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《浙江大学》 2007年
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典型压力容器用钢中高温环境低周疲劳和疲劳—蠕变交互作用的行为及寿命评估技术研究

陈凌  
【摘要】: 在石油化工、动力、航空航天等部门中,大量压力容器与各类承压设备长期处于高温条件下工作。随着我国工业技术的迅速发展,这些设备承受越来越高的温度和越来越复杂的载荷作用,要求这些设备具有一定的可靠寿命期已成为一个十分突出的问题。在高温和循环载荷下,压力容器和承压设备的典型失效模式主要为疲劳、蠕变及其交互作用。本文以压力容器典型用钢316L和1.25Cr0.5Mo为研究对象,对压力容器用钢中高温环境下的低周疲劳以及疲劳-蠕变交互作用进行了研究,分析了材料在中高温环境下的疲劳、疲劳-蠕变交互作用行为,提出了疲劳以及疲劳-蠕变交互作用的寿命预测方法,并从损伤力学的角度出发,研究了材料疲劳及疲劳-蠕变交互作用的损伤进程,提出了相应的损伤评估方法。主要的研究内容如下: (1)研究了压力容器典型用钢316L在中温环境应力控制下的低周疲劳行为,包括循环硬化软化规律、应力控制下的棘轮行为及其影响因素、塑性应变范围的变化规律、Masing特性、塑性应变能密度的计算等问题,为316L钢的寿命预测和损伤评估提供了试验数据和分析基础; (2)研究了压力容器典型用钢1.25Cr0.5Mo高温环境应力控制下的疲劳-蠕变交互作用的行为,包括材料在高温环境下的循环相关特性,材料的平均应变及非弹性应变范围随温度、应力、循环周次的变化规律等,为1.25Cr0.5Mo钢的寿命预测和损伤评估提供了试验数据和分析基础; (3)获得了420℃下316L钢的应力-寿命(S-N)试验测试曲线,并与钢制压力容器分析设计标准JB4732-95和英国标准BS1515的低周疲劳设计曲线进行比较,建立了可供工程应用的316L钢420℃下的低周疲劳设计曲线; (4)从反映物系运动物理本质的能量守恒定律和动量守恒定律出发,对物系运动的破坏过程进行了分析,考察物系状态变量内能的变化,提出了一种新的寿命预测模型。该模型是从基本的热力学定律出发推导的,因此其对于低周疲劳及疲劳-蠕变交互作用的寿命预测都能适用,且模型所需要试验参数较少,形式简单。基于上述模型,对316L钢中温环境下的低周疲劳以及1.25Cr0.5Mo钢高温环境下的疲劳-蠕变交互作用进行了寿命预测,预测结果与实际测量结果符合较好。另外,从该模型出发,对疲劳的线性累积损伤法则进行了探讨,提出了一种新的线性累积损伤法则,用该法则进行了316L钢中温环境下的二级加载剩余寿命预测,预测结果与试验结果符合较好; (5)基于连续损伤力学(CDM),对低周疲劳、蠕变以及疲劳-蠕变交互作用的损伤进程进行了研究,得到了相应的损伤模型,并选取合适的损伤变量对316L钢中温环境下的低周疲劳以及1.25Cr0.5Mo钢高温环境下的疲劳-蠕变交互作用的损伤进程进行了模拟。结果表明:选取合适的损伤变量后,按本文提出的低周疲劳和疲劳-蠕变交互作用的损伤模型得到的损伤曲线与实测损伤点的符合程度较好,即该模型能够较好的描述损伤的进程。另外,通过上述损伤模型,对1.25Cr0.5Mo钢高温环境下疲劳-蠕变交互作用的失效评定进行了一定的探讨。 本文的创新点为: (1)对316L钢中温环境应力控制下的低周疲劳行为进行了较为深入的研究,揭示了材料中温环境下的循环硬化软化规律、应力控制下的棘轮行为及其影响因素以及Masing特性等,发现420℃是材料动态应变时效强化显著的温度; (2)对1.25Cr0.5Mo钢高温环境应力控制下的疲劳-蠕变交互作用的行为进行了较为深入的研究,揭示了材料高温环境下的循环相关特性、材料的平均应变以及非弹性应变范围随温度、应力、循环周次的变化规律等; (3)从反映物系运动物理本质的能量守恒定律和动量守恒定律出发,推导出一个适用于低周疲劳及疲劳-蠕变交互作用的寿命预测模型,对于低周疲劳和疲劳-蠕变交互作用,该模型均具有较好的预测效果。另外,基于该模型,提出了一个新的线性累积损伤法则,该损伤法则对二级加载的疲劳寿命预测效果较好; (4)基于连续损伤力学,提出了一个新的低周疲劳损伤模型,选取间接反映塑性应变能密度的应力-位移曲线面积的变化作为损伤变量,用该模型可以较好的描述316L钢420℃环境下的低周疲劳损伤进程; (5)从连续损伤力学出发,提出了一个新的疲劳-蠕变交互作用的损伤模型,选取平均应变的变化作为损伤变量,用该模型可以较好的描述1.25Cr0.5Mo钢高温环境下疲劳-蠕变交互作用的损伤进程。另外,研究发现1.25Cr0.5Mo钢高温环境下的疲劳-蠕变交互作用的损伤进程存在临界加速点,可通过上述疲劳-蠕变交互作用的损伤模型计算出其临界加速点的临界应变值。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TH49;TG113.255

