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3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 3 16 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 摘要 在石化、化工、电力等多个行业中很多机械装备长期承受高温和交变载荷作 用，造成材料损伤产生裂纹并不断扩展，最后引起泄露或爆炸，导致重大经济损 失和人员伤亡等。各国学者已进行了较多的高温疲劳构件的剩余寿命评估技术的 研究，取得了不少研究成果但在疲劳和蠕变共同作用下的裂纹扩展规律还没有很 好的解决。本文对3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率进行研究。 分析了高温疲劳蠕变共同作用条件下蠕变所造成的损伤，提出了基于蠕变损 伤得到的蠕变裂纹扩展速率计算方法( 幽姗。= 见o o 。给出了高温疲劳蠕变共同 作用条件下裂纹扩展速率的计算方法( 删= ( 知，+ ( 等。旺口v 。n v 通过对3 1 6 l 奥氏体不锈钢在4 0 0 、5 5 0 、6 0 0 下疲劳裂纹扩展试验的研 究，得出了这三个温度下用p a r l v 公式表示的疲劳裂纹扩展速率。发现p a r i s 公式 中的指数变化随着温度的增高而减少，5 5 0 c 和6 0 0 。c 的p a r i s 指数明显低于4 0 0 下的p a r i s 指数，系数变化范围也较大，并且随着温度的增高而增大。比较三个温 度下的疲劳裂纹扩展速率，在a k 介于2 5 4 5 m p a - m “2 之间时，三个不同温度下 的疲劳裂纹扩展速率差别很小。 通过对3 1 6 l 奥氏体不锈钢在温度为4 0 0 c 时带有3 0 s 保持时间的疲劳蠕变裂 纹扩展试验的研究，发现疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率比该温度下无保持时 间时的裂纹扩展速率要大些。由于裂纹尖端应力水平较高，导致蠕变损伤，使裂 纹扩展速率增加。实验结果验证了本文提出的基于损伤的高温疲劳蠕变裂纹扩展 速率计算方法。 利用扫描电镜对3 1 6 l 试样断口进行显微分析，发现随着温度的改变， 3 1 6 l 钢的断口形貌变化不大，都具有明显的韧性疲劳辉纹，氧化程度小。4 0 0 c 下 无保持时间试样裂纹稳态扩展时期断口形貌比该温度下带有保持时间的试样断口 更为连续些。4 0 0 c 下无保持时间试样的疲劳裂纹扩展路径前半段较为平滑，而后 半段尤其是裂纹尖端有一些曲折，没有二次裂纹，裂纹扩展方式以穿晶扩展为主。 针对多层包扎压力容器的特点，本文也对多层容器深环焊缝中缺陷进行了分 浙江工业大学硕士学位论文 析和安全评定。分析了层问贴合良好和存在未贴合的两种情况下深环焊缝缺陷的 断裂疲劳性能，结果表明层间存在未贴合的多层包扎容器，缺陷疲劳寿命明显低 于贴合良好的多层包扎容器。 关键词：高温，疲劳，蠕变，裂纹扩展速率，3 1 6 l ，安全评定 3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 s r u d i e so nc r a c kp r o p a g a t i o nu n d e rf a t i g u e - ( ：r e e p c o m 皿d m d a ( r i o no f 3 1 6 ls t e e l a th i g ht e m p e r a t u r e a b s t r a c t t h ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a le q u i p m e n tm o s t l ye x p e r i e n c eh i g h t e m p e r a t u r ea n dc y c f i cl o a d i n g c r a c kp r o p a g a t i o ni si n f l u e n c e db ym a t e r i a ld a m a g e ， c a u s i n gl e a k i n go u to re x p l o s i o n a l lt h e s es t a t u sw i l ll e a dt oe c o n o m i cl o s s e sa n d p e o p l ec a s u a l t y s c h o l a r sa r ee n g a g e d i nd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho fr e s i d u a lf a t i g u e l i f ea th i g ht e m p e r a t u r e ，a n dg a i nm o m e n t o u sa c h i e v e m e n t c r a c kg r o w t hl a wh a sn o t b e e ns o l v e dw e l ls of a ru n d e rf