压力容器典型用钢1.25Cr0.5Mo钢高温环境下疲劳蠕变交互作用研究及免于蠕变失效判定条件

摘要

随着我国石化工业的发展，压力容器越来越面临着高温、高压、超期服役等带来的威胁，一旦发生事故后果不堪设想。而疲劳、蠕变及其交互作用作为典型的失效模式，始终是各国学者研究的重点和难点。本文针对石化行业广泛使用的1.25CrO.5Mo钢，对其进行了大量的高温疲劳蠕变试验和断口分析，探讨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，提出免于蠕变失效分析的判定条件，建立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： 通过温度、最大应力、应力幅、平均应力的不同组合试验，总结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，发现影响循环寿命的主要是平均应变速率。 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之间的简单线性关系，从而得到一条主曲线，其寿命预测更好；三是基于延性耗竭理论，提出一种疲劳蠕变寿命预测方法，该方法能用于应力控制模式，并能综合反映应力比、加载速率、拉伸保载时间和平均应变速率的影响，该方法寿命预测精度要明显高于其他方法。 从损伤力学的角度出发，建立能综合反映最大应力、应力幅影响的疲劳、蠕变及其交互作用损伤力学模型，选取非弹性应变能密度的变化作为损伤参量进行损伤描述，得到了1.25CrO.5Mo钢不同温度、不同加载条件下损伤演化的统一表达式，为损伤力学在疲劳蠕变交互作用下的应用做了一些有益的探索。 本文的创新点在于： (1)总结了温度、最大应力、应力幅、平均应力对1.25CrO.5Mo钢疲劳、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，提出了免于蠕变失效分析的判定条件； (2)对1.25CrO.5Mo钢应力控制模式下疲劳、蠕变及其交互作用下的断口形貌和断裂机理有了一定的认识，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； (3)分别从热力学基本定律、损伤力学、延性耗竭理论出发，建立了三种新的应力控制模式疲劳蠕变寿命预测模型，这三种模型预测效果均较好，丰富了当前疲劳蠕变寿命预测的方法。 (4)从损伤力学的角度出发，建立能综合反映温度、最大应力、应力幅影响的疲劳、蠕变及其交互作用损伤力学模型，选取非弹性应变能密度的变化作为损伤参量进行损伤描述，为损伤力学在疲劳蠕变交互作用下的应用做了有益的探索。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 疲劳、蠕变及其交互作用机理

1.2.2 疲劳蠕变交互作用的主要影响因素

1.2.3 疲劳蠕变交互作用下的寿命预测方法

1.2.4 材料方面

1.2.5 基于控制蠕变变形量的免于蠕变失效评定的条件

1.3 主要研究目标

1.4 主要研究内容

参考文献

第二章 材料及疲劳蠕变试验方法

2.1 材料及试样

2.2 单调拉伸力学性能

2.3 循环拉伸力学性能

2.4 疲劳蠕变试验方法

2.4.1 控制方式

2.4.2 加载波形

2.4.3 试验最大应力

2.4.4 试验温度与环境

2.5 小结

参考文献

第三章 疲劳蠕变交互作用行为及免于蠕变失效分析的条件

3.1 梯形波加载各阶段的变形计算

3.2 应力幅与平均应力同时变化

3.2.1 迟滞徊线的变化规律

3.2.2 非弹性应变的变化规律

3.2.3 平均应变及其速率的变化规律

3.2.4 非弹性应变能的变化规律

3.3 最大应力、应力幅、平均应力同时变化

3.3.1 平均应变及其速率的变化规律

3.3.2 非弹性应变能的变化规律

3.3.3 截面收缩率的变化规律

3.3.4 材料吸收总能量的变化规律

3.4 温度、应力幅、平均应力同时变化

3.4.1 平均应变的变化规律

3.4.2 非弹性应变能的变化规律

3.5 疲劳蠕变断裂特征图及免于蠕变失效分析的条件

3.5.1 第二类断裂特征图

3.5.2 第四类断裂特征图

3.5.3 第一类断裂特征图

3.5.4 第三类断裂特征图

3.6 小结

参考文献

第四章 疲劳蠕变交互作用断裂机理

4.1 540℃最大应力为220MPa下的断口分析

4.1.1 220～-150MPa的断口特征

4.1.2 220～-100MPa的断口特征

4.1.3 220～50MPa的断口特征

4.1.4 220～0MPa的断口特征

4.1.5 220～50MPa的断口特征

4.1.6 220～100MPa的断口特征

4.1.7 220～150MPa的断口特征

4.2 讨论

4.3 小结

参考文献

第五章 疲劳蠕变交互作用寿命预测方法

5.1 FS法及SEFS法的应用

5.2 能量寿命预测模型

5.2.1 热力学基本定律

5.2.2 模型的建立

5.2.3 疲劳蠕变寿命预测结果

5.3 平均应变速率寿命预测模型

5.3.1 模型的建立

5.3.2 疲劳蠕变寿命预测结果

5.4 延性耗竭模型

5.4.1 模型的建立

5.4.2 疲劳蠕变寿命预测结果

5.5 几种寿命预测方法的对比

5.6 小结

参考文献

第六章 疲劳蠕变交互作用损伤力学研究

6.1 研究背景与意义

6.2 疲劳蠕变交互作用的损伤力学研究

6.2.1 疲劳的损伤研究

6.2.2 蠕变的损伤研究

6.2.3 疲劳蠕变交互作用的损伤力学研究

6.3 损伤变量的定义

6.4 试验数据

6.5 1.25Cr0.5Mo钢高温疲劳蠕变损伤力学模型分析

6.6 小结

参考文献

第七章 结论与展望

致谢

附录一 博士期间发表的学术论文清单

附录二 博士后期间发表的学术论文清单

附录三 个人简历