高温合金的蠕变及疲劳-蠕变-环境交互作用规律和机理

综合了中国科学院金属研究所高温合金和金属间化合物研究组在高温合金蠕变研究方面的主要成果:蠕变和断裂规律及其机理,蠕变-环境交互作用及其机理,蠕变阻力模型以及疲劳-蠕变-环境交互作用规律及其机理。

蠕变-疲劳交互作用下P91钢变形行为研究进展

P91钢被广泛应用于热电机组的蒸汽管道中。近年来,峰值负荷调节导致了管道部件的蠕变-疲劳相互作用,构件常出现早于预期寿命的失效。针对这一问题,本文综述了P91钢在蠕变-疲劳交互作用下的力学响应、微观组织演化、裂纹萌生扩展规律三个方面的研究成果与进展。首先通过对比不同条件下蠕变-疲劳加载方式,论述了蠕变-疲劳变形过程中材料的微观组织演化规律。最后,根据载荷保持时间、加载频率、平均应力与应力幅的关系等外部服役条件的不同,阐述了P91钢微裂纹的萌生、扩展行为。

X12CrMoWVNbN10-1-1钢的蠕变-疲劳交互作用及断裂机理

在620℃下对X12CrMoWVNbN10-1-1钢进行不同应力比(0.2~0.4)和保载时间(0.3~1.5 h)下的载荷控制的高位保载蠕变-疲劳试验,对其蠕变-疲劳交互作用及断裂机理进行了分析。结果表明:试验钢的蠕变-疲劳寿命与保载时间呈指数关系,保载时间越长,应力比对蠕变-疲劳寿命的影响越小;从应变角度定义的蠕变-疲劳交互作用因子能够很好地反映稳定阶段的真应力-真应变迟滞回线与蠕变-疲劳寿命的相互作用;试验钢的蠕变-疲劳断裂模式为韧性断裂;当保载时间较短(0.3,0.5 h)时,疲劳损伤抑制蠕变损伤,损伤主要受循环中的疲劳载荷控制,断口中韧窝由疲劳主导作用下的晶界滑移变形引起;当保载时间较长(1.0,1.5 h)时,疲劳损伤促进蠕变损伤,损伤主要受与时间有关的蠕变载荷控制,断口中韧窝由夹杂物或第二相颗粒脱落所致。

氢含量对锆合金蠕变-疲劳行为的影响及机理研究

针对反应堆用锆合金渗氢后易发生蠕变-疲劳失效问题,采用频率修正应变寿命法和频率修正滞回能法研究了再结晶状态的锆合金在320oC、不同渗氢含量下的蠕变-疲劳行为。结果表明:随保持时间增加,无渗氢试样的抗蠕变-疲劳性能降低,但保持时间30 s以上时无明显影响;保持时间对渗氢试样的抗蠕变-疲劳性能无影响。不同保持时间下,未渗氢试样的抗蠕变-疲劳性能最好,0.04%氢含量试样的性能最差,0.005%氢含量在高应变水平(高滞回能)下的抗蠕变-疲劳性能弱于0.02%氢含量试样,而在低应变水平区域优于0.02%氢含量试样。氢含量的影响机理为:固溶氢可提高蠕变-疲劳寿命,氢化物可降低蠕变-疲劳寿命;0.04%氢含量试样中氢化物起主导作用,导致其蠕变-疲劳性能最差。