a t i g u e - c r e e pc o m b i n e da c t i o n s oc r a c kp r o p a g a t i o nr a t e i ss t u d i e da th i 【g ht e m p e r a t u r e ，a n df a t i g u ea n df a t i g u e - c r e e pc r a c kp r o p a g a t i o nt e s t so f 3 1 6 la r ec a r d e do n t h ec r e e pd a m a g ei sa n a l y z e du n d e rf a t i g u e - c r e e pc o m b i n e da c t i o n ac a l c u l a t i n g m e t h o do fc r e e pc r a c kp r o p a g a t i o nr a t eb a s i n go nt h ec r e e pd a m a g ea n dc r a c k p r o p a g a t i o nr a t eu n d e rf a t i g u e - c r e e pc o m b i n e da c t i o nc a n b ep u tf o r w a r d f r o mt h er e s e a r c ho ff a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nt e s t sa tt h et e m p e r a t u r eo f6 7 3 k 8 2 3 k ，8 7 3 k ，t h ef o r m u l ao fp a r i ss h o w i n gf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t e c a nb e o b t a i n e d t h ec h a n g eo f t h ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t ei n c r e a s e s 、 ，i t ht h ei n c r e a s i n go fa k ， b u tt h ec h a n g eo ft h ce x p o n e n td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et e m p e r a t u r e t h e e x p o n e n ta tt h et e m p e r a t u r eo f8 2 3 ka n d9 7 3 ki sb e l o wi ta tt h et e m p e r a t u r eo f6 2 3 k v i s i b l y t h ec h a n g er a n g eo fc o e f f i c i e n ti s a l s oe x t e n s i v ea n di ti n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n go f t e m p e r a t u r e t h ec o m p a r i s o no f t h ef a t i g u e - c r e e pp r o p a g a t i o nr a t ei nt h r e e t e m p e r a t u r es h o w st h a tt h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nt h ef a t i g u ec r a c kg r o w t hi s l i t t l e w h e nt h ev a l u eo f xb e t w e e n2 5t o4 5 f r o mt h er e s e a r c ho ff a t i g u e - c r e e pc r a c kp r o p a g a t i o nt e s t sw i t hh o l dt i m eo f3 0 s e c o n d 砒t h et e m p e r a t u r eo f6 7 3 k ，t h ec h a n g eo ft h ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t ei n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s i n go fa k a n di t sh i g h e rt h a nc r a c kp r o p a g a t i o nr a t ew i t h o u th o l d t i m e h i g hs t r e s sw i l ll e a dt oc r e e pd a n l a g ea n d i n e r e a s e m e n to