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。

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。

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．

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。

316不锈钢蠕变-疲劳交互作用试验研究

开展了316不锈钢具有保载时间的蠕变-疲劳交互试验、先疲劳后蠕变以及先蠕变后疲劳的蠕变-疲劳交互试验。在试验数据的基础上,对316不锈钢的蠕变-疲劳交互特性进行分析,采用蠕变、疲劳损伤的线性累积原理对蠕变-疲劳交互后的寿命予以评价。结果表明,先疲劳后蠕变的交互方式对寿命的削减作用最大,其次是具有保载时间的交互方式,而先蠕变后疲劳的交互方式则有助于寿命的延长。针对这一结果采用扫描电子显微镜对试件断口进行观察,从微观角度对试验结果予以解释。

P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性

在不同温度(500~675℃)和不同应变速率(5×10^(-6)~1×10^(-4)s^(-1))下对P92钢进行了单周期应变控制蠕变疲劳试验,研究了该钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性,并建立相应的本构方程对其循环过程进行描述。结果表明:在保载阶段P92钢出现明显的应力松弛现象,当温度为500~650℃时,应力下降率相差较小,而当温度为675℃时,随着应变速率的增加,应力下降率增大;除675℃,1×10^(-5)s^(-1)条件外,用由幂函数推导出的应力松弛模型模拟得到真应力和应力松弛值随保载时间的变化曲线与试验结果相吻合,相对误差小于4.28%。在加载和卸载阶段,在应变速率一定条件下,当温度不高于550℃时,温度对应力变化率的影响可以忽略,而当温度高于550℃时,温度的影响较大,当试验温度相同时,应变速率的影响不大;用Ramberg-Ostgood模型模拟得到真应力-真应变曲线和真应力-时间曲线与试验结果吻合,相对误差小于10.37%。

蠕变-疲劳交互作用下GH4169合金的损伤机理

利用扫描电子显微镜对不同蠕变-疲劳试验条件(应变比分别为-1,0,-∞总应变范围分别为1.2%,1.6%,2.0%;拉应变保持时间分别为60,120,300,1800,5400 s)下GH4169合金试样断口及其纵切薄片上的裂纹、孔洞等损伤特征进行分析,研究了微观损伤特征与试验条件之间的联系;利用电子背散射衍射技术定性描述了孔洞和裂纹的萌生位置与发展过程,定位了蠕变损伤,分析了蠕变-疲劳交互作用下合金的损伤机理。结果表明:总应变范围、拉应变保持时间与试样寿命成反比,与裂纹源数量以及纵切薄片上裂纹、孔洞的数量与尺寸均成正比关系;而应变比对试样寿命无明显影响;试样的蠕变损伤累积随拉应变保持时长的延长呈增长趋势。

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．

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。

2.25Cr-1Mo-V钢制承压设备按ASME案例2605-1的蠕变-疲劳设计方法

2.25Cr-1Mo-V钢广泛地用于制造高温高压临氢的承压设备。ASME规范案例2605-1提供了针对该种材料的蠕变-疲劳寿命设计方法。用一个设计实例来阐述该案例的思路和设计方法,并给出了一些提高结构蠕变-疲劳寿命的措施。

一种TiAl合金的高温疲劳-蠕变交互力学行为与寿命预测方法

针对TiAl合金开展750℃条件下的低周疲劳(low cycle fatigue,LCF)和疲劳-蠕变交互(creep-fatigue interaction,CFI)性能实验,所有实验均采用应变控制,应变比为–1,应变幅为0.4%且保持恒定,应变速率为1×10–3 s–1。对TiAl合金在高温LCF和CFI实验条件下的应力-应变稳态迟滞环、循环硬化/软化、应力松弛和寿命进行研究和对比分析,并采用Morrow修正方法和本工作提出的统一寿命预测模型对TiAl合金的高温LCF和CFI寿命进行预测,最后对TiAl合金的高温LCF和CFI试样的失效机理进行分析。结果表明:(1)与高温LCF相比,TiAl合金的CFI性能在应力-应变稳态迟滞环、循环硬化/软化现象、应力松弛行为和寿命等方面均有明显区别;(2)Morrow修正方法不能对TiAl合金的高温LCF和CFI寿命进行准确预测,而本工作提出的统一寿命模型预测寿命位于实验寿命的±1.5倍分散带以内,预测能力较高;(3)TiAl合金高温LCF和CFI裂纹均萌生于试样表面,TiAl合金高温LCF试样呈现出穿晶断裂特征,而其CFI试样呈现出穿晶和沿晶的混合断裂特征。

316不锈钢蠕变-疲劳试验及规范研究

为了研究316不锈钢在蠕变-疲劳交互作用下的影响,开展保载时间的蠕变-疲劳试验和两级加载蠕变-疲劳试验,后者包括先疲劳后蠕变和先蠕变后疲劳两种蠕变-疲劳交互试验。在上述三种试验数据基础上,对316不锈钢的蠕变-疲劳特性进行分析,并对ASME规范的适用性和安全性进行了评价。本研究对蠕变-疲劳试验、ASME规范应用、第四代反应堆高温结构材料的力学特性研究及相关的评定准则具有参考价值。