【引证文献】
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6 罗海波;金属材料单轴时相关棘轮—疲劳交互作用行为研究[D];西南交通大学;2012年
【参考文献】
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【共引文献】
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8 邬文睿;王炜哲;蒋普宁;刘应征;陈汉平;;660MW超超临界汽轮机高压转子的高温蠕变强度分析[J];动力工程;2009年02期
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3 刘宇杰;康国政;高庆;李钊;;调质42CrMo钢的棘轮-疲劳交互作用研究[A];第七届全国MTS材料试验学术会议论文集(二)[C];2007年
4 刘宇杰;康国政;阚前华;;SS304不锈钢考虑棘轮-疲劳交互作用的疲劳寿命模型[A];2010年海峡两岸材料破坏/断裂学术会议暨第十届破坏科学研讨会/第八届全国MTS材料试验学术会议论文集[C];2010年
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6 罗海波;张娟;阚前华;;304不锈钢在高温下的单轴棘轮与蠕变交互作用行为实验研究[A];四川省力学学会2010年学术大会论文集[C];2010年
7 陈凌;蒋家羚;;压力容器典型用钢316L中温低周疲劳研究[A];第六届全国压力容器学术会议压力容器先进技术精选集[C];2005年
8 赵杰;李东明;;一种用于高温材料持久性能设计的可靠性方法[A];2009年全国失效分析学术会议论文集[C];2009年
9 刘军;刘汉龙;陈亮;;冲击载荷下脆性材料损伤模型的研究进展[A];第九届全国岩石动力学学术会议论文集[C];2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郑小涛;复杂条件下结构的安定性分析与评价方法研究[D];华东理工大学;2011年
2 赵萍;航空发动机单晶叶片的多轴低周疲劳研究[D];中南大学;2011年
3 孙阳;结构安定性数值分析方法及其工程应用研究[D];上海交通大学;2011年
4 朱顺鹏;高温复杂结构的混合概率故障物理建模与疲劳寿命预测[D];电子科技大学;2012年
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6 王勇;电厂锅炉汽包低周疲劳寿命评估技术及压力管道结构分析研究[D];浙江大学;2002年
7 靳慧;工程机械金属结构系统疲劳可靠性分析研究[D];西南交通大学;2003年
8 范志超;压力容器用钢16MnR中温应力控制下的低周疲劳行为及寿命评估技术研究[D];浙江大学;2003年
9 李贵军;特种压力容器用钢2.25Cr1Mo的中温低周疲劳行为及寿命评估技术的研究[D];浙江大学;2004年
10 关宏信;沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型研究[D];中南大学;2005年
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1 孙清民;汽轮机转子钢30Cr1Mo1V低周疲劳特性研究[D];长沙理工大学;2010年
2 唐爱晖;12Cr1MoV主蒸汽管道材质损伤分析与寿命评估[D];华东理工大学;2011年
3 冯春杰;16MnR钢高温环境下拉伸过程声发射信号研究[D];华东理工大学;2011年
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5 郭晶晶;国产600MW超临界汽轮机转子寿命研究[D];华北电力大学(北京);2011年
6 李芹;LD10铝合金常温态蠕变行为[D];大连理工大学;2011年
7 程晓娟;304不锈钢棘轮变形过程中的微观结构演化研究[D];西南交通大学;2011年
8 崔瑞乾;循环蠕变作用下材料寿命估算方法研究[D];西南交通大学;2011年
9 焦文文;基于周期性边界条件的颗粒增强金属基复合材料棘轮行为的数值模拟[D];西南交通大学;2011年
10 邵昌哲;16MnR焊接接头疲劳性能与数值模拟[D];浙江工业大学;2010年
【同被引文献】