f c r a c kp r o p a g a t i o nr a t e c r e e pc r a c kp r o p a g a t i o nr a t ea tt h i st e m p e r a t u r ei sv a l i d a t e db y t h ec a l c u l a t i n gm e t h o d i i i 浙江工业大学硕士学位论文 o f c r e e pc r a c kp r o p a g a t i o n r a t ew h i c hi sb a s i n go nt h ec r e e pd a m a g e a n a l y s ea p p e a r a n c eo ff r a c t u r eu s i n gs c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e f o l l o w i n g t h ec h a n g eo ft h et e m p e r a t u r e ，珥，p 曲姗c eo ff i a e t u r ei sa l m o s ti n v a r i a b l e ，b u tv i s i b l e t o u g h n e s sf a t i g u es t r i a t i o na n dw e a ko x i d a t i o na r eo b s e r v e d a tt h et e m p e r a t u l eo f 6 7 3 k , t h es a m p l ew i t h o u th o l dt i m ei sm o r ec o n t i n u o u st h a nt h es a m p l ew i t hh o l dt i m e f o rf r o n tp a r to f s a m p l ew i t h o u th o l dt i m e ，t h ep a t hi ss m o o t h b u tn e a rt h ec r a c kt i p ， t h e r ei sf l e x u r a lw i t h o u t c 0 咀d 2 i r yc r a c k c r a c kp r o p a g a t i o ni st r a n s g r a n u l a r g o o dc o n t a c ta n dp a r t i a l l yc o n t a c t l e s sa r e ab e t w e e nl a y e r sa r cc o n s i d e r e d f e m a n a l y s i sa n ds a f e t ya s s e s s m e n ta i ea c c o m p l i s h e dr e s p e c t i v e l yt oo b t a i nt h ef a t i g u ea n d f i a e t u r ep e r f o r m a n c e i t ss h o w nt h a tt h ef l a wf a t i g u el i f eo fp a r t i a l l yc o n t a c t l e s sa r e a b e t w e e nl a y e r si sl o w e rt h a ng o o dc o n t a c tb e t w e e nl a y e r se v i d e n t l y k e y w o r d s ：h i g h - t e m p e r a t u r e , f a t i g u e , c r e e p , c r a c k g r o w t h 毗3 1 6 l ， s a f e t ya s s e s s m e n t i v 3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 主要符号说明 每个保持时间内的蠕变损伤 保持时间 保载期间瞬时蠕变应变 保载期间瞬时蠕变应变速率 蠕变韧性 每个保持时间内得蠕变应交增量 裂尖应力 裂尖垂直应力分量 裂尖应力强度因子 不考虑材料应力松弛的塑性区尺寸 考虑材料应力松弛的塑性区尺寸 应力强度因子幅 蠕变损伤临界值 一定裂纹长度下的总蠕变损伤 裂纹嘴位移 加载点活塞位移 屈服强度 圆筒内半径 载荷比 断裂韧性 断裂比 寿命 v 以址 岛 杰 0 如口 q 墨 髟丛坟 见 吒 r 磁 群 虬 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 储张产施 日期。岬年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：却叩年f 月呻日 日期：伽7 年f 月叩日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 材料的疲劳是材料在交变载荷作用下逐渐累积损伤、产生裂纹以及裂纹逐步 扩展，直至最后破坏的过程。