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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。
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