试样几何引起的蠕变拘束效应及其定量化表征

【摘要】：本文运用有限元方法(FEM)系统研究了高温蠕变条件下CT试样几何引起的裂纹尖端的拘束效应。以FEM计算的高拘束CT试样(a/W=0.5)的应力场为参考场定义了蠕变拘束参数R,用R对蠕变裂尖拘束效应进行了定量化的表征与分析研究,总结出了试样几何,载荷水平和蠕变时间对蠕变拘束效应的影响规律。论文的主要研究结果如下： (1)CT试样几何(包括不同裂纹深度、试样厚度和试样高度)引起的蠕变拘束效应可以用蠕变拘束参数R来表征和分析。外加载荷水平越高,试样几何引起的蠕变拘束效应越明显。在蠕变的早期阶段,几何引起的蠕变裂尖拘束随蠕变时间变化较大,随着时间越趋近于稳态蠕变阶段,拘束逐渐趋于平稳,基本不随时间发生变化。 (2)试样厚度和高度一定时,裂纹深度a/W=0.35-0.5的CT试样具有最大的蠕变拘束,非稳态蠕变时裂纹深度引起的拘束效应比稳态蠕变时明显。对于高度W较大的大尺寸试样,由于裂纹深度不同而引起的蠕变裂尖应力场之间的差异不大,这时可以忽略由于裂纹深度不同而引起的裂纹尖端拘束效应。裂纹尖端的拘束也随试样厚度的增加而增大。三维试样的拘束介于平面应变和平面应力两种极限情况之间。在三维试样的中心面处存在着高拘束区域,该区域的尺寸随试样厚度的增加而增大,却随蠕变时间和载荷水平而逐渐减小。 (3)用含损伤模型的FEM方法研究了CT试样裂尖拘束对蠕变裂纹起裂时间和蠕变断裂韧性的影响。发现蠕变裂纹起裂时间具有随拘束水平的增加而降低的趋势。拘束R对蠕变脆性材料的蠕变断裂韧性值Kmatc基本没有影响；而蠕变延性材料的Kmatc随拘束参数R的增加而降低。 (4)用含孔洞的FE模型研究了蠕变断裂过程区的尺寸对裂纹深度引起的裂尖拘束效应的影响。结果表明,高拘束的深裂纹试样的损伤大于低拘束浅裂纹试样。若试样的蠕变裂纹起裂发生在稳态蠕变之后,则蠕变断裂过程区尺寸越小,裂纹深度引起的拘束效应越明显。 上述结果为建立拘束相关的高温含缺陷结构的寿命预测和安全评定方法奠定基础。