考虑蠕变三阶段的哈氏合金X蠕变-疲劳裂纹扩展模拟

结合应变硬化定律和连续损伤力学,提出了一种考虑蠕变3阶段的本构模型,对650℃下的哈氏合金X的CT试样进行了裂纹扩展有限元模拟分析.对比分析了不同蠕变阶段对纯蠕变裂纹扩展的影响,使用考虑蠕变3个阶段的本构模型进行了蠕变-疲劳裂纹扩展模拟,讨论了载荷幅值、载荷比和保载时间对裂纹扩展速率的影响,并分析了每种载荷条件对裂纹扩展期间损伤积累的贡献.结果表明:纯蠕变裂纹扩展模拟结果中,考虑所有蠕变阶段的本构模型计算结果与实验结果一致性最高.载荷从5 kN增加到7 kN,考虑蠕变第Ⅰ、Ⅱ阶段的裂纹扩展速率平均预测差异由0.57增至0.61,考虑蠕变第Ⅱ阶段和考虑蠕变第Ⅱ、Ⅲ阶段分别由0.67减至0.64、由0.16减至0.07.蠕变-疲劳裂纹扩展模拟结果显示,随着载荷幅值从5 kN增大至7 kN,载荷比从0.01增至0.50,裂纹扩展速率前者增大、后者减小,da/dt-C t,avg曲线斜率基本不变,同时蠕变损伤占比增大,疲劳和交互损伤占比减小,各加载情况结果的蠕变损伤均占主导,其次为交互损伤,疲劳损伤占比最小.随保载时间从1 s增加到1800 s,循环相关的裂纹扩展速率增大,时间相关的扩展速率减小,da/dt-C t,avg曲线斜率增大,蠕变损伤增大,疲劳损伤减小,交互损伤先增后减,保载时间为10 s时各损伤占比近似相等,保载时间为1 s时疲劳损伤为83%,保载时间为600 s时蠕变损伤为96%.

载人潜水器有机玻璃视窗蠕变-疲劳特性分析

通过对棒状有机玻璃试样进行短期蠕变试验,揭示载人潜水器视窗玻璃材料的蠕变特性。开展有机玻璃蠕变断裂试验,获得有机玻璃材料的蠕变断裂寿命,给出蠕变断裂时间和保载应力水平成双对数线性相关的结论及相应的线性拟合方程,并开展拉伸疲劳试验获得不同峰值应力下的拉伸疲劳寿命。对300 m观光潜器有机玻璃视窗在不同下潜深度下的应力水平进行分析,并结合基于线性累计损伤理论的时间寿命分数法,实现对300 m载人潜水器有机玻璃视窗考虑保载蠕变的疲劳寿命估算。

1.25Cr0.5Mo钢疲劳-蠕变交互作用的损伤研究

以连续损伤力学(CDM)的经典损伤理论为基础,对疲劳、蠕变及其交互作用下的损伤演化分别进行了研究,进而推导出一个新的疲劳-蠕变交互作用的损伤模型．为将上述模型方便的运用于工程实际之中,通过1．25Cr0．5Mo钢光滑试样540℃环境下应力控制的梯形波加载实验,对工程中容易测量的轴向变形即平均应变的变化规律进行了研究,选取平均应变的变化作为损伤变量,用上述模型进行了1．25Cr0．5Mo钢光滑试样540℃下的疲劳-蠕变交互作用的损伤描述,结果表明实验损伤点与该模型的损伤演化规律符合较好．在上述模型和平均应变变化规律的基础上,对工程上如何进行失效判定进行了相应的探讨．

P91钢蠕变-疲劳交互作用应变特征与寿命预测

对电厂用关键材料P91钢在546℃下进行应力控制的蠕变疲劳交互作用研究,分别对滞回线,全应变范围,平均应变和非弹性应变进行分析和讨论。基于应力控制蠕变-疲劳交互实验特点,考虑了上下保载时间对寿命的影响,采用改进型的频率修正法对P91钢进行寿命预测。研究结果表明:应力控制下的蠕变-疲劳交互作用,使P91钢呈现兼有循环蠕变与静蠕变的失效形式,随着循环数的增加,滞回线向右移动:非弹性应变影响了蠕变-疲劳交互寿命,其增长速率随着材料寿命的减小而增大。寿命预测结果与试验结果吻合较好,95%的数据点落于2倍误差带范围之内。研究结果为P91钢蠕变疲劳寿命预测提供了理论和实验基础。

镍基高温合金的蠕变-疲劳交互作用行为及寿命预测

通过进行具有拉伸保持、压缩保持和拉－压保持的全反向总应变控制的低周疲劳实验，对镍基高温合金ＧＨ４０４９的蠕变－疲劳交互作用行为进行了系统的研究。结果表明，在较高的总应变幅下，合金首先发生循环应变硬化而后则发生软化直至断裂，而在低的总应变幅下则表现为循环稳定。由于压缩应变保持和拉－压应变保持的介入，合金的疲劳寿命将显著降低，但拉伸应变保持对疲劳寿命的影响则取决于总应变幅。拉伸保持或压缩保持时将分别产生平均压应力或拉应力。扫描电镜断口观察结果表明，裂纹萌生和第Ⅰ阶段的扩展均为穿晶形式，而第Ⅱ阶段的裂纹扩展则主要为沿晶形式。此外，利用线性累积损伤法则对蠕变－疲劳寿命进行了预测。