在火电、核电、石油化工、航空、航天等多个行业 中，很多工程结构和机械装备长期承受高温和交变载荷作用。这些结构和装备在 高温蠕变和疲劳的作用下材料损伤产生裂纹并不断扩展，最后引起泄露或爆炸， 导致重大经济损失和人员伤亡等。随着科学技术的发展，越来越多的工程构件在 高温环境下工作，且受载复杂，其局部应力往往超过屈服应力，使材料产生塑性 变形和蠕变变形。 一般而言，高温低周疲劳包含着蠕变和疲劳两种因素，因材料和工作条件的 不同，这两种因素有时可以各自独立地发生作用，有时这两者之间还会产生不同 程度的交互作用。由于一些设备经常处于反复启动- 停车和载荷波动的状态，长期 服役情况下这种载荷循环不可避免地导致疲劳裂纹产生，而且一定稳态温度下工 作也会导致蠕变裂纹的萌生和扩展，当达到临界状态时很快导致非稳态断裂而失 效。工业中由于这类时间相关疲劳裂纹扩展引发的事故时有发生，据统计在1 9 5 5 年至1 9 8 0 年的2 5 年间，国外有近3 0 根汽轮机转子发生断裂事故。又例如，1 9 7 4 年6 月美国一个大型电站的( 埘b 闹透平转子经过1 0 6 0 0 0 4 、时和近3 0 0 次起动和停车 后发生了突然破坏，经分析发现这种破坏是由于疲劳和蠕变间的交互作用所引起 的。早期高温设备的寿命评定一般只考虑疲劳载荷的影响，随着设备服役参数的 提高，我们发现单纯疲劳裂纹扩展规律已不能解决问题，需要考虑保载期间蠕变 机制对裂纹扩展的影响，因此高温疲劳和蠕变的研究日益受到科学界和工程界的 广泛重视。 在工程实际中，要为新的高温设备设计提供理论方法，确保设计是可靠和经 济的，使得高技术过程能够得以体现；同时要为在役设备的可靠和集约的运行提 供技术保障，后者的实现往往也促进了设计理论的发展。因此，高温材料的裂纹 扩展规律和剩余寿命的研究就显得非常重要。五十年代以来，许多研究者从宏观、 微观力学行为诸方面对用于航空发动机的铁基、镍基和钴基高温合金、用于核反 应堆结构的奥氏体不锈钢和用于一般电站设备的铁索体低合金钢在高温条件下的 第1 页共8 2 页 3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 疲劳及疲劳蠕变交互作用性能进行了一系列理论研究。由于高温下构件的疲劳问 题，涉及的因素很多，如温度、应力状态、延性、环境腐蚀及加载历史等对它都 有影响，并且这种影响往往是错综复杂的，因此至今对此问题的研究还是很不成 熟。高温下疲劳裂纹扩展速率的研究具有很大的工程实用价值，国家“十一五” 支撑计划对高温疲劳进行研究。本文以国家“十一五”支撑计划项目为背景进行 3 1 6 l 不锈钢在高温条件下疲劳裂纹扩展规律的研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 疲劳问题的研究成果及进展 有关疲劳问题的研究已有1 6 0 余年的历史。1 8 3 8 年，德国工程师a l b e r t 进行 了铁链的反复加载实验，第一次提出了变动载荷问题的研究报告。 次年，巴黎大学p o n c e l e t 教授在授课中首先使用了“金属疲劳”的概念。 此后，w d h l e r 在1 8 5 0 至1 8 6 9 年期间对疲劳问题进行了系统研究，提出了应 力寿命图和疲劳极限的概念l l 】，至2 0 世纪，由于发生了多起飞机疲劳失效事故， 在其它机械设备中，也发生了各种形式的疲劳破坏事故，这使得金属材料在循环 应力作用下的疲劳破坏问题受到日益广泛的重视。 在p a l m g r a m 提出的疲劳累积损伤理论的基础上，m i n e r 于1 9 4 5 年提出损伤与 应力循环次数成线性关系，并给出了相应的关系式【2 】。 1 9 5 4 年美国的m a n s o n 和c o f f i n 在研究低循环控制应变疲劳特性时，归纳出 塑性应交幅和疲劳寿命之间的关系，形成了著名的m a n s o n c o f f i n 公式，这为结构 的应变疲劳寿命分析奠定了重要基础1 3 , 4 。继而美国机械工程学会颁布了将金属蠕 变疲劳判据引入高温构件设计的规范。 6 0 年代末，美国空军的发动机结构完整性大纲把高温低周疲劳作为关键部件 的寿命限制因素。 从7 0 年代初开始，随着核工业、石油化工工业等大功率、高温、高压设备的 出现，零部件的工作环境越来越剧烈，高温低周疲劳和热疲劳问题日益突出，欧 美日等工业发达国家的研究者开始对材料高温低周疲劳进行研究。 从7 0 年代末起，国际上发展了一门被称为时间相关断裂力学( t i m ed e p e n d e n t f r a c t u r em e c h a n i c s ) 的新学科，主要是研究在疲劳和蠕变作用下裂纹扩展的规律， 第2 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 近年来已取得相当大的进展。 几十年来，金属高温疲劳经历了从高周疲劳到低周疲劳、从低周疲劳裂纹起 裂到裂纹扩展，然后又从长裂纹研究向短裂纹研究发展的过程；研究方法从宏观 力学方法向微观和细观力学方法发展。 1 2 2 常温条件下疲劳裂纹扩展规律的研究进展 疲劳裂纹扩展的研究始于4 0 年代末d , s l 。当时给出的疲劳裂纹扩展速率表达式 的形式有： d a d n = 一矿矿 ( 1 1 ) 式中，盯为外加应力，a 为裂纹长度，a 、m 、甩为试验确定的常数，观察到m = 2 n 。 