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1 崔文勇,任巧贤,常晓军,徐鸿;内压厚壁容器外壁表面凹坑应力场有限元分析[J];北京化工大学学报(自然科学版);1999年02期
2 李红英;张希旺;丁常伟;;热处理对16MnR钢断裂韧度的影响[J];材料科学与工程学报;2008年04期
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4 武延民,王元清,石永久,江见鲸;低温对结构钢材断裂韧度J_(IC)影响的试验研究[J];铁道科学与工程学报;2005年01期
5 蒋家羚;陈凌;范志超;陈学东;;疲劳-蠕变交互作用的寿命预测探讨[J];材料研究学报;2007年05期
6 李小刚;李广铎;;16MnR钢焊接接头疲劳裂纹扩展行为及裂纹闭合效应的研究[J];大连铁道学院学报;1993年03期
7 沈邱农,陈文辉;超超临界汽轮机的技术特点[J];动力工程;2002年02期
8 林富生;超超临界参数机组材料国产化对策[J];动力工程;2004年03期
9 史进渊,杨宇,邓志成,张兆鹤;电站汽轮机研制与生产的可靠性技术研究[J];动力工程;2005年01期
10 何光新;疲劳和蠕变作用下的裂缝扩展[J];动力工程;1995年05期
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1 王泓;材料疲劳裂纹扩展和断裂定量规律的研究[D];西北工业大学;2002年
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3 王坤;大型汽轮机转子寿命问题研究[D];华中科技大学;2004年
4 杨铁成;压力容器用钢1.25Cr0.5Mo高温下疲劳蠕变行为及寿命评估技术研究[D];浙江大学;2006年
5 张娟;循环硬化材料高温非比例循环棘轮行为的本构描述及其有限元实现[D];西南交通大学;2006年
6 赵在理;压力容器的结构分析与安全评估研究[D];武汉理工大学;2006年
7 开方明;铝内衬轻质高压储氢容器强度和可靠性研究[D];浙江大学;2007年
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中国硕士学位论文全文数据库 前8条
1 郝玉龙;P91钢蠕变特性及蠕变疲劳交互作用研究[D];西南交通大学;2005年
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4 陆晓燕;316L钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究[D];浙江工业大学;2007年
5 李梦丽;层板包扎尿素合成塔爆破和开裂原因及机理研究[D];山东大学;2008年
6 宋晓国;GH4169合金高温低周疲劳及蠕变性能研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
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8 张戊林;P91钢蠕变—疲劳特性研究及蒸汽管道的寿命评估[D];西安理工大学;2010年
【二级引证文献】
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2 崔瑞乾;循环蠕变作用下材料寿命估算方法研究[D];西南交通大学;2011年
3 祁昊;超超临界汽轮机转子热应力预测与研究[D];上海交通大学;2011年
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6 栾东存;1000MW超超临界汽轮机转子热应力在线监测系统开发[D];华北电力大学;2012年
7 景胜;组合式野外停机坪疲劳性能的试验研究[D];重庆交通大学;2012年
8 王洋;常用有色金属等离子弧焊接性及焊态热处理与耐腐蚀性研究[D];南京理工大学;2013年
9 韩炜;1000MW超超临界汽轮机转子寿命研究[D];华北电力大学;2013年
10 张海荣;电站大型锻件残余应力对机组安全性的影响研究[D];华北电力大学;2013年
【二级参考文献】
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2 钱匡武,李效琦,萧林钢,陈文哲,张好国,彭开萍;金属和合金中的动态应变时效现象[J];福州大学学报(自然科学版);2001年06期
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4 向阳开,杨显杰,高庆,蔡力勋;不锈钢316L单轴棘轮行为及其影响因素的研究[J];核动力工程;1999年05期
