典型壓力容器用鋼中高溫環(huán)境低周疲勞和疲勞-蠕變交互作用的行為及壽命評估技術(shù)研究.pdf

1、在石油化工、動力、航空航天等部門中,大量壓力容器與各類承壓設(shè)備長期處于高溫條件下工作.隨著我國工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展,這些設(shè)備承受越來越高的溫度和越來越復(fù)雜的載荷作用,要求這些設(shè)備具有一定的可靠壽命期已成為一個十分突出的問題.在高溫和循環(huán)載荷下,壓力容器和承壓設(shè)備的典型失效模式主要為疲勞、蠕變及其交互作用.本文以壓力容器典型用鋼316L和1.25Cr0.5Mo為研究對象,對壓力容器用鋼中高溫環(huán)境下的低周疲勞以及疲勞-蠕變交互作用進行了研究,

2、分析了材料在中高溫環(huán)境下的疲勞、疲勞-蠕變交互作用行為,提出了疲勞以及疲勞-蠕變交互作用的壽命預(yù)測方法,并從損傷力學(xué)的角度出發(fā),研究了材料疲勞及疲勞.蠕變交互作用的損傷進程,提出了相應(yīng)的損傷評估方法.主要的研究內(nèi)容如下: (1)研究了壓力容器典型用鋼316L在中溫環(huán)境應(yīng)力控制下的低周疲勞行為,包括循環(huán)硬化軟化規(guī)律、應(yīng)力控制下的棘輪行為及其影響因素、塑性應(yīng)變范圍的變化規(guī)律、Masing特性、塑性應(yīng)變能密度的計算等問題,為316L鋼

3、的壽命預(yù)測和損傷評估提供了試驗數(shù)據(jù)和分析基礎(chǔ); (2)研究了壓力容器典型用鋼1.25Cr0.5Mo高溫環(huán)境應(yīng)力控制下的疲勞-蠕變交互作用的行為,包括材料在高溫環(huán)境下的循環(huán)相關(guān)特性,材料的平均應(yīng)變及非彈性應(yīng)變范圍隨溫度、應(yīng)力、循環(huán)周次的變化規(guī)律等,為1.25Cr0.5Mo鋼的壽命預(yù)測和損傷評估提供了試驗數(shù)據(jù)和分析基礎(chǔ); (3)獲得了420℃下316L鋼的應(yīng)力.壽命(S-N)試驗測試曲線,并與鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)JB47

4、32-95和英國標(biāo)準(zhǔn)BS1515的低周疲勞設(shè)計曲線進行比較,建立了可供工程應(yīng)用的316L鋼420℃下的低周疲勞設(shè)計曲線; (4)從反映物系運動物理本質(zhì)的能量守恒定律和動量守恒定律出發(fā),對物系運動的破壞過程進行了分析,考察物系狀態(tài)變量內(nèi)能的變化,提出了一種新的壽命預(yù)測模型.該模型是從基本的熱力學(xué)定律出發(fā)推導(dǎo)的,因此其對于低周疲勞及疲勞.蠕變交互作用的壽命預(yù)測都能適用,且模型所需要試驗參數(shù)較少,形式簡單.基于上述模型,對316L鋼中

5、溫環(huán)境下的低周疲勞以及1.25Cr0.5Mo鋼高溫環(huán)境下的疲勞-蠕變交互作用進行了壽命預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與實際測量結(jié)果符合較好.另外,從該模型出發(fā),對疲勞的線性累積損傷法則進行了探討,提出了一種新的線性累積損傷法則,用該法則進行了316L鋼中溫環(huán)境下的二級加載剩余壽命預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好; (5)基于連續(xù)損傷力學(xué)(CDM),對低周疲勞、蠕變以及疲勞.蠕變交互作用的損傷進程進行了研究,得到了相應(yīng)的損傷模型,并選取合適的損傷

6、變量對316L鋼中溫環(huán)境下的低周疲勞以及1.25Cr0.5Mo鋼高溫環(huán)境下的疲勞.蠕變交互作用的損傷進程進行了模擬.結(jié)果表明:選取合適的損傷變量后,按本文提出的低周疲勞和疲勞-蠕變交互作用的損傷模型得到的損傷曲線與實測損傷點的符合程度較好,即該模型能夠較好的描述損傷的進程.另外,通過上述損傷模型,對1.25Cr0.5Mo鋼高溫環(huán)境下疲勞.蠕變交互作用的失效評定進行了一定的探討. 本文的創(chuàng)新點為: (1)對316L鋼中溫環(huán)

7、境應(yīng)力控制下的低周疲勞行為進行了較為深入的研究,揭示了材料中溫環(huán)境下的循環(huán)硬化軟化規(guī)律、應(yīng)力控制下的棘輪行為及其影響因素以及Masing特性等,發(fā)現(xiàn)420℃是材料動態(tài)應(yīng)變時效強化顯著的溫度; (2)對1.25Cr0.5Mo鋼高溫環(huán)境應(yīng)力控制下的疲勞.蠕變交互作用的行為進行了較為深入的研究,揭示了材料高溫環(huán)境下的循環(huán)相關(guān)特性、材料的平均應(yīng)變以及非彈性應(yīng)變范圍隨溫度、應(yīng)力、循環(huán)周次的變化規(guī)律等; (3)從反映物系運動物理本質(zhì)

8、的能量守恒定律和動量守恒定律出發(fā),推導(dǎo)出一個適用于低周疲勞及疲勞.蠕變交互作用的壽命預(yù)測模型,對于低周疲勞和疲勞-蠕變交互作用,該模型均具有較好的預(yù)測效果.另外,基于該模型,提出了一個新的線性累積損傷法則,該損傷法則對二級加載的疲勞壽命預(yù)測效果較好; (4)基于連續(xù)損傷力學(xué),提出了一個新的低周疲勞損傷模型,選取間接反映塑性應(yīng)變能密度的應(yīng)力-位移曲線面積的變化作為損傷變量,用該模型可以較好的描述316L鋼420℃環(huán)境下的低周疲勞損