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反应堆材料的棘轮与疲劳行为研究

牛清勇  
【摘要】: 材料在循环载荷作用下产生的塑性变形的逐渐累积现象称为棘轮效应。棘轮问题给结构的安全设计带来了严峻的挑战,它已经引起了国内外学者的广泛重视。试验发现:不仅平均应力、应力幅和加载速率对棘轮行为有影响,先前的应力循环历史或应变循环历史等因素也会对棘轮演化行为有影响。现有的棘轮本构模型多以Von-Mises形式的屈服条件为基础,假设后继屈服面满足随动强化准则,通过研究背应力的非线性演化规律建立的。此外,还有从内变量演化出发,通过研究屈服面与边界面关系而建立的双面模型。已有棘轮模型,其建模过程多比较复杂。蔡力勋等从大量试验现象出发,根据峰值真应力控制饱和棘轮应变的一元应力理论建立了描述饱和材料棘轮应变演化的统一模型。对于304不锈钢的研究表明,该模型建模方法简单,预测效果较好。 基于一元应力理论,本文对1Cr18Ni9Ti不锈钢的室温单轴棘轮行为进行了研究。发现,在平均应力较小时,棘轮变形不再由峰值应力独立控制,而是受平均应力和峰值应力二元应力的制约,因此一元应力理论在小平均应力条件下的应用具有局限性;通过对原有饱和模型进行简化和在原有演化模型中引入平均应力的影响,本文对原统一模型进行了改进,新模型的预测效果更好。 为了研究T42NG和T225NG钛合金的单轴棘轮行为,本文进行大平均应力工况和微幅工况的棘轮试验。研究发现,如果分别以棘轮应变率低于某一值作为判定棘轮安定的标准,则两种钛合金都能达到安定状态,而且其饱和棘轮应变符合一元应力理论。根据T225NG钛合金棘轮应变的演化特点,本文提出了描述棘轮应变演化的指数型模型。此外,本文还就循环蠕变对T225NG钛合金棘轮行为的影响进行了定性研究,发现循环蠕变对于低应力幅棘轮行为的影响较大。对于T42NG钛合金,微幅工况下随循环次数变化的棘轮应变未表现出规律性的演化特性,因而现行理论难以对其进行演化规律描述。 最后,本文还对Zr-4合金低周疲劳和1~2mm厚板状小试样的试验可行性进行了研究。基于形状因子与等效泊松比的原理,建立了 —— 漏斗型小试样径向应变向轴向应变换算的等效方法。根据低周疲劳 的试验结果,给出了U-4合金M(模型的拟合结果:基于疲劳寿命 的温度影响因子建立了考虑温度腕的X-M(简化模型。


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