这为以后将a k 引进疲劳裂纹扩展的研究，有某种启示意义。 最重大的成就，当是p a r s 提出的疲劳裂纹扩展速率表达式【7 明： d a d n = c a k ” ( 1 2 ) 式中，c 、m 是材料性能常数，由标准试样实验确定。疲劳裂纹扩展的理论模型 给出j ，l _ 2 或4 睁l l 】，但是，对金属材料，m 在1 4 - 9 6 7 之间变化【1 2 。1 4 】。 为了考虑平均应力的影响，e 足w a l k e r 建议用下式来代替p a r d 公式1 1 5 】： 驯办，_ c 【k 一( 1 一r ) ”r ( 1 3 ) g r f o r m a n 等提出，当疲劳裂纹扩展到临界裂纹尺寸，即当k 。达到屹或 。时，疲劳裂纹扩展速率驯d 应趋于无限大。提出了如下的修正公式d q ： 出矗= c ( k ) ”【( 1 一置) 一a k 】 ( 1 4 ) 1 9 7 0 年，f i b e r 发现了裂纹扩展的闭合效应l m ，提出了裂纹闭合模型( e l b e r 模 型) 。e l b e r 公式如下： d 衫d = c ( 斌矿) ” ( 1 5 ) 刖= u 腹 ( 1 6 ) 7 0 年代，提出门槛应力强度因子幅度j 匕的概念并实验测定了k 。此后， 提出了适用于近门槛区、中部区，以及适用于近门槛区、中部区和快速扩展区的 第3 页共8 2 页 3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 疲劳裂纹扩展速率表达式，总计达1 0 0 余个疲劳裂纹扩展速率表达式。 1 9 9 8 年，w e r e 等人【1 明的研究表明，芯片接头的裂纹扩展速率与循环应变能密 度既存在如下关系： 熹叫， ( 1 7 ) 陈学东掣1 9 1 从应变疲劳裂纹扩展参量工程估算方法的理论分析和s c t 试样试 验验证研究结果表明，在弹塑性范围内，应变疲劳裂纹扩展速率可由下式表示： 面d a = 4 ( ) ” ( 1 8 ) 此后，刘立名鲫等从材料的微观结构和裂纹尖端的应力场出发，应用位错动 力学理论、热激活能理论和速率过程理论对疲劳裂纹扩展规律进行了微观到宏观 的探讨，最终推导出疲劳裂纹扩展速率的一个解析表达式： 砌捌= 争( 斌) 。台4 e 砸一等 ( 1 9 ) 其中，4 、a 、u 、口均为材料的结构参数；k 为b o l t z m a n n 常数；f 为加载频率； r 为环境温度。 之后，在此基础上对各个方面都有了深入的研究，包括裂纹扩展门槛值的继 续研究，短裂纹，三维裂纹，裂纹闭合和加载顺序的影响，环境的影响等等。 1 2 3 高温条件下疲劳裂纹扩展规律的研究现状 众所周知，疲劳损伤是高温工程构件的重要破坏形式之一。评价材料高温疲 劳强度的传统方法是以在一系列恒定交变载荷( 或恒定应变幅度) 下光滑试样的断 裂循环数和由此获得的s 一曲线( a e 一) 为基础的。但是，由于种种原因，实际 构件往往存在应力集中和各种缺陷，当它们承受交变载荷时，即使其载荷水平远 低于常规方法得到的疲劳极限，也可能由于裂纹的扩展而导致发生灾难性的事故。 高温构件的疲劳和蠕变损伤是高度局部化的，其寿命主要取决于裂纹的扩展而不 是裂纹的萌生，因此建立在光滑试样高温疲劳裂纹萌生基础上的寿命预测方法对 于这类构件是不合适的。所以，研究材料在疲劳蠕变交互作用下疲劳裂纹扩展行 为，是对传统疲劳试验和分析方法的重要发展和补充，同时对于预测高温结构件 的疲劳寿命具有重要意义。 第4 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 至今，我们对疲劳蠕变交互作用裂纹尖端基本过程了解得很有限。循环相关 分量与时间相关分量决定疲劳蠕变裂纹扩展，区分这些分量应当谨慎行事，其中 包括在惰性与腐蚀环境下工作以及使用合理的控制参量对这些分量定量。下面讨 论一些预测疲劳蠕变裂纹扩展的现象学模型。 最简单的线性相加模型，就是将组合载荷下的裂纹扩展由个别载荷裂纹扩展 速率相加而成，即 白叮= 白，+ 哮争。 m ， 白。= 旁。+ 岛州， q m 式中下角，和c 分别指循环载荷引起的裂纹扩展和蠕变在相同环境下引起的 裂纹扩展，为频率。 c a r d o n 以3 0 4 不锈钢数据为基础，提出了一个经验公式： d a d n = a ( v ，x 霹一如) ，” ( 1 1 2 ) 式中k 、j r 。是应力强度因子，分别为： 墨= x 一( 1 一r y ( 1 1 3 ) 如= 峨( 1 - r ) ” ( 1 1 4 ) 上述式中m 和玎是材料常数，一是温度和频率的函数，均由试验数据测定。 目前研究的带保持时间的高温蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展十分复杂，研 究方法主要为叠加法。4 & 聊扩1 1 提出，将保持时间的裂纹扩展分成连续循环的疲 劳裂纹扩展和蠕变裂纹扩展两个部分： ( a a a n ) , o d = ( 驯，+ f l d o d , ( 1 1 5 ) 该式考虑了循环载荷对蠕变引起的裂纹扩展的影响，并没有涉及蠕变对循环 载荷引起的裂纹扩展的影响。