基于ASME规范案例2843的加氢反应器蠕变-疲劳强度分析与考核

对ASME规范案例2843进行较为具体的解读,并在蠕变和疲劳交互作用下,结合高温加氢反应器的实例进行了说明。该蠕变-疲劳分析的过程包括应力强度校核、忽略蠕变影响的判定、应变和变形校核、蠕变分析、疲劳分析和蠕变-疲劳交互曲线验证。与ASME规范案例2605-2相比,ASME规范案例2843所适用的材料更广泛,对应的温度范围和最大服役寿命也更明确。得到的结论是:蠕变损伤的破坏大于疲劳损伤,工程实际应更多关注蠕变损伤,进行足够的结构加强,减小蠕变失效。

DD3单晶合金高温蠕变、疲劳及其交互作用机制

研究不同温度、不同应力下DD3单晶合金不同取向的疲劳、蠕变及疲劳-蠕变交互作用机制。结果表明:给定的实验条件下,DD3单晶的疲劳、蠕变及其交互作用均具有明显的各向异性,均以[111]取向的寿命最长,[001]取向次之,[011]取向最短,在相同温度和应力条件下以疲劳时的各向异性程度最为显著;DD3单晶具有较强的抗蠕变能力和相对较弱的抗疲劳能力,疲劳-蠕变交互作用中蠕变起主要作用。

12Cr1 MoV钢蠕变—疲劳交互作用特性曲线研制

在 12Cr1MoV钢母材和焊接接头两种材料的疲劳寿命、蠕变寿命和蠕变—疲劳交互作用行为试验研究工作的基础上 ,在国内首次得出了可供工程应用的 12Cr1MoV钢的蠕变—疲劳交互作用寿命评定曲线 ,并与ASME规范的相关曲线进行了比较 ,应用该曲线对一实例做了寿命评定。

ASME规范案例2605-1在承压设备高温疲劳寿命设计方面的应用

石化行业的装置正朝着大型化、高参数化方向发展,越来越多的2.25Cr-1Mo-V钢制承压设备服役在高温疲劳环境下。ASME规范案例2605-1的出版及时地满足了石化行业对该种钢材高温疲劳寿命设计方法的迫切需求。对ASME规范案例2605-1进行一些简单的介绍。

混合控制模式镍基合金蠕变变形研究

采用应力-应变混合控制(HCFI)试验方法,在650℃开展不同应变幅值、保载应力水平和保载时间下GH4169合金的蠕变-疲劳试验,研究其蠕变变形行为和蠕变-疲劳失效演变特征。结果表明:GH4169合金在HCFI试验应力保载期会持续产生蠕变变形,每周次的总蠕变量随着循环周次的增加不断增加,呈现三阶段的演化趋势。HCFI应力保载期的蠕变应变是区分于传统应变控制(SCFI)应力松弛的主要特征;同时HCFI加载能够灵活控制材料蠕变-疲劳失效过程中蠕变和疲劳损伤的比例,克服传统试验蠕变损伤易饱和的难题。

一种考虑拉伸保持效应的多轴疲劳寿命模型

通过定义考虑拉伸保载效应的CFI因子(creep-fatigue interaction factor),将拉伸蠕变损伤和疲劳损伤进行非线性耦合．根据断裂实验的观察,针对拉伸主导的裂纹萌生、扩展及破坏的多轴疲劳问题,给出了一个基于临界面方法的能量型高温多轴疲劳寿命预测模型．所给出的模型可对不同温度、不同载荷特点、不同保载时间的多轴疲劳寿命进行预测,模型的材料参数不依赖于温度和载荷．并且此方法可以很方便地推广到其它因素主导破坏的高温多轴疲劳寿命预测．通过拟合高温合金Udimet720Li单轴带保持时间的低循环疲劳(low cycle fatigue,LCF)寿命试验数据,得到了材料常数．结合黏塑性有限元分析方法,对高温双轴带保载循环载荷下Cruciform试件的寿命进行了预测,预测结果基本落在2倍分散带内,达到工程的要求,证明了该模型的有效性．

一种定向凝固镍基高温合金的高温低周疲劳行为

本文研究了一种定向凝固镍基高温合金的高温低周疲劳行为。结合对合金微观变形结构的观察,分析了温度、应变保持时间对合金低周疲劳性能的影响。结果表明,温度对合金的变形有着明显影响,在760℃以下合金呈现循环硬化,而在850℃和980℃时则表现为循环软化,这是由于合金在不同温度范围内具有不同的微观变形机制。在应变峰值、应变谷值以及同时在应变峰值和谷值分别引入保持时间后,合金的高温低周疲劳寿命均有一定程度的降低。