（化工过程机械专业论文）蠕变条件下125cr05mo钢疲劳裂纹扩展数值模拟分析.pdf

摘要 压力容器等典型承压化工设备广泛地应用于石油化工等过程工业生产中，通常面临 着高温、高压或腐蚀的工作环境和超期服役。随着我国石油化工技术的发展，这些设备 面临的环境越来越苛刻。化工设备在制造、安装和使用的过程中，不可避免要产生一些 裂纹等缺陷，这些裂纹在高温、高压和腐蚀的环境中会不断的扩展，特别是在频繁开停 工和间歇工作的高温承压设备中。我国相关法律法规中规定的对压力容器等化工设备的 检测周期越来越长，在这种情况下，研究裂纹等缺陷在复杂工作环境下的扩展规律是摆 在各国学者面前的难题。 本文在查阅大量国内外文献的基础上，针对在石油化工企业高温设备中广泛使用的 1 2 5 c r 0 5 m o 钢，利用大型有限元分析软件a n s y s ，分别模拟分析了其在高温蠕变、 交变应力载荷和疲劳蠕变交互作用下的裂纹扩展行为，得出了裂纹在不同的载荷环境下 的扩展规律，并比较了温度，循环载荷的幅值、平均应力对裂纹扩展影响。本文利用 a n s y s 分析裂纹扩展行为的过程中，采用了损伤累积的方法，对每个载荷步的裂纹扩 展进行累积，提高了结果的可信度。 关键词：蠕变，疲劳，疲劳蠕变交互作用，a n s y s ，裂纹扩展 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so fc r a c k o p e n i n go f1 2 5 c r - 0 5 m ou n d e r f a t i g u e - c r e e pi n t e r a c t i o n a b s t r a c t t y p i c a lp r e s s u r ec h e m i c a le q u i p m e n t ss u c ha sp r e s s u r ev e s s e l sa r ea p p l i e dw i d e l yo nt h e p r o c e s s i n gi n d u s t r yl i k ep e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g t h e s ee q u i p m e n t sw o r ku n d e rc o n d i t i o n o fm 曲t e m p e r a t u r eo rh i g hp r e s s u r e ，a n ds o m eo ft h e ma r eo v e rt h el i m i t e ds e r v i c et i m e a s t h ep e t r o c h e m i c a lt e c h n o l o g yd e v e l o p i n go n ，i tr e q u i r e sm o r es e r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o nt h a t e q u i p m e n t sc a r lb e a r d u r i n gt h em a n u f a c t u r e ，i n s t a l l a t i o na n ds e r v i c e ，i tw o u l dc r e a t es o m e f l a w sl i k ec r a c ki n e v i t a b l y t h e s ec r a c k sw i l lk e e po p e n i n gu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i 曲 t e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r ea n dc o r r o s i o n ，e s p e c i a l l yf o rt h ee q u i p m e n t st h a ta r es t a r t u pa n d s h u t d o w nf r e q u e n t l ya n dw o r k i n gi n t e r m i t t e n t l yw i t hh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i 曲p r e s s u r e a c c o r d i n gt or e l a t e dn a t i o