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【相似文献】
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2 范志超 ,蒋家羚;16MnR中温环境下应力控制的低周疲劳行为研究(下)[J];压力容器;2002年12期
3 陈凌,蒋家羚;一种新的低周疲劳损伤模型及实验验证[J];金属学报;2005年02期
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1 张峰;;轮箍低周疲劳性能研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
2 张峰;;轮箍低周疲劳性能研究[A];第七届全国MTS材料试验学术会议论文集(二)[C];2007年
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4 焦中良;帅健;;管材的低周疲劳性能分析及应变-寿命公式的确定与验证[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
5 邬文睿;王炜哲;刘华锋;刘应征;;660MW超超临界汽轮机高压转子低周疲劳强度分析[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
6 刘绍伦;;预应力低周疲劳及弹塑性有限元分析[A];北京力学会第14届学术年会论文集[C];2008年
7 吴海利;朱月梅;贾国庆;;X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢室温低周疲劳试验特性分析[A];2010年海峡两岸材料破坏/断裂学术会议暨第十届破坏科学研讨会/第八届全国MTS材料试验学术会议论文集[C];2010年
8 叶序彬;胡本润;谭卫东;;腐蚀环境下低周疲劳试验技术研究[A];2012年海峡两岸破坏科学/材料试验学术会议论文摘要集[C];2012年
9 耿黎明;严仁军;杨宇华;张新宇;;大潜深结构的低周疲劳研究[A];第16届全国疲劳与断裂学术会议会议程序册[C];2012年
10 徐坚;钟曼英;郭世行;;氢反应器壁材料的低周疲劳特性[A];疲劳与断裂2000——第十届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2000年
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4 李贵军;特种压力容器用钢2.25Cr1Mo的中温低周疲劳行为及寿命评估技术的研究[D];浙江大学;2004年
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6 田雨;船体结构低周疲劳损伤极限强度研究[D];大连理工大学;2011年
7 丁智平;复杂应力状态镍基单晶高温合金低周疲劳损伤研究[D];中南大学;2005年
8 陈凌;典型压力容器用钢中高温环境低周疲劳和疲劳—蠕变交互作用的行为及寿命评估技术研究[D];浙江大学;2007年
9 李媛媛;ZG20SiMn铸钢的疲劳行为研究[D];沈阳工业大学;2014年
10 万建松;基于有限变形晶体滑移理论的单晶力学行为及应用研究[D];西北工业大学;2003年
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1 米海蓉;转子钢在不同温度下的低周疲劳性能研究[D];哈尔滨工程大学;2001年
2 鲁春朋;低周疲劳下中碳钢的损伤分析[D];兰州理工大学;2006年
3 谭帅;轴向加载条件下中碳钢的超低周疲劳断裂设计研究[D];兰州理工大学;2006年
4 刘俭辉;拉压载荷下304不锈钢低周疲劳断裂特性的研究[D];兰州理工大学;2011年
5 李钊;考虑棘轮效应的低周疲劳实验与失效模型研究[D];西南交通大学;2007年
6 孙雪盼;挤压变形Al-0.8%Mg-0.6%Si-xSc合金的低周疲劳行为研究[D];沈阳工业大学;2011年
7 王晓俊;热作模具钢在回火及低周疲劳过程中的组织演变[D];大连海事大学;2004年
8 毛雪平;30Cr2MoV转子钢的低周疲劳特性实验研究[D];华北电力大学;2000年
9 宋晓国;GH4169合金高温低周疲劳及蠕变性能研究[D];哈尔滨工业大学;2007年
10 王留兵;Z2CND18.12N奥氏体不锈钢低周疲劳及热机疲劳性能研究[D];天津大学;2010年
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