当循环载荷升载和降载速率较大时，上式带来的误 差还可以接受；反之，不考虑蠕变对疲劳的影响就会带来危险的误差。 在此基础上，也有文献分析，假定模型是在小范围蠕变条件下，应力与裂纹 扩展率是k 2 r 的函数，这一时间相关分量可表示为： a , , a t = 烈k 2i t ) 。 ( 1 1 6 ) 第5 页共8 2 页 3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 式中丑和m 是材料和温度决定的函数。 沈祝闽等嘲运用该模型研究了保持时间对涡轮盘合金高温疲劳裂纹扩展的影 响，修正了s a x e n a 带保时裂纹扩展模型，使之适用于6 5 0 c 下的裂纹扩展规律： ( 驯删= c ( 斌y + ( 足) 。t h( 1 1 7 ) 同时发现了在a k 较低时保持时间对裂纹扩展有阻碍作用，这种作用主要来自 蠕变，并提出了考虑裂纹尖端钝化和温度作用的裂纹扩展表达式。 足k i m ，尼且v a n s t o n e l 2 3 用材料7 1 8 合金、s e n 试样、在叠加法基础上进行 修正，得出如下的关系式： 纠栅= ( 叫洲) 。+ p ( e a d t ) t “ ( 1 1 8 ) 式中，是、o 和r 的函数。 z1 1 b u l l o c h l u l ：芷p a r i s 公式和a k 4 与保持时间。的关系的基础上，用 2 2 5 c r l m o 合金、c 形试样做疲劳试验( 试验温度5 5 0 c ) ，得到此条件下高温疲劳 裂纹扩展速率。 a k “= 3 6 o ( 钿) - o 州+ k 睹( 1 1 9 ) z 毋彻p 口咒对一种耐高热镍基合金在一定温度、一定保持时间下的裂纹扩展速 率进行研究时，提出如下关系式： 幽，d = c ( a k ) “+ 爿( k ) 5 【z v 0 + 1 ) + ( 1 - r ) 】 ( l 2 0 ) d 掣和乃d 趟对锻造镍基高温合金刷5 9 7 在8 5 0 的试验温度下的循环失效 模式进行研究时观察到，在应力控制或应变控制条件下，拉伸保持周期的引入将 会导致晶界空穴的形成而呈现出典型的蠕变损伤失效特征，这种蠕变形式的损伤 比例将随着保持时间的延长而增大。 m e r a h 等鲫对3 0 4 不锈钢进行带保持时间的裂纹扩展试验，采用- ，来表示 裂纹扩展速率： a a a n = 烈以) 6( 1 z 1 ) 出t = 酗f 七cq 。2 2 ) 轩福贞等口叼对蠕变疲劳交互作用下的裂纹扩展规律和剩余寿命评价中也提 出，用一个3 项裂纹扩展模型以考虑这两种机制的影响： 第6 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 d 叫d = c 0 ( 臣) + c l ，( 毛，t d + c 2 - 4 - f ( 如l d t ) d t ( 1 2 3 ) 式中第一项代表了单纯疲劳载荷的贡献，第二项表征了蠕变疲劳的交互作用，第 三项是单纯蠕变机制引起的裂纹扩展。 1 2 4 高温疲劳破坏机理及断口形貌分析 疲劳破坏总是由应力应变最高和取向最不利的薄弱晶粒或夹杂等缺陷处起 始，并沿着一定的结晶面扩展。所以一般把金属的疲劳破坏分为疲劳裂纹萌生、 疲劳裂纹稳定扩展和失稳扩展三个阶段，试样金相断口观察也证实了这一点。 疲劳断口保留了整个断裂过程的所有痕迹，记载着许多断裂信息，具有明显 的形貌特征。因此，对合金的疲劳断口形貌进行微观、宏观分析，能够推测出疲 劳断裂机制，了解组织结构、环境介质、加载方式等因素对裂纹萌生、裂纹扩展 的影响，疲劳断口形貌分析是研究疲劳过程和分析疲劳失效原因的重要方法。 ( 一) 疲劳裂纹的萌生 材料中疲劳裂纹的萌生，也称为疲劳裂纹成核。疲劳裂纹形成后，将在载荷 的作用下继续扩展，直至断裂发生。金属因疲劳而产生裂纹的方式主要有三种： ( 1 ) 晶体滑移而萌生裂纹。在交变载荷的作用下，金属中首先形成少量滑移线， 随着循环次数的增加又进一步形成滑移带，这是体积型的，如果用电解抛光方法 将它们从表面除去，则在继续试验时，它们又将出现，故称为“驻留滑移带”。 疲劳裂纹即从这些驻留滑移带中萌生、发展。 ( 2 ) 夹杂物及相界面处萌生裂纹。对于较软的金属，裂纹多在滑移带上形成； 而复杂合金化的材料，如铸造高温合金，在外力的作用下，夹杂物、第二相及基 体界面处有位错堆积，这一过程降低了界面强度，促使界面分离而萌生裂纹。 ( 3 ) 晶界和孪晶界处萌生裂纹。晶界开裂一般都在高温时产生，对铁、镍基合 金而言，一般在7 0 0 。c 以上；晶界裂纹的这种成核方式是随试验温度的不同而转 化的。晶界裂纹多发生在晶界方向与最大切应力方向相近的晶界上，或发生在相 邻的晶粒位向差别较大的晶界上，此时应力集中。在应力不断循环下，应力集中 状态得不到缓解，应力越来越高，当超过晶界结合强度时，裂纹就萌生了。 ( 二) 疲劳裂纹的扩展 按照疲劳裂纹的走向，疲劳裂纹的扩展可分为下述两个阶段： 第7 页共救页 3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 ( 1 ) 疲劳裂纹在高应力处由持久滑移带成核，由最大剪应力控制。形成的微裂 纹与最大剪应力方向一致。在循环载荷作用下，由持久滑移带形成的微裂纹沿4 5 最大剪应力作用面继续扩展或相互连接。