P92钢焊接接头蠕变-疲劳交互作用下高温断裂参量表征及失效评定曲线的建立

在610℃下,对超超临界火电机组用P92钢主蒸汽管道的焊接接头进行了蠕变-疲劳交互作用裂纹扩展试验。获得了蠕变-疲劳裂纹扩展速率,并进行了高温断裂参量的表征,同时,结合P92钢焊接接头蠕变与拉伸试验,建立了P92钢焊接接头材料与时间相关的失效评定曲线(TDFAD)。研究结果表明,试样断口微观形貌特征显示出其蠕变–疲劳交互作用下的裂纹扩展主要是由蠕变因素主导的。每条蠕变裂纹扩展速率与高温断裂参量C*的关系曲线中均存在一个拐点,这个拐点的产生过程即为蠕变裂纹扩展的孕育阶段。采用修正R6中Option2的方法建立了TDFAD,该方法充分考虑了蠕变因素的影响,能够获得较安全的评定结果。

P91钢的蠕变-疲劳交互作用研究现状

综述了国内外关于P91钢的蠕变-疲劳试验,以及前人在试验数据基础上开展的蠕变-疲劳交互作用研究和蠕变-疲劳寿命预测模型研究。综述前人的研究成果,得到了以下结论:应变控制的蠕变-疲劳试验,试验过程中保载时间会发生变化;应变控制的蠕变-疲劳试验认为蠕变与疲劳互相促进作用,应力控制的蠕变-疲劳试验认为疲劳抑制了蠕变;修正的延性耗损模型较适用于预测P91钢的蠕变-疲劳寿命;试验条件相同的情况下,对于CF(Creep-fatigue)试验与RF(Re-laxation Fatigue)试验,CF寿命明显小于RF寿命;利用ASME规范预测的寿命偏于保守,利用RCC-MR/DDS规范预测的寿命稍高于试验值。

3种高温合金的蠕变-疲劳交互作用行为及寿命预测

通过在816和927℃下进行总应变控制的不同拉伸应变保持时间的低周疲劳实验,研究了3种高温合金(HAYNES 188,HAYNES 230和HASTELLOY X)的蠕变-疲劳交互作用行为．结果表明,这3种高温合金的应变疲劳寿命主要取决于合金类型、应变保持周期及实验温度．这些高温合金所表现出的不同应变疲劳寿命行为可归因于蠕变和氧化损伤方面的差异．此外,应用频率修正的非弹性拉伸应变能作为损伤函数对这3种合金进行了应变疲劳寿命预测,结果显示该寿命预测方法对3种高温合金均表现出较好的寿命预测能力．

深潜器钛合金室温蠕变-疲劳损伤模型及数值研究

针对钛合金深潜器耐压壳在实际作业过程中疲劳与蠕变损伤相互促进的现象,本文提出了适用于室温环境下钛合金材料的蠕变-疲劳损伤模型和数值模拟方法。基于连续损伤力学理论建立了蠕变-疲劳损伤模型,并通过单轴蠕变-疲劳试验标定了参数;将该模型用子程序进行定义,通过有限元软件二次开发模拟了紧凑拉伸试件蠕变-疲劳损伤演化过程,并将数值模拟结果与试验结果对比。试验结果表明:超过90%的数据点预测结果的相对误差包络在±50%范围内,紧凑拉伸试件蠕变-疲劳寿命的模型预测结果与试验值误差为2.9%。本文所提出的模型和数值模拟方法可以很好地描述钛合金结构的室温蠕变-疲劳失效过程。

疲劳-蠕变交互作用的寿命预测探讨

从反映物系运动过程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.与已有的疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型相比,本文提出的模型具有适用性强(对于应力控制模式和应变控制模式均适用)、形式简单、所需参数少和应用方便等优点.为检验本文提出模型的准确性,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,用本文提出的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,预测结果与实际测量结果符合较好.

