一种新的疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型

一种新的疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型

疲劳-位移相互作用是在高温环境下传递的设备损失的主要机制。对高温设备的选择、设计和安全评估具有重要意义。这一直是设计和科学的中心问题。许多科学家提出了相应的预期寿命预测模型[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10]。这些模型主要用于预测和控制的疲劳-位移相互作用。对应力控制的疲劳-位移相互作用的死亡预测率较低，大多数模型需要对材料中的纯粹疲劳和纯蠕变试验数据的应用。这对工程应用非常不方便。基于以上条件，提出了能有效应用于工程实际情况的劳动-位移预测模型。本文在回顾已有疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型基础上,从反映物系运动的能量守恒定律和动量守恒定律出发,对材料疲劳-蠕变交互作用下的破坏过程进行了分析,推导出一个新的疲劳-蠕变交互作用的寿命预测模型.为检验该模型的准确性,进行了1.25Cr0.5Mo钢光滑试样540℃和520℃环境下应力控制的梯形波加载试验,用该模型进行了上述两种温度环境下的疲劳-蠕变交互作用的寿命预测.1应力应变循环中的非弹性应变.关于疲劳-蠕变交互作用的寿命预测,目前有很多一维的预测方法:寿命-时间分数法、应变范围划分法(SRP)、应变能划分法(SEP)、应力松弛范围法,金相学寿命预测方法和延性损耗法等,而三维问题的研究一般是在一维理论的基础上引入相当参量来进行描述.①寿命-时间分数法寿命时间分数法认为,材料疲劳-蠕变交互作用的损伤为疲劳损伤和蠕变损伤的线性累积,即其中Nf为疲劳寿命,Ni为疲劳循环周次,tR为蠕变破坏时间,ti为蠕变保持时间.考虑到拉伸保持和压缩保持的区别,Lagneborg、Attermo和谢锡善等在上式基础上,提出了相应的改进其中Df、Dc分别为疲劳损伤和蠕变损伤,A、B为疲劳-蠕变交互作用系数.此种方法简单易行,但是需要获得相应温度环境下纯蠕变和纯疲劳的试验数据.②应变范围划分法(SRP)应变范围划分法由Manson提出,基本观点是:对于与时间相关和时间无关的两类应变,即使应变的量相同,其所引起的损伤也不相同.考虑蠕变与疲劳的交互作用,把一个应力应变循环中的非弹性应变范围Δεin。按性质不同分成纯机械的应变范围分量和与时间有关的应变范围分量组合,然后确定每一部分所引起的损伤,求和得出总的损伤.其具体表述为其中Cij、βij为材料常数.应变范围划分法的应用比较广泛,但是的获得需要不同类型的循环试验数据.③应变能划分法(SEP)何晋瑞等提出应变能划分法(SEP),其基本思想为:认为决定疲劳损伤的主要因素是消耗于裂纹扩展时所需的非弹性应变能,并假设只有使裂纹张开的拉伸迟滞徊线面积所代表的应变能才会产生疲劳损伤,使微裂纹扩展.SEP法继承了SRP法关于不同应变范围对损伤起不同贡献的观点,建立了各应变能分量与寿命的关系:其中Cij、βij为试验确定的材料常数,aij为拉伸应变能与矩形面积σmaaxΔεp之比.按照线性累积损伤法则,得到如下寿命估算公式,为权系数.此方法法与SRP法都需要不同类型的循环试验以得到各种参数.④应力松弛范围法应变控制模式时,长保持时间的蠕变疲劳交互作用,将出现较大的应力松弛,应力松弛蠕变效应是长时间保持下蠕变疲劳寿命降低的主要原因.NamSooWoo等从这一观点出发,将应力松弛范围引入蠕变疲劳寿命预测模型当中.由寿命与保持时间的关系、保持时间与应力松弛范围的关系,推导出规范化的寿命预测方法其中Φ、f为材料常数.由于应力松弛范围是保持时间、初应力、应变水平、温度等参量的函数,因此式(9)可用来预测不同保持时间、不同波形、不同应变范围下的寿命.可将不同条件下得到的Coffin-Manson曲线规范化,得到一条主曲线.应力松弛范围法适用于应变控制模式下的疲劳-蠕变交互作用的寿命预测.⑤延性损耗法GoswamiTarun对Cr-Mo钢疲劳-蠕变交互作用进行过大量研究,提出了一种新的延性耗散寿命预测模型其中Δσ为应力范围,厶εp为塑性应变范围,厶εt为总应变范围,为应变速率,Δσs为半寿命处的饱和应力,K、A、m和n为材料常数.该模型是在应变控制模式下、应变速率和粘性流的概念基础上建立起来的,适于应变控制下、塑性应变占主要地位的Cr-Mo钢疲劳-蠕变交互作用下的寿命预测.⑥金相学寿命预测方法Nam,SooWoo等根据奥氏体不锈钢蠕变孔洞形核、长大机理,提出新的一种损伤参量.这种损伤参量适用于描述以晶界蠕变孔洞为主的材料破坏.此种方法需要知道蠕变的孔洞面积、晶界厚度,晶界扩散率及原子体积等微观量.