此后，有少数几条微裂纹达到几十微米 的长度，逐步汇聚成一条主裂纹，这种切变形式的扩展称为裂纹扩展的第一阶段。 c 2 ) 随后裂纹扩展的方向转向垂直于最大拉伸应力方向，这种拉伸形式的扩展 称为裂纹扩展的第二阶段。从第一阶段到第二阶段的转变，一般认为是裂纹尖端 切应力与正应力的比例减少所造成的。当裂纹的端部从约束很弱的表面晶粒进入 金属内部时，由于内部晶粒受各方向的约束，滑移受到强烈抑制，因而裂纹由初 始的剪切扩展方式逐步转变为拉伸扩展方式。ck 删例直接观察了循环应力作用 n 。厂 4 u 锄= ：躐 狮 ，。、，学 p j 彦 姊羽 飞 ( 1 ) = o o 图1 1 塑性钝化模型 下延性材料中裂纹尖端几何形状的改变，提出了描述疲劳裂纹扩展的“塑性钝化 模型”，如图1 1 所示，图1 1 示出了循环开始时的裂纹尖端形状；随着循环应力 的增加，裂纹逐步张开，裂尖材料由于高度的应力集中而沿最大剪应力方向滑移， 图1 k b ) ；应力进一步增大，裂纹充分张开，裂尖钝化成半圆形，开创出新的表面 图1 1 ；卸载时已张开的裂纹要收缩，但新开创的裂纹面却不能消失，它将在卸 载引入的压应力作用下失稳而裂尖形成凹槽形：最后，在最大循环压应力作用下， 又成为尖裂纹，但其长度已增加了一个a a 。下一循环，又张开、钝化、扩展、锐 化，重复上述过程。这样，每一应力循环，将在裂纹面上留下一条痕迹，称之为 疲劳条纹。 ( 三) 高温疲劳断口 研究疲劳断口对于工程构件损坏及事故分析是十分重要的。典型的宏观疲劳 第8 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 断口按断裂过程大体上可分为三个区域：疲劳核心区，疲劳裂纹扩展区和瞬时破 断区。 ( 1 ) 疲劳核心区：用肉眼或经低倍放大就能大致判断疲劳核心区的位置。疲劳 核心是疲劳破坏的起点，一般发生在表面。但如果材料内部存在缺陷，如夹杂、 空洞、化学成分偏析等，疲劳核心也可在构件的皮下或内部发生。疲劳核心数目 可以不止一个。应力、应变愈大，核心愈多。疲劳源区的断口一般比较光亮，粗 糙度较小，这是两边断口不断互相摩擦的结果。在高温疲劳断裂时，整个疲劳断 口呈现出不同颜色的色带。疲劳源区在高温中暴露较长时间易于氧化，故显出较 深的颜色。 ( 2 ) 疲劳裂纹扩展区：是疲劳断口上最重要的特征区域。可见到里贝纹状、蛤 壳状或海滩波纹状的宏观疲劳弧线及疲劳沟线，前者是由载荷谱变动所造成的， 后者则是由于不在同一平面上的疲劳裂纹汇合而成的。疲劳弧线是疲劳裂纹的瞬 时前沿线，疲劳弧线的法线方向是该点疲劳裂纹的瞬时发展方向，因此可以根据 疲劳弧线的形状、分布密度来确定疲劳裂纹在整个断口上各点的扩展速率与走向。 ( 3 ) 瞬时破断区是疲劳裂纹扩展到一定程度，截面减d n 1 1 备界尺寸时发生快速 破坏而造成的。瞬时破断区由纤维状，剪切唇和放射状三个部分组成。瞬时破断 区的面积尺寸取决于载荷大小和材料性能。 高温能使逐渐破坏的疲劳断口呈现出不同的颜色的色带，而合金的氧化色因 温度、时间、断口的粗糙度和匹配断口相互磨损情况的不同而变化。因此，我们 可用模拟试验来确定断口的形成温度范围。 此外，高温疲劳断口还受到燃气腐蚀的作用，断口表面往往被一层相当厚的 腐蚀产物所覆盖，不能如实表现出疲劳断1 ：3 的原始形态，特别是微观断裂形态。 因此，一般必须经过特殊清洗后才能对其进行分析。 在有保持时间条件下，根据材料和试验条件的不同，试样的断口形貌有的为 晶间蠕变断裂，有的为延性穿晶断裂，有的则两者兼备，而有的在裂纹扩展的前 期为穿晶疲劳断裂，后期为晶间蠕变断裂。但一般认为，在温度较高、保载时间 较长的情况下，蠕变机制是主要的，反之，疲劳机制是主要的。延性耗竭理论【3 0 】 认为：材料在循环载荷作用下，循环应变的非弹性部分包括塑性应变和蠕变应交 两部分。如果塑性延性先于蠕变延性耗竭，则损伤主要在晶内，形成穿晶断裂； 如果蠕变延性先于塑性延性耗竭，则损伤主要在晶界，形成沿晶断裂此外，对 第9 页共8 2 页 3 1 6 l 钢高温疲劳蟠变共同作用下裂纹扩展速率研究 于蠕变与疲劳之间存在交互作用的情况，有人则认为裂纹的扩展是由于空洞的聚 集，有人则认为与晶粒形貌和取向的改变以及晶界的迁移等因素有关口1 1 。 1 3 存在问题 高温构件的疲劳蠕变问题的研究由于问题的复杂性和试验及理论中存在的困 难，涉及的因素很多，如温度、应力状态、冶金状态、环境腐蚀及加载历史等对 它都有影响，并且这种影响是错综复杂的。八十年代起，国外一些学者开始研究 保持时间的裂纹扩展模型和机理，由于这是一个兼有疲劳、蠕变、松弛、环境等 影响的复杂过程，又缺乏足够的实验数据，其模型和机理研究结果还是初步的， 各自的模型都带有较大的局限性，所以没有一个统一的模型来表示蠕变疲劳交互 作用下的复杂过程。 典型钢种材料3 1 6 l j t 2 没有全面系统的疲劳断裂性能的研究工作，特别是在高 温条件下，裂纹扩展速率的测定以及温度、保持时间对其影响等等，还没有深入 细致的试验和理论研究。尤其是目前对于缺乏高温条件下测量c 赋样裂纹嘴位移 的高温引伸计，以及电位仪及相关仪器等情况下，还没有提出一种有效、精确的 试验方法来测量裂纹嘴位移，进而得到高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率。 