316L钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究

发布时间：2020-03-31 20:26

【摘要】： 在石化、化工、电力等多个行业中很多机械装备长期承受高温和交变载荷作用，造成材料损伤产生裂纹并不断扩展，最后引起泄露或爆炸，导致重大经济损失和人员伤亡等。各国学者已进行了较多的高温疲劳构件的剩余寿命评估技术的研究，取得了不少研究成果但在疲劳和蠕变共同作用下的裂纹扩展规律还没有很好的解决。本文对316L钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率进行研究。分析了高温疲劳蠕变共同作用条件下蠕变所造成的损伤，提出了基于蠕变损伤得到的蠕变裂纹扩展速率计算方法(da／dN)_c=D_c／D_0。给出了高温疲劳蠕变共同作用条件下裂纹扩展速率的计算方法(da／dN)_(total)=(da／dN)_f+(da／DN)_c。通过对316L奥氏体不锈钢在400℃、550℃、600℃下疲劳裂纹扩展试验的研究，得出了这三个温度下用Paris公式表示的疲劳裂纹扩展速率。发现Paris公式中的指数变化随着温度的增高而减少，550℃和600℃的Paris指数明显低于400℃下的Paris指数，系数变化范围也较大，并且随着温度的增高而增大。比较三个温度下的疲劳裂纹扩展速率，在ΔK介于25～45MPa·m~(1／2)之间时，三个不同温度下的疲劳裂纹扩展速率差别很小。通过对316L奥氏体不锈钢在温度为400℃时带有30s保持时间的疲劳蠕变裂纹扩展试验的研究，发现疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率比该温度下无保持时间时的裂纹扩展速率要大些。由于裂纹尖端应力水平较高，导致蠕变损伤，使裂纹扩展速率增加。实验结果验证了本文提出的基于损伤的高温疲劳蠕变裂纹扩展速率计算方法。利用扫描电镜(SEM)对316L试样断口进行显微分析，发现随着温度的改变，316L钢的断口形貌变化不大，都具有明显的韧性疲劳辉纹，氧化程度小。400℃下无保持时间试样裂纹稳态扩展时期断口形貌比该温度下带有保持时间的试样断口更为连续些。400℃下无保持时间试样的疲劳裂纹扩展路径前半段较为平滑，而后半段尤其是裂纹尖端有一些曲折，没有二次裂纹，裂纹扩展方式以穿晶扩展为主。针对多层包扎压力容器的特点，本文也对多层容器深环焊缝中缺陷进行了分析和安全评定。分析了层间贴合良好和存在未贴合的两种情况下深环焊缝缺陷的断裂疲劳性能，，结果表明层间存在未贴合的多层包扎容器，缺陷疲劳寿命明显低于贴合良好的多层包扎容器。
【图文】：

模型图,塑性,模型

图1.1塑性钝化模型下延性材料中裂纹尖端几何形状的改变，提出了描述疲劳裂纹扩展的“塑性钝化模型”，如图 1.1所示，图1.1(a)示出了循环开始时的裂纹尖端形状;随着循环应力的增加，裂纹逐步张开，裂尖材料由于高度的应力集中而沿最大剪应力方向滑移，图 1.1(b);应力进一步增大，裂纹充分张开，裂尖钝化成半圆形，开创出新的表面图1.1(c);卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失，它将在卸载引入的压应力作用下失稳而裂尖形成凹槽形;最后，在最大循环压应力作用下，又成为尖裂纹，但其长度已增加了一个△口。下一循环，又张开、钝化、扩展、锐化，重复上述过程。这样，每一应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹，称之为疲劳条纹。(三)高温疲劳断口研究疲劳断口对于工程构件损坏及事故分析是十分重要的。典型的宏观疲劳第8页共82页

蠕变损伤,保持时间,裂纹尖端,区域

316L钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究就是每个保持时间内蠕变损伤的累积，即dc(r)，这里的;表示与裂尖的距离，见图2.8，故式 (2.38)，针对恒定载荷情况可以写成:艺姚(r)一D0 (2.39)式中N表示的是材料失效时的循环次数。从图2.8可以看出，当蠕变裂纹扩展到点C时，考察点B开始进入损伤区，裂纹越接近B点，B点蠕变损伤越大。而裂纹从点C扩展到考察点B的过程中，B点累积了蠕变损伤Dc
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TG142.15

【参考文献】