n a ll o w , t h ep e r i o do fe q u i p m e n tc h e c k i n gi sl o n g e rt h a nb e f o r e t h e r e f o r e ，c r a c ko p e n i n gr u l e sr e s e a r c h e su n d e rc o m p l i c a t e dw o r k i n gc o n d i t i o n sa r ev e r y i m p o r t a n ta n du r g e n tf o rr e s e a r c h e r s b a s e do nw i d er a n g eo fr e a d i n gd i s c o u r s e s ，t h i sa r t i c l er e s e a r c h e sc r a c ko p e n i n gr u l e so f 1 2 5 c r - 0 5 m ow i t ha n s y s ，w h i c hi su s e dw i d e l yi nt h eh i g ht e m p e r a t u r ee q u i p m e n t so f p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y , u n d e rt h ec o n d i t i o n so fh i g ht e m p e r a t u r ec r e e p ，c y c l el o a d i n ga n d f a t i g u e c r e e pi n t e r a c t i o n 。i to b t a i n sd i f f e r e n tc r a c ko p e n i n gr u l e su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ， a n dc o m p a r e st h ee f f e c to ft e m p e r a t u r e ，s t r e s sa m p l i t u d ea n da v e r a g ev a l u eo fc y c l el o a d i n g i nt h ep r o c e s s i n go fa n a l y s i sw i t ha n s y s ，i tu s e sd a m a g ea c c u m u l a t i o nm e t h o dt ot r a c kt h e c r a c ko p e n i n g ，w h i c hc a nb e t t e rt h er e l i a b i l i t y k e y w o r d ：c r e e p ，f a t i g u e ，f a t i g u e c r e e pi n t e r a c t i o n ，a n s y s ，c r a c ko p e n i n g 主要符号表 材料的弹性模量，m p a 试件高度，m m 延伸率， 应力强度因子，n r a m l _ 5 裂纹扩展下门槛值，n m m l 5 屈服应力，m p a 平均应力，m p a 泊松比 裂纹长度，m l n 裂纹扩展长度，r e i n 试验温度， e 日 万 k 缄 以 口 血 r 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致i 身十外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：为伊7 年厶月上日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名：益盈参 指导教师签名：么妻垒蛀 日期：砌7 年f 月，日 日期：刀口7 年6 月r 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一童绪论 现代工业正在向着高速、高温、高压的方向发展，严重威胁着现代工业设备安全的 疲劳破坏问题日益突出。据有关统计，在现代工业各个领域中，大约有8 0 以上的结构 强度破坏是由于疲劳破坏造成的【l 】。 在石油、化工、电力、航空航天等行业中，有许多机械设备，如压力容器、汽轮机、 燃气轮机、冶金机械等长期在高温条件下工作，并且随着我国工业技术的迅速发展，这 些设备必然会承受越来越高的温度和载荷作用，因此就要求这些设备除具有足够的强 度、刚度和使用寿命外，还要有较高的安全性。 