综上所述,已有的疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型大都需要大量的不同类型的试验数据,或者是针对应变控制模式下的疲劳-蠕变交互作用,应用起来十分不便,且不能适用于应力控制的情况.本文从从反映物系运动的能量守恒定律和动量守恒定律出发,推导出一个新的疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型,力求有较好的理论基础和简单的模型表达式,并且能适用于应力控制的疲劳-蠕变交互作用.2应变控制和应力控制模式下试样的疲劳-评估和寿命预测将试验用试样看成一个处于一定温度环境中的物系,并且试样是连续致密的材料.因此,试样的破坏过程满足能量守恒定律和适用于连续材料的运动定律.能量守恒定律的定义为:物系能量的增加量恒等于输入的能量,可以表示为其中W为作用于物系的功,Q为物系与环境之间的热交换,E为物系的内能,K为物系的动能.连续体动量守恒定律可以表示为其中符号(),i表示对空间坐标xi的偏导数.由上述分析可知,试样的破坏满足能量守恒定律式(11)和动量守恒式(12),式(11)中的各项参量可展开为其中p为物体密度,e为单位质量的内能,v为速度,h为热通量,γ为单位质量热供给,s为应力,f为体积力.将式(12)和式(13)带入式(11),可得到能量守恒定律的局部表达式可将式(14)变形为其中等号左边项为单位质量内能变化率,等号右边第一项为单位时间内的机械功,第二项为单位质量的热能变化率.试验是在处于恒定温度环境中进行的,试样的热能变化只能是试样的形变导致的局部地区温度变化产生的,而试样的形变是由机械功引起的.因此,式(15)等号右边可表示为机械功的函数,机械功通过应变能来反映,可将式(15)改写为其中η为应变能的内能转化率,Wt为总应变能.内能是系统状态的函数,当系统从一个状态变化到另一个状态时,不管它的变化过程如何,内能的改变总是一个定值.因此,用内能描述试验中试样的状态,试样从初始状态到最后破坏的过程可看成是试样内能变化的过程.对于同一根试样,在外部环境条件不变的情况下,从初始状态到最后循环破坏状态的内能改变量是恒定的.试样在承受疲劳-蠕变交互作用的循环中,内能的改变是逐渐进行的,每一次循环后其状态都发生变化,直到最后循环破坏.由弹塑性力学可知,加载过程中的弹性变形是可恢复的.因此对于一个疲劳-蠕变交互作用的循环,从循环开始到循环结束时试样的内能改变只和非弹性变形有关,定义式(16)中的η为其中Δein为非弹性应变范围,ΔWt为总应变能密度.在实际应用中,为便于计算,定义函数g为power函数,并按SEP法来定义非弹性变形产生的应变能,将式(17)改写为其中m为材料常数.将式(17)、式(18)带入式(16),得到如上所述,用内能描述试验中试样的状态,在外部环境条件不变的情况下,同一根试样从初始状态到最后循环破坏状态的内能改变量是恒定的.因此,在不考虑试样的制作误差基础上,认为在恒定的温度环境下和一定的应力幅度范围内,试样从初始状态到最后破坏状态的内能改变量是一个定值.对式(19)两边进行积分,可得按定积分的分割原理,将式(20)写成每一循环的各参量累加形式其中Δei为每一循环的内能改变量.用表示试样从初始状态到最后破坏状态的内能改变量,并将处理到右边的常数项,将式(21)改写为此式即可用来进行材料疲劳-蠕变交互作用的寿命预测.用式(22)进行疲劳-蠕变交互作用的寿命预测,物理意义明确,对于应变控制和应力控制模式下的疲劳-蠕变交互作用寿命预测都能适用,所需要的试验参数获取容易且数目较少.3疲劳-探索基寿命预测模型为了检验本文提出的疲劳-蠕变交互作用的寿命预测模型的准确性,进行了1.25Cr0.5Mo钢光滑试样540℃和520℃环境下应力控制的梯形波加载试验,按式(22)进行疲劳-蠕变交互作用的寿命预测,具体的试验条件见文献.试验中不可能对每次循环进行采样,因此用的平均值乘上断裂寿命代替式(22)中的累加项进行寿命预测,即采用进行寿命预测.其中的Δein、ΔWt通过计算循环稳定段的平均值获得,当循环中的参量变化较快而没有稳定段时取半寿命处的参量值代替.总应变能密度通过对加载的应力-应变曲线积分得到,循环过程中的非弹性应变通过每个循环起始点和结束点和应变值之差获得.具体试验计算结果和预测结果在图1和图2中给出.图l(a,b)为1.25Cr0.5Mo钢光滑试样540℃和520℃环境下疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型式(23)的拟合曲线,拟合关系式为其中R为曲线拟合相关系数.例因子为2的误差带以内,按照通用的比例因子分析法,本文提出的疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型具有较好的预测效果;并且该模型具有一定的理论基础,对于应变控制和应力控制模式下的疲劳-蠕变交互作用寿命预测都能适用,所需要的试验参数获取容易且数目较少.4疲劳-探索的寿命预测模型通过1.