基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外统一蠕变拘束参数的研究

发布时间：2020-07-24 17:40

【摘要】：蠕变裂尖拘束效应对材料与结构的蠕变裂纹扩展速率具有显著的影响,在高温结构完整性设计和评定中,需要准确地纳入这种影响。裂尖拘束分为面内拘束和面外拘束,对于试样和结构中的三维裂纹,面内与面外拘束同时存在,其主要受试样和结构几何、裂纹尺寸及加载方式等的影响。为在含裂纹高温结构的蠕变寿命评价中准确地纳入裂尖拘束的影响,需要研究和发展可同时表征面内与面外统一蠕变拘束的参数。本文通过数值模拟、实验数据和理论分析相结合的方法,主要研究基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外统一的蠕变拘束参数Ac;材料的蠕变裂纹扩展速率与统一蠕变拘束参数Ac的关联;参数Ac统一地表征焊接接头裂纹的几何拘束(面内与面外拘束)与材料拘束的能力;基于参数Ac的含轴向和环向内表面裂纹承压管道的拘束表征和拘束参数解等。论文主要研究工作与结果如下:(1)采用基于延性耗竭蠕变损伤模型的有限元法模拟得到了不同面内和面外拘束C(T)试样的蠕变裂纹扩展速率,有限元计算了这些试样裂尖前的等效蠕变应变。基于裂尖前等效蠕变应变等值线所围的面积,研究定义了一个可同时表征面内与面外蠕变拘束的统一拘束参数Ac。参数Ac可与不同面内和面外拘束试样的蠕变裂纹扩展速率形成统一的关联线,表明Ac对面内和面外拘束同样敏感,其是一个可以统一表征面内和面外蠕变拘束的参数。进一步分析表明,参数Ac与载荷水平无关,与蠕变时间(t/tred0.7)无关,与等效蠕变应变δc等值线的选取无关。参数Ac的这些特征使其便于进行拘束分析和工程应用。(2)通过三维有限元法,计算了不同几何和加载方式试样的拘束参数Ac,探明了参数Ac沿不同试样厚度的分布规律及试样尺寸的影响规律。对比分析了参数Ac和基于裂尖应力场的蠕变拘束参数R*、h和表征不同几何和加载方式试样的宽范围面内和面外拘束的能力。结果进一步表明,基于裂尖等效蠕变应变的参数Ac可用来准确定量地表征不同试样中宽范围的面内和面外拘束及其交互作用。(3)基于不同几何和加载方式试样的拘束参数Ac的计算,并结合文献中这些试样的蠕变裂纹扩展速率的实验数据和本文的数值模拟数据,研究建立了Cr-Mo-V钢和316H钢的蠕变裂纹扩展速率与拘束参数Ac的统一关联式。由关联式预测的不同几何试样的蠕变裂纹扩展速率与实验数据吻合。该关联式可望用于含裂纹高温结构的蠕变裂纹扩展寿命评价中,以提高评价的准确性。(4)采用延性耗竭蠕变损伤模型的有限元法模拟得到了不同面内和面外拘束水平焊接接头C(T)试样的蠕变裂纹扩展速率,并计算了参数Ac值。研究了参数Ac统一表征焊接接头裂纹的儿何和材料复合拘束的能力。结果表明,随几何拘束和材料拘束的增加,蠕变裂纹扩展速率加快;参数Ac可以同时表征焊接接头裂纹的几何拘束(面内和面外拘束)和材料蠕变性能失配引起的材料拘束效应。基于参数Ac建立了P92钢焊接接头裂纹的几何与材料统一拘束与蠕变裂纹扩展速率的关联式。(5)基于参数Ac,对含轴向和环向内表面裂纹承压管道的拘束进行了三维有限元计算表征。计算结果表明,裂纹前沿较深处的蠕变拘束水平比自由表面附近高,参数Ac可以表征管道表面裂纹的面内和面外蠕变拘束。管道裂纹的拘束水平随裂纹深度a/t的增加和裂纹深长比a/c的减小而增大,随管道径厚比Ri/t和壁厚t的增大而升高。计算得到了管道裂纹的拘束参数Ac的有限元解,并拟合得到了计算管道裂纹前沿最深点、表面点及裂纹前沿平均拘束值的经验公式。
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB30
【图文】：

