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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

范志超  
【摘要】: 压力容器经常在高温、高压、具有腐蚀性的环境下工作,一旦发生事故后果不堪设想。本文以压力容器用钢16MnR为研究对象,对其进行了一系列的中温环境下的应力控制的低周疲劳试验和抗硝酸盐应力腐蚀试验,对其中温环境下的低周疲劳行为、环境温度对疲劳性能的影响以及抗硝酸盐应力腐蚀性能有了较为全面的认识,建立了典型中温环境下16MnR钢的低周疲劳寿命预测方法、低周疲劳设计曲线及低周疲劳损伤力学模型,主要研究内容如下: 详细分析总结了16MnR钢在300℃、420℃下的应力疲劳行为,包括循环硬化软化规律、应变范围及塑性应变范围的变化规律、应力控制下的循环蠕变现象和材料的Masing特性等等,为进一步提出16MnR钢的寿命预测方法和疲劳损伤评估方法提供试验数据和分析基础。 通过不同环境温度下的简单拉伸试验和应力控制下的低周疲劳试验,找出了环境温度对应力控制下的疲劳行为和疲劳强度的影响。发现当温度处于250~375℃之间时,材料在动态应变时效的作用下,疲劳强度有了较大的提高,出现了所谓的“篮脆”现象,这时材料表现为:较低的循环蠕变速率、循环相关硬化特性;当温度超出这个范围时,材料表现为:较高的循环蠕变速率、循环软化特性。 对考虑平均应力影响的疲劳寿命预测方法进行了分析总结,对总应变能密度疲劳寿命预测模型进行了修正,给出了不同应力比下的总应变能密度计算公式,给出了300℃、420℃两个温度环境下的疲劳寿命预测模型,预测结果与试验结果吻合较好。 建立了300℃、420℃两个温度环境下的应力寿命曲线;经平均应力的修正,并考虑各种因素对疲劳寿命的影响之后,与ASME低周疲劳设计曲线进行比较,建立了两种温度环境下的低周疲劳设计曲线;针对16MnR钢250~375℃之间存在的“篮脆”现象,以250℃、375℃作为材料疲劳强度的临界分界点,分别建立了250~375℃、375~420℃两个温度范围的低周疲劳设计曲线。 从损伤力学的角度出发,对X.H.Yang和王勇的耗散势模型进行适当改进,使其能综合反映应力水平、环境温度对疲劳损伤进程的影响;以等效模量来定义损伤变量,新损伤变量具有明确的物理意义,测量方法简单;在适当假设的基础上,得到了“篮脆”温度范围之外不同应力水平、不同环境温度下的损伤演化模型,为损伤力学应用到压力容器的疲劳分析和寿命预测做了一些有益探索。 进行了不同温度环境下的疲劳断口扫描电镜分析,对相同应力水平、不同温度下的疲劳断口形貌有了初步的认识。 浙江大学博士学位论文 另外,通过16MnR钢抗硝酸盐应力腐蚀试验,初步认识了16MnR钢的抗硝 酸盐应力腐蚀性能,测定了母材及焊缝在硝酸盐环境下的临界应力强度因子 Klscr,和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt;同时对比研究了缓蚀剂、材质、溶液温 度对16MnR钢硝酸盐应力腐蚀开裂的影响。 本文创新点为:对16MnR钢中温环境下应力控制的低周疲劳行为有了较为 充分的研究,发现16MnR钢的“篮脆”现象,揭示了中温条件下的循环硬化软 化规律、循环蠕变规律及Masing特性等;修正了能反映平均应力影响的总应变 能密度疲劳寿命预测模型,并给出了16MnR钢300℃、420℃时的疲劳寿命预测 方法;建立了基于中温应力控制低周疲劳研究基础上的16MnR钢250一375℃、 375一420℃两个温度范围的低周疲劳设计曲线;以等效模量定义损伤变量,提出 了1 6MnR钢“篮脆”温度范围之外不同环境温度、不同应力水平下的一种损伤 演化模型。


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