一种疲劳-蠕变交互作用寿命预测模型及试验验证

基于延性耗竭理论和损伤力学,对材料疲劳-蠕变交互作用下的延性消耗、损伤、循环周次和失效寿命之间的关系进行了分析,在此基础上,建立了一种疲劳-蠕变交互作用的寿命预测模型,模型形式简单,非常便于实际工程应用。通过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,用该模型进行了失效寿命的预测,可以很好地解释相同温度和加载条件下的寿命波动,预测结果与实测结果符合较好。

P92钢蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展行为

在630℃下,对P92钢进行应力控制下的蠕变-疲劳交互作用实验,研究P92钢高温蠕变-疲劳交互作用下的裂纹扩展行为,并结合断口形貌分析蠕变-疲劳裂纹扩展的机理以及a-N曲线的转折点含义。结果表明:P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的断裂属于蠕变韧性断裂,应该用(C_t)_(avg)作为裂纹扩展的断裂参量;P92钢在蠕变-疲劳交互条件下,试样的断口主要表现为蠕变孔洞以及微裂纹。此外,发现a-lg(N_i/N_f)曲线以及(da-dN)-N曲线中的拐点,分别对应蠕变-疲劳裂纹萌生区向扩展区转变周次以及扩展区向瞬断区转变的周次。

残余应力与拘束对GH4169合金疲劳及蠕变-疲劳裂纹扩展速率影响研究

为深入理解残余应力与拘束在疲劳载荷下的交互作用,以镍基高温合金GH4169为研究对象,选用紧凑拉伸(CT)试样,对不同拘束CT试样的上方施加不同大小的预加载荷从而在裂尖产生不同应力。将该应力作为残余应力,系统研究残余应力和拘束交互作用下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率。结果表明:随着裂尖残余压应力的增加,不同拘束下GH4169合金的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率均降低。与低拘束试样相比,高拘束试样的疲劳和蠕变–疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感,这主要与裂尖Mises应力和垂直于裂纹扩展方向的正应力有关。与疲劳裂纹扩展速率相比,蠕变-疲劳裂纹扩展速率对残余应力的变化更加敏感。

一种基于熵增理论的疲劳-蠕变交互作用损伤模型及试验验证

根据经典热力学理论,材料疲劳-蠕变交互作用下的损伤过程可视为系统熵增的累积,当熵增积累到临界值时,材料发生失效断裂。按此理论,并基于连续损伤力学和能量守恒定律,以系统熵增的变化来描述材料损伤,建立了一种疲劳-蠕变交互作用的损伤模型。为验证该模型,进行了540℃和520℃环境下1.25Cr-0.5Mo钢应力控制的梯形波加载试验,以材料的残余应变反映熵增积累,选取残余应变的变化作为损伤变量,用上述损伤模型进行了材料疲劳-蠕变交互作用的损伤演化描述,结果表明实测损伤点数据与该模型的损伤演化规律符合较好。

1.25Cr0.5Mo钢的高温疲劳-蠕变交互作用行为

通过1.25Cr0.5Mo钢高温环境应力控制的疲劳-蠕变交互作用试验,揭示和分析了1.25Cr0.5Mo钢高温疲劳-蠕变交互作用下应力循环特性以及平均应变、非弹性应变范围等参数随温度、加载历史、加载水平的变化规律,在此基础上,利用扫描电镜对试样断口进行了分析。研究表明:高温环境下,材料的应力循环特性依赖于加载水平和加载历史,平均应变、非弹性应变范围等参数依赖于温度、加载水平和加载历史,材料的断裂从以解理断裂为代表的脆性断裂过渡到以韧窝型剪切断裂为代表的延性断裂,为混合型断裂。

耦合蠕变损伤的粘塑性模型用于疲劳-蠕变交互作用的研究

该文对550℃下30CrMoNiV5-11转子钢进行了轴向应力控制的带保持时间的疲劳实验.按照Le-maitre有效应力的概念,采用Kachanov损伤演化方程,推导了耦合损伤的粘塑性流动方程和随动硬化方程,使用返回映射和向后欧拉方法实现应力更新,并在有限元软件ANSYS的接口程序UMAT中嵌入用户程序.对试样疲劳-蠕变交互行为进行模拟,结果表明,耦合蠕变损伤变量后,模拟结果较不含损伤变量模型的模拟结果精度大为提高.