w a r e n a m e d a s wi n a c q 2 . 0 h a s b e e n e x p l o i t e d . k e y w o r d s : p l a s t i c i t y ; r a t c h e t t i n g b e h a v i o r ; r a t c h e t t i n g - e v o l u t e d mo d e l : r a t c h e t t i n g a n d f a t i g u e i n t e r a c t i o n ; t e m p e r a t u r e e f f e c t _. 卜 乙 孟 j 写理东 碑 几二 月 务 西南交通大学硕士研究生学位论文第 1 页 第 1 章绪论 材料棘轮行为研究现状 工程构件，特别是受循环高压或热循环作用的管道以及受到车 轮循环碾压的钢轨等构件，因存在非对称循环应力或循环热应力作 用导致材料产生不同程度的渐增性循环塑性应变累积，这种塑性变 形循环累积称为棘轮变形 ( r a t c h e t t i n g d e f o r m a t i o n ) 。棘轮变形现象 给结构安全设计带来严峻挑战，因而己经引起了国内外学者的的广 泛重视。通常采用棘轮应变来描述棘轮变形的程度，当棘轮应变以 等速率增加或加速增长时，这种棘轮塑性累积将导致构件尺寸超标 或破坏失效。 a s m e 规范己为防范薄壁管道棘轮行为给出了设计建议， 指出 “ 为防止直径的周期性增大，对经受稳态内压载荷的轴对称壳 体应进行允许的最大循环热应力的变形限值设计” 。 材料循环棘轮变形行为方面的研究是近十年兴起的研究热点， 目前己有的工作集中在棘轮行为试验及其影响因素的研究方面，同 时还开展对单轴和多轴棘轮行为的本构描述。一般而言，制约单轴 棘轮应变6 r 的因素主要包括平均应力a m 、应力幅 v / 2 .温度 t和循 环次数n ，因而存在如下函数关系:e , = f ( q . , wl 2 , t ,n ) 。在常温下， 为得到该关系，传统做法是将注意力放在基于少量特殊棘轮试验来 建立材料应力循环本构关系以期实现对棘轮应变的理论预测。纵观 己有工作，尽管涉及影响棘轮行为因素的试验类型比较丰富，但缺 乏对单一材料棘轮应变演化规律的系统试验规律研究;目前已发展 了一些棘轮本构模型【2 - 6 ) ，但均难以描述棘轮应变演化规律全过程， 更难以预测饱和棘轮应变;考虑高温因素的材料棘轮行为及棘轮变 形应变演化规律的系统试验研究工作急需开展. 近年棘轮研究的主要试验工作有: 西南交通大学硕士研究生学位论文第 z 页 1 . 1 . 1常温单轴棘轮行为研究 1 . 1 . 1 . 1平均应力对材料棘轮行为的影响 t . h a s s a n等2 e ， 针对 c s 1 0 2 0和 c s 1 0 2 6钢开展了单轴棘轮试验， 图 1 - 1 表示的是 c s 1 0 2 0钢在平均应力为。 二= 。 . / 试= 0 . 1 5 9 、 应力幅 为 u -= 示 的 是 u m / 试= 0 .6 5 8 应力控制条件下的循环应力应变曲线; 图 1 - 2 表 c s 1 0 2 6 钢 在 平 均 应 力 为 。 二= 。 . / 喝= 0 . 1 6 (7 - 二 。 。 / 端= 0 .7 8 7 应力控制条件下的循环应力应变曲线， 应 力 幅 c o 表示相 应材料屈服应力。 文献 2 8 1 首先完成旨在减少材料循环软化和循环硬 化对后继棘轮行为影响的c . . = 1 %对称应变控制循环试验，而后进行 若干平均应力和应力幅影响的棘轮试验.研究结果表明平均应力增 加将导致塑性应变率的增加;应力幅的增加也将导致塑性应变率的 增加;两种材料在经历了初始的棘轮率衰减之后都显示了棘轮率为 常数的特性;当平均应力为负值时，棘轮率也为负值，棘轮率的绝 对值在经历了初始几周的衰减之后也显示了棘轮率为常数的特性。 飞户户润 a,. 监 呱 幼 .