温度是影响材料性能的主要因素，当环境温度升高时，材料的各方面性能都将发生 一定的变化。达到较高温度时，材料将发生缓慢的塑性变形，即蠕变。在设计中要考虑 持久强度和蠕变强度等因素。另外这些设备在工作过程中除承受一定的静载荷之外，通 常还承受着动载荷作用，如频繁的开停车、温度波动或厚壁容器内外壁温度梯度造成的 热应力等波动载荷叠加在静载荷上，从而产生疲劳损伤，在设计中和使用中要考虑温度 对疲劳强度、裂纹扩展规律的影响。而当温度较高、疲劳载荷较大的情况，将发生疲劳 和蠕变的交互作用。7 0 年代以来，燃气轮机涡轮盘等高温部件频繁发生失效事故，引起 了国内外的普遍关注。高温下的疲劳破坏在现代工业中是十分普遍的，尽管已引起人们 对疲劳问题的重视，但是，近年来疲劳破坏事故仍然不断发生。因此，克服疲劳、消除 隐患，用疲劳分析方法去指导设计已成为现代工业技术中的重要课题。 石化设备长期处在高温、高压及交变载荷条件下工作，破坏行为与材料的疲劳和蠕 变性能密切相关。疲劳和蠕变交互作用所造成的损伤，是限制此类设备使用寿命的重要 因素。对于光滑试样疲劳蠕变的交互作用，国内外学者已经进行了大量的研究，有比较 完整的论述。而利用计算机软件，利用试验测量出材料的高温性能参数和现场的具体工 况，来模拟材料在蠕变条件下的疲劳裂纹扩展，从而对设备做出安全评价，目前这个工 作在我国的应用还比较少，主要还是利用基于试验和经验公式来得到的结果，来对实际 的情况进行评估。 1 1 课题提出的背景 目前，对于高压临氢环境下服役的反应器，如加氢裂化和加氢脱硫装置，工作压力 达2 8 m p a ，这些设备一般采用2 2 5 c r - l m o 钢制造，允许工作温度为4 5 5 。由于 第章绪论 2 2 5 c r - l m o 钢在3 7 1 5 7 5 长期使用，必然会发生回火脆化。回火脆化是p 、a s 、s n 等杂质元素向晶界偏析造成的。因此在使用中要控制母材和焊缝的抗回火脆化系数以及 钢中的杂质含量，此外高温氢脆也是此类设备主要的失效机制。 石油化工当中，催化重整是使石油馏分经过化学加工转变为芳烃的重要方法之一， 催化重整工艺中要求的氢分压并不高，这些设备普遍采用1 2 5 c r - 0 5 m o 、1 c r - 0 5 m o 钢 制造，例如7 0 年代末建成的天津化纤厂的芳烃装置，其重整反应器就采用1 2 5 c r - 0 5 m o 钢。这也是美国u o p 公司材料专家推荐的重整反应器用钢。另外还有8 0 年代初投产的 胜利炼油厂加氢精制反应器和临氢降凝反应器、广州石化总厂和安庆石化总厂加氢反应 器、茂名炼油厂和南京炼油厂加氢裂化装置中的一些换热器等等，使用的都是这种材料。 目前，国内冶金部门也正在加快1 2 5 c r - 0 5 m o 钢的国产化进程，并已研制成功了适于焊 接这种材料的焊接材料。 由于催化重整工艺温度较高，一般在4 2 7 5 3 8 。c 之间，用于制造压力容器及管道的 1 2 5 c r - 0 5 m o 钢在如此高的温度下长期工作( 温度接近或超过了b s 5 5 0 0 或a s m e 规定的 需要考虑蠕变的温度) ，并还承受一定的氢分压，因此其失效机制主要为高温蠕变疲劳 交互作用损伤及因氢脆而导致的低温脆断，随着高温承压设备服役时间的延续，其安全 性问题将会越来越多【2 1 。 1 2 课题研究的目的和意义 前人对1 2 5 c r - 0 5 m o 钢进行了许多试验，在试验的基础上探讨了很多工程上得到广 泛应用的经验公式。但是不难发现前人所做的试验有如下的几点不足： ( 1 ) 试验成本高，周期长，对于分析裂纹扩展不同因素的影响，工作量十分巨大； ( 2 ) 对裂纹扩展的试验，多是用预制表面裂纹来进行试验，对穿透裂纹无法准确描 述； ( 3 ) 对试件加载的时候，加载频率明显比实际工况的压力变化频率快，无法准确分 析蠕变对裂纹扩展的影响。 本文将以1 2 5 c r 0 5 m o 钢为研究对象，利用已有的试验数据，在5 0 0 5 5 0 。c 高温条 件下测得的蠕变和疲劳的材料性能参数，对蠕变条件下的裂纹疲劳扩展进行数值模拟分 析，为技术安全评估和寿命分析提供依据。 1 3 蠕变条件下疲劳裂纹扩展国内外研究现状 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 目前工程上应用的疲劳裂纹扩展速率计算方法主要是p a r i s 公式，该公式受应力强 度因子的变化范围控制，具体地讲是由应力控制的，这种疲劳问题属于应力疲劳问题。 