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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

杨铁成  
【摘要】:随着我国石化企业的发展,压力容器等典型承压设备面临的环境越来越苛刻,尤其是高温、高压、超期服役等,这些设备一旦发生失效后果将不堪设想。作为高温、高压环境下典型的失效模式,疲劳、蠕变及其交互作用始终是摆在各国学者面前的难题。本文针对石化企业高温设备中广泛使用的1.25Cr0.5Mo钢,在对其进行了大量的疲劳蠕变试验和断口分析的基础上,分析了影响疲劳蠕变行为及其寿命的主要因素,建立能反映疲劳损伤、蠕变损伤及疲劳蠕变交互作用损伤相互转换关系的四种断裂特征图,提出了免于蠕变失效分析的判定条件,建立了疲劳蠕变寿命预测方法和损伤评估方法。主要研究内容如下: 实测了1.25Cr0.5Mo钢在不同温度下的单调拉伸力学性能和高温循环拉伸力学性能,得到了该钢的循环应力应变曲线表达式,同时发现材料在500~550℃下具有轻微的循环硬化特性。 根据石化企业高温承压设备的特点和1.25Cr0.5Mo钢的使用情况,确定了疲劳蠕变试验的控制方式、加载波形、试验温度、试验采用的最大应力。 通过温度、最大应力、应力幅、平均应力的不同组合试验,分析了这几种因素对材料疲劳、蠕变及其交互作用行为的影响规律,建立了四种疲劳蠕变断裂特征图,初步提出了免于蠕变失效分析的判定条件,同时发现平均应变速率是影响循环寿命的主要因素。 对各种加载条件下的疲劳蠕变交互作用断口形貌进行扫描电境分析和能谱分析,研究应力幅、平均应力等因素对断口形貌的影响,对应力控制模式下疲劳区(F)、蠕变区(C)及疲劳蠕变交互作用区(FC)的断口形貌和断裂机理进行了详细讨论,找到了疲劳促进韧窝和蠕变孔洞长大、蠕变促进夹杂物或基体脱落的证据,从微观形貌上证实了当发生激烈的疲劳蠕变交互作用时材料寿命急剧下降的试验事实,同时也提供了把应力幅大于平均应力作为免于蠕变失效分析判定条件的微观依据。 在充分认识疲劳、蠕变及其交互作用行为和主要影响因素的基础上,提出了三种疲劳蠕变寿命预测方法。一是从热力学基本定律出发,在能量法则的基础上提出了一种新的疲劳蠕变寿命预测模型,该模型具有一定的理论基础,推导严密,其寿命预测能力优于FS、SEFS方法;二是以半寿命处的平均应变速率作为控制参量,在损伤力学有效应力概念的基础上,推导出一种简单的寿命预测模型,该模型能将疲劳蠕变寿命与应力幅、平均应力、最大应力、温度之间的复杂关系转变为寿命与平均应变速率


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