州而叫 图 1 - 1 c s 1 0 2 0 钢的轴向棘轮行为 2 a ) l eon 图1 - 2 c 8 1 0 2 6 钢的轴向棘轮行为t e n 西南 交 通大 学 硕士 研 究 生 学 位 业立一一一一鱼3 iff e .k r e m p 1 e ，等人对 3 0 4不锈钢开展了在恒定应力幅值条件下的 多种平均应力组成棘轮加载工况的棘轮行为试验，并指出在某一特 定的平均应力下，棘轮应变率将逐圈减少，并最终将导致棘轮循环 饱和;一旦提高平均应力的水平，又开始了新的棘轮变形，并最终 停留在一个新的饱和棘轮应变水平上。m c d o w e l l 针对两种轨道钢 c r s ( c a r b o n r a i l s t e e l ) 和 h t r s ( h e a t - t r e a t e d r a i l s t e e l ) 开展的 类似的试验也表明随着平均应力的增加，棘轮应变率增加，且最终 的棘轮应变稳定值也相应的增加。 1 . 1 . 1 . 2应力幅值对材料棘轮行为的影响 t . h a s s a n 等 ， 针对c s 1 0 2 0 和c s 1 0 2 6 钢开展的单轴棘轮行为试 验表明，在 h a s s a n 试验的循环次数范围内，应力幅值增加将导致塑 性应变累积率的增加( 见图 1 - 3 ) o y a n y a o j i a n g 等“ ， 在完成t 1 0 7 0 钢 在多级加载下的棘轮行为基础上也得出了上述结论。 1 . 1 . 1 . 3平均应力历史对材料棘轮行为的影响 e .k r e m p l = l 虽然对 3 0 4不锈钢材料开展了平均应力历史由小到 大的棘轮历史效应试验研究( 在应力幅值保持恒定的条件下) ， 但并没 有把具有先前较小平均应力历史而后继较大平均应力下的棘轮行为 与没有这种先前棘轮历史的同等应力控制条件下的棘轮行为进行比 较，因而无法反映平均应力历史对材料棘轮行为的影响。杨显杰 6 2 1 完成的3 1 6 l材料平均应力历史棘轮行为试验研究表明: ( 1 ) 当平均应 力为正时，随着平均应力的增加，该材料在拉伸方向上的棘轮应变 率明显增加;( 2 ) 对于同一加载的情形，随着循环的进行棘轮应变率 不断衰减:( 3 ) 对于具有先前较大应力循环历史而后继较小应力控制 下的棘轮率较之没有这种先前历史时的棘轮率要低得多，因而反映 了先前较大应力循环历史对后继较小应力循环下棘轮行为的影响， 而先前较小应力循环历史对后继较大应力循环下的棘轮行为没有太 大的影响。y a n y a o j i a n g 等 6 开展了 1 0 7 0钢在多级载荷步下的棘轮 行为试验并就己有的本构模型对 1 0 7 0钢的单、多轴棘轮行为的预测 能力进行了分析。对于具有两级应力循环加载的情形，第二级加载 下的应力幅值保持不变而平均应力减少但平均应力符号保持与第一 级加载下的平均应力相一致。得 出了如下结论:在 两级应力循环加 西南交通大学硕士研究生学位论文第 4页 载历史条件下， 1 0 7 0 钢材料显示了对前述加载历史很强的记忆效应， 这种记忆效应对后继棘轮行为有很强的影响，材料将产生与平均应 力方向相反的棘轮变形或随循环的进行而改变棘轮的方向。 1 . 1 . 1 . 4 应力幅值历史对材料棘轮行为的影响 y a n y a o j i a n g 等 “ ，针对 1 0 7 0 钢开展了单轴多步应级应力循环历 史棘轮行为试验的研究，其中有三步应力循环加载工况 :2 8 0 士 3 7 5 - + 2 8 0 1 4 2 5 -+2 8 0 1 3 7 5 m p a 。在第一步加载控制条件下，棘轮率随 循环周数的增加而减少，棘轮率与循环次数之间遵循指数形式的衰 减规律;在第二步加载控制条件下，与没有第一步加载历史时相比 较而言棘轮率减少。这就说明 1 0 7 0 钢在具有先前较小应力幅值棘轮 历史时，其后继较大应力幅值下的棘轮应变率较之没有先前较小应 力幅值棘轮历史时减少。