金相图,蠕变裂纹扩展,金相图,试样

试样蠕变裂纹扩展实验的研究，依据不同蠕变载荷条件而提出了楔型沿晶裂纹扩展（Ｗ逡逑型）、晶界孔洞裂纹扩展（Ｖ型）和穿晶裂纹扩展（Ｔ型）三种蠕变裂纹扩展机理，逡逑如图１．３所示。逡逑（ａ｝逡逑，逦ｖ邋（ｂ）逦？逦＜ｃ）逡逑ｆＰｈ邋，邋ｒ邋－邋＾逡逑１１＾；逦？邋＾，ｒｎｒ逡逑图１．３邋８００Ｈ合金Ｃ（Ｔ）试样蠕变裂纹扩展金相图，Ｗ型（ａ），Ｔ型（ｂ）和Ｖ型（ｃ）丨９９丨逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ邋ｏｆ邋ｃｒｅｅｐ邋ｃｒａｃｋ邋ｇｒｏｗｔｈ邋ｏｆ邋Ｃ（Ｔ）邋ｓｐｅｃｉｍｅｎ邋ｆｏｒ邋８００Ｈ邋ａｌｌｏｙＷ－ｔｙｐｅ邋（ａ），邋Ｔ－ｔｙｐｅ邋（ｂ）邋ａｎｄ逡逑Ｖ－ｔｙｐｅ邋（ｃ）［９９］逡逑

焊接接头,临界区,裂纹,钢焊接

第１０页逦华东理工大学博士学位论文逡逑在均质材料中，几何拘束（结构几何尺寸、裂纹尺寸及加载方式）影响着裂纹尖端的逡逑应力－应变场［８２＿８５］，从而也影响着ＣＣＧ速率［８９］。在实际工业中，许多构件都是通过焊逡逑接工艺加工制造的。许多实验及研究表明，焊接接头中的材料拘束效应导致了焊接接头逡逑中应力应变场的复杂分布，最终在焊接接头中形成局部多轴应力状态，从而导致焊接接逡逑头成为高温构件中蠕变裂纹起裂（ＣＣＩ）及蠕变裂纹扩展（ＣＣＧ）的薄弱区域，因此，高温构逡逑件的蠕变断裂事故经常发生在焊接接头中［４８］。Ｈｏｌｄｓｗｏｒｔｈ［１Ｑ（）］通过对Ｐ９１及Ｐ９２逡逑（９Ｃｒ０．５Ｍ0ｌＷＶＮｂ）钢焊接接头的ＣＣＧ实验证明了接头中不同微观组织蠕变损伤的差异逡逑决定了焊接接头的ＣＣＧ路径。由于其微观组织的不同，对于裂纹位于ＩＣＨＡＺ内的Ｐ９１逡逑钢焊接接头，其裂纹仍在此区域内直线扩展（图１．４（ａ）），而对于同样裂纹位置的Ｐ９２逡逑钢焊接接头，其裂纹既在原始裂纹面内直线扩展也会在成分较为复杂的熔合区内形成二逡逑次裂纹（ＳＣ）（图邋１．４（ｂ））。逡逑

钢焊接,焊接接头,裂纹,蠕变损伤

（９Ｃｒ０．５Ｍ0ｌＷＶＮｂ）钢焊接接头的ＣＣＧ实验证明了接头中不同微观组织蠕变损伤的差异逡逑决定了焊接接头的ＣＣＧ路径。由于其微观组织的不同，对于裂纹位于ＩＣＨＡＺ内的Ｐ９１逡逑钢焊接接头，其裂纹仍在此区域内直线扩展（图１．４（ａ）），而对于同样裂纹位置的Ｐ９２逡逑钢焊接接头，其裂纹既在原始裂纹面内直线扩展也会在成分较为复杂的熔合区内形成二逡逑次裂纹（ＳＣ）（图邋１．４（ｂ））。逡逑一邋￣邋一邋—逡逑。，—Ｉ逦。丨：：＿逡逑—ＰＭ邋ＩｈａｚＩｗｍ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．邋４裂纹位于临界区内侧的焊接接头ＣＣＧ损伤图，（ａ）Ｐ９１焊接接头，（ｂ）Ｐ９２焊接接头＿］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｒｅｅｐ邋ｄａｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｗｅｌｄｅｄ邋ｊｏｉｎｔｓ邋ｗｉｔｈ邋ｉｎｉｔｉａｌ邋ｃｒａｃｋ邋ｌｏｃａｔｅｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ＩＣＨＡＺ，邋（ａ）逡逑Ｐ９１邋ｗｅｌｄｅｄ邋ｊｏｉｎｔ，邋（２）邋Ｐ９２邋ｗｅｌｄｅｄ邋ｊｏｉｎｔ［１００］逡逑５３邋＇逦0邋＞邋：逦Ｂａｓｅ逡逑，ｇ逦－－＾＾ｅｐｃｒａｃ，逡逑＝逦ｎ0ｔｃｈ逦Ｃｈａｚ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑ＢＨ邋Ｉ

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