对于多层包扎容器，有其自身特点，而缺陷评定标准均没有针对这类容器深 环焊缝缺陷的断裂和疲劳评定。多层包扎容器层板之间可能存在贴合不好，会引 起局部的应力集中，应力分布也变得更为复杂：层板与深环焊缝连接部位容易产 生缺陷，且不容易无损检验，这些缺陷容易在深环焊缝中扩展。至今只有部分研 究者对多层包扎容器深环焊缝缺陷进行简单的评定，没有充分考虑多层包扎容器 的特点。 1 4 本文研究内容和目标 1 4 1 研究内容 本文研究内容分为两部分，第一部分为本文主要的研究内容，即以“十一五” 支撑计划项目为背景，以3 1 6 不锈钢为研究对象，研究高温疲劳以及疲劳蠕交共 同作用下的裂纹扩展规律。通过蠕变损伤计算方法的提出，得到基于蠕变损伤的 第1 0 页共跎页 浙江工业大学硕士学位论文 蠕变裂纹扩展速率的计算方法。为了验证该计算方法的正确性，文本针对3 1 6 l 奥 氏体不锈钢材料，从高温疲劳裂纹扩展的微观和宏观特性，理论研究和试验研究 相结合，通过对其在不同的温度丁下、带有保持时间f 的试验结果进行分析，研 究高温疲劳以及疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展的规律和影响因素。 本文第二部分研究内容为：针对多层包扎高压容器特点，本文也对多层容器 深环焊缝中缺陷进行了分析和安全评定。开展了材料力学性能试验、a n s y s 有限 元分析、分析了层间贴合良好和存在未贴合的两种情况下深环焊缝缺陷的断裂疲 劳性能，对缺陷安全性进行了评价。 1 4 2 研究目标 通过对试验结果的分析，深入了解高温疲劳以及疲劳蠕变共同作用下的裂纹 扩展机理，掌握裂纹扩展基本规律，提出高温疲劳蠕变共同作用下的裂纹扩展速 度计算方法，为高温条件下相类似材料的高温疲劳寿命评估提供参考和依据。 解决多层包扎高压容器特点深环焊缝中缺陷安全评定方法，为存在层间贴合 不好和贴合良好的多层容器断裂和疲劳寿命评估提供参考方法。 第i i 页共犯页 3 1 6 l 钢高温疲劳蠕变共同作用下裂纹扩展速率研究 第二章高温疲劳蠕变条件下的裂纹扩展 某些含有裂纹或类裂纹的高温工程构件，在运行中经受启动运行- 停车这样的 工作循环时，会受到周期载荷的作用，这是有保载时问的低周疲劳中的一种最简 单的情况。而裂纹体在这种状态下的行为，往往不能由单一的蠕变或疲劳裂纹扩 展试验结果来推断，因而许多高温材料在周期加载条件下的抗裂纹扩展性能正受 到工程界日益广泛的关注。 2 1 疲劳裂纹扩展的宏观规律 众所周知，疲劳裂纹的扩展可以用裂纹扩展曲线来描述，见图2 1 。其中，d a m n 为裂纹扩展速率，a k 称为应力强度因子幅。第一区称为裂纹从萌生到扩展的门槛 区，该区裂纹为非连续的扩展机制，裂纹的扩展受显微组织、平均应力、环境介 质的强烈影响；第二区是裂纹稳定扩展的线性区，即著名的p a r i s 区，该区裂纹为 连续的条纹扩展机制，扩展速率受显微组织、平均应力及试样厚度等因素的影响 相对较小，但对某些腐蚀介质可能十分敏感；第三区是失稳扩展的快速断裂区， 该区出现静断型断裂方式，受显微组织、平均应力及试样厚度影响大，但对环境 不敏感。1 9 6 3 年，p a r i s 等1 7 】对当时疲劳裂纹扩展的试验数据进行了分析处理，提 出了一个著名的裂纹扩展公式： ( d a c 打v ) ，= c a k ”( 2 1 ) 一 n 、 ； 争 f h 图2 1 典型疲劳裂纹扩展曲线 第1 2 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 这就是后来惯称的p o r i s 裂纹扩展公式，简称p a r i s 公式，它确定了图2 1 中 的稳定扩展阶段，对一定试验条件，c 、以为材料常数。由于该式定量地描述了疲 劳裂纹扩展规律，但它又是一个从试验中总结出来的经验公式，所以人们一直试 图从理论上对它进行解释。 2 2 影响高温疲劳裂纹扩展的因素 应力强度因子幅度置是控制疲劳裂纹扩展速率( 如，的最主要因素，是疲 劳裂纹扩展的原动力。但是，影响疲劳裂纹扩展的因素还很多，如温度、保持时 间、氧化作用、试样厚度和平均应力等等。 2 2 1 温度的影响 温度对疲劳裂纹扩展速率的影响因材料而异。在一定温度范围内( 一般2 0 3 5 0 c ) ，温度对一般结构钢的出f 办值无明显的影响。但是在更高的温度下，随着 温度的升高，材料的弹性模量和强度下降，氧化作用增强，裂纹扩展速率也将增 加。高温对时间相关( 蠕变) 过程有利，并使裂纹扩展速率似删) 增高，相关程度取 决于材料性质。此时蠕变通过裂纹尖端应力松弛过程的增加来抑制环境作用，因 此在高温或在延性金属中蠕变过程与环境的相互作用下，常使得后者不起作用， 总之，提高温度或增加延性可使蠕变分量增加，削弱环境分量，从而把线弹性应 用限制在一定范围，使非线性参量u 或，在高温下的应用显得非常重要。 裂纹尖端参数c 是于1 9 7 6 年提出的 3 2 1 ： c = r 【孵方一r , ( - 砌i - - ) 凼】 ( 2 2 ) 哝= r 盯以 ( 2 3 ) 式中，暇为单位体积应变能的变化率。r 代表积分路线，由裂纹的下表面开 始沿反时针方向到达裂纹上表面。z 是作用在积分边界上的拉力向量，砖是位移变