而进行到第三步加载时，从迟滞回线可以 看出在第三步加载过程的前十周循环棘轮应变增加将近0 .0 3 %， 而在 接下来的 5 1 0圈循环当中棘轮应变累积不超过0 .0 1 %。从以上的试验 结果可以看出，当平均应力保持不变而应力幅值改变的多级棘轮循 环加载历史条件下，棘轮应变率随循环周数的增加而减少，但棘轮 应变演化的方向与平均应力的方向一致。 1 . 1 . 1 . 5应变循环对棘轮行为的影响 杨显杰等6 2 ， 首先对 3 1 6 l钢材料在应变控制下完成应变幅 e / 2 为 0 . 4 7 %的循环饱和试验， 然后进行应力控制下的棘轮行为试验， 研 究发现，将该试验条件下的棘轮应变演化规律与没有先前应变循环 的棘轮应变演化规律试验结果相比较，3 1 6 l钢材料在经历了先前应 变循环饱和之后，其棘轮应变率比没有先前应变循环的棘轮应变率 要小得多。 1 . 1 . 1 . 6应力循环对应变循环特性的影响 为研究材料先前应力控制循环历史对后继应变控制下的力学行 为的影响，杨显杰等 2 1 - 2 n 针对 3 1 6 l钢材料完成了单轴棘轮试验。指 出3 1 6 l材料在有先前导致拉伸棘轮应变的应力控制历史时， 其后继 对称应变控制下相同应变幅值、相同应变率情形的拉应力峰值较无 先前棘轮应力历史时的大，而压应力峰值差别不大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 5 页 1 . 1 . 1 . 7棘轮应变演化规律的研究现状 棘轮应变演化规律，即棘轮应变随循环次数、平均应力和应力 幅变化的规律，对于工程设计有重要意义。传统做法是将注意力放 在以少量特殊棘轮试验为基础建立材料应力循环本构模型以期实现 对棘轮应变的理论预测。目前已经发展了几种棘轮效应本构模型， 较为著名的有 b o w e r 模型， ， 一 ， ， 、c h a b o c h e 模型， 一 ， ， 、o h n o - w a n g 模 型 ， 一 ， 1 , j i a n g y a n y a o 模型 “ ， 一 “ ， 。 现 有本构 模型多 在 描述棘轮 演化规 律 的趋势上与试验 结果相似 ，但离精确描述还有很大 的距 离 。 t . h a s s a n l 2 0 ， 在对 d a f a l i a s - p o p o v模型i n 进行改进后的模型也仅在描述 常温单轴棘轮应变演化规律的初始几周有一定的精度，但在数周次 ( 如 1 0周)后对棘轮应变的预测值与实验结果有较大误差。图 1 - 3 , 1 - 4 为h a s s a n 模型对c s 1 0 2 6 碳钢材料在不同 平均应力呱和应力幅 几 组成的加载工况下对每周滞回环最大应变的预测情况，可见模型 预测与试验结果在多数情况下是不理想的。纵观已有工作，至今国 际上尚无文献提出过描述棘轮应变演化规律的棘轮应变演化模型。 ex ma x % 6x - 0. 7 9 二 哭。 才夕 一 _ 一 xo 厂” 多乡丁 二 . . . a 扩 二 : 七 几二 ) 一 件 “ 之 乡 多 户尸 才价 ， 乙才 o口 图 卜3 二月- . 闷 c s 1 0 2 6材料. . . . - n关系 1 0.”. 几 - . 图1 - 4 c s 1 0 2 6 材料e m . x - n关系2 ( 2 8 1 3 0 4不锈钢和 t 2 2 5 n g钦合金钢常用于航空航天工程和反应堆工 程，特别是 t 2 2 5 n g钦合金钢系我国新研制的国防工程材料，用于制 造核反应堆蒸汽发生器容器管道 。对这两类材料进行系统的常温棘 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页 轮行为规律试验研究有重要的工程应用背景，不仅可提供避免棘轮 失效的设计依据，也可参考制定存在棘轮变形结构部件的工作规程， 而且还对深入的理论研究提供数据库。作者完成了两种材料在常温 下棘轮行为的系统试验研究，给出了各材料的棘轮应变演化试验规 律，提出了适合循环饱和及循环非饱和材料的棘轮应变演化模型。 研究表明:本文提出的棘轮应变演化模型以及循环饱和棘轮本构模 型与试验结果符合得相当好，从而克服了传统本构理论难以描述循 环饱和棘轮应变演化规律的缺点，本文对影响棘轮行为的各种因素 进行了系统的研究。 1 . 1 . 2高温单轴棘轮行为研究 国内外在材料高温棘轮行为试验与理论方面的研究才刚刚起 步，截止 1 9 9 9年，国际上三大检索机构收录的相关高温棘轮的论文 仅 1 0篇左右，且只涉及特殊结构 ( 管道) 、特殊工况 ( 如管道轴向 热分布变化)引起的棘轮变形。高温棘轮应变演化规律的理论研究 尚缺乏单轴基础试验工作的支持。国内在高温棘轮行为方面的研究 仅包括杨显杰、蔡力勋等人的工作 6 1 . 6 5 . 6 6 。这种局面的部分原因是 材料在高温下的棘轮试验对试验设备的要求较高，且高温下存在较 多影响材料棘轮行为的因素，如温度、蠕变、松弛、材料表面氧化 等等。为便于获得高温下棘轮本构或棘轮演化行为的规律性认识， 在完成高温棘轮试验过程中应尽可能消除对高温棘轮演化规律研究 的不利因素影响。 m.b .r u g g l e s a n d e .k r e m p l l5 5 ，对3 0 4 钢材料在高温下开展了单轴 棘轮效应试验研究，试验温度分别为常温、5 5 0 0 c , 6 0 0 0 c , 6 5 0 0 c , 其试验过程如下:先将试样拉伸至伸长为 0 . 1 %，在保持该控制应变 的情形下开展了时间为2 1 0 0 秒的松弛试验，开展松弛试验的目的是 为了减少粘塑性理论中的粘性对应力的影响;在松弛试验之后将载 荷卸载到零，然后开展棘轮行为试验.但没有考虑高温下的平均应 力、应力幅值对材料棘轮行为的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第 7 页 蔡力勋 6 6 ， 就 3 0 4不锈钢完成t室温、3 0 0 0 c 和 6 0 0 0 c下应力幅加 载历史( 平均应力恒定) 的对比性棘轮试验研究，结果表明:高温是加 速棘轮变形的重要因素，温度越高棘轮应变率越高、棘轮变形越严 重 。 鉴于 t 2 2 5 n g钦合金用于制造核反应堆蒸汽发生器容器管道， 存在高温棘轮变形的工程背景，本文完成了 t 2 2 5 n g材料从常温至 3 3 0 0 c 高温下的棘轮行为的试验研究，试验结果表明:钦合金的棘轮 变形程度对温度十分敏感，因此必须在反应堆设计中重视棘轮效应 的危害。内容详见本文第 7 章。 1 . 1 . 3多轴棘轮行为研究的现状 近年来，国内外不少学者对多轴循环棘轮行为【， 一些试验研究和本构描述。 2 9 7 1 . 7 2 进行了 1 . 1 . 3 . 1非比例路径对棘轮率的影响 e . c o r o n a 等 5 4 ， 针对c s 1 0 1 8 和c s 1 0 2 6 钢分别开展t如图1 - 5 所示 的路径对多轴非比例棘轮行为影响试验。 井“ 一 . 奋二 丫 、 i v . c 月 v . 三 了v i ca r b o n s t e e l 6e,= 0 . 2 4 口 e . = o 刀6 s . . = 0 . 5 % 一 e9% 1.小111. 卜，: 肠尸.件 心皿洲. 沁 一 1 0 一一一2 0 x 一 一 卜n 图 1 - 5不同非比例路径下的环向棘轮应变比较 5 4 1 其中轴向循环加载控制方式为应变控制，而环向采用应力控制。 在保持各控制参量( 即， ， ) 一致的前提下， 图1 - 5 中的空心点表 示 c s 1 0 2 6 钢的环向棘轮应变累积点，而实心点表示 c s 1 0 1 8 钢的环 向棘轮应变累积点。 比较 c s 1 0 2 6 钢在三种不同的加载路径下的环向 第 1 2 页西南交通大学硕士研究生学位论文 d a y = c ( r d s ; 一 a u d d ) 利用一致性条件，a - f随动律塑性模量函数 h 用下式表示