对处于压力容器高应变区的裂纹，如用应力强度因子或应力控制量来反映其裂纹的扩展 速率显然不尽合理。针对这个问题，d o v e r 等人提出了与p a r i s 公式相似的应变控制的幂 函数关系式。由于p a r i s 公式没有考虑平均应力，加载频率的因素，所以，后人在p a d s 公式的基础上提出了考虑平均应力的f o r m a n 公式，和考虑温度、加载频率的修正公式。 疲劳蠕变交互作用下的寿命预测方法对高温部件的合理选材、设计及安全评估等都 具有非常重要的作用，其中低周疲劳蠕变寿命预测方法的研究更为重要。目前有很多 维问题的寿命预测方法：寿命一时间分数法、频率修正法、应变范围划分法( s r p ) 、应 变能划分法( s e p 或s e p - n c m ) 、应力松弛范围寿命预测方法、延性损耗法、蠕变孔洞 损伤为主的寿命预测方法、损伤力学方法等等，而三维问题的研究一般是在一维理论基 础上引入相当参量来进行描述。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 1 2 5 c r - 0 5 m o 钢平面裂纹在高温蠕变条件下的扩展规律。 通过两组模拟试验研究裂纹尖端处的蠕变应力松弛规律，其中一组保持蠕变温度不 变，改变拉伸载荷，研究拉伸载荷对蠕变应力松弛的影响；另一组保持拉伸载荷不变， 改变蠕变温度载荷，研究蠕变温度对蠕变应力松弛的影响。 通过损伤累积的方法，利用a n s y s 对求解过程进行程序化，研究该材料的蠕变裂 纹扩展规律。 ( 2 ) 1 2 5 c r - 0 5 m o 钢平面裂纹在交变应力载荷条件下的扩展规律。 利用损伤累积的方法，在a n s y s 软件中，通过p a d s 公式和f o r m a n 公式计算裂纹 扩展尺寸，来比较不考虑平均应力影响时和考虑平均应力影响时裂纹扩展规律的区别， 并研究在不考虑平均应力影响时应力变化范围对裂纹扩展的影响和考虑平均应力影响 时平均应力对裂纹扩展的影响。 ( 3 ) 1 2 5 c r - 0 5 m o 钢平面裂纹在疲劳蠕变交互作用下的扩展规律。 利用损伤累积的方法，在a n s y s 软件中，计算在疲劳蠕变交互作用下分别计算疲 劳和蠕变引起的裂纹扩展量及它们的总扩展量，研究疲劳蠕变交互作用下裂纹扩展规 第一章绪论 律，比较在裂纹扩展的不同阶段，疲劳因素和蠕变因素影响的大小；并与纯疲劳裂纹扩 展规律相比较。 1 4 2 技术路线 对疲劳、蠕变及其交互作用的相关理论进行归纳一总结出能在有限元软件中实现的 损伤累积方法一利用a p d l 语言对求解裂纹扩展量进行程序化设计一利用a n s y s 软件 进行建模- - - n 用a n s y s 进行蠕变裂纹扩展分析一得出1 2 5 c r 0 5 m o 钢的蠕变裂纹扩展 规律一利用a n s y s 进行疲劳裂纹扩展分析一得出1 2 5 c r 0 5 m o 钢的疲劳裂纹扩展规律 - - n 用a n s y s 进行疲劳蠕变交互作用下的裂纹扩展分析一得出1 2 5 c r - 0 5 m o 钢的疲劳 蠕变作用下的裂纹扩展规律一与纯疲劳裂纹扩展规律比较。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章蠕变条件下裂纹疲劳扩展分析理论 2 1 疲劳、蠕变及其交互作用机理 疲劳是材料在低于其静强度极限的交变载荷作用下，某些局部或大范围区域首先进 入屈服状态，在局部地区出现高度的范性变形通常在材料表面，萌生多种类型的内部缺 陷，如位错、滑移、孔洞等等，形成一定的应力集中，这种局部的反复的范性变形，在 一定的时间内导致微裂纹的产生，微裂纹长大、合并，形成条或几条主裂纹，主裂纹 逐渐扩展并最终产生断裂。疲劳一般是一种由表及里的断裂过程，呈穿晶断裂【4 5 1 。 蠕变是材料在较高温度下发生的与时间相关的一种失效形式，与应力水平、温度密 切相关。蠕变一般分为三个阶段蠕变初始阶段、蠕变稳定阶段、蠕变加速阶段。用位错 理论揭示蠕变现象为当材料在外载作用下产生应力后，在晶体内发生位错的运动和增 殖，从而使晶体发生加工硬化。温度较高时，由于热振动和原子扩散运动加剧，位错逐 渐变得容易进行，并出现回复现象。当加工硬化与回复现象逐渐达到平衡状态即达到了 蠕变稳定阶段。在蠕变加速阶段，蠕变速度迅速上升以致最终断裂，一般认为有两个原 因：一是晶粒由于蠕变而产生的非弹性变形，一般要通过滑移穿过晶界，而进入下一晶 粒，结果变形集中于晶界，在晶界处产生应力集中，特别是在晶界交叉部分，这些地方 因应力集中容易形成微小裂纹；二是点阵缺陷在晶界析出，以致在晶界处产生空位空穴， 结果加快了蠕变速度。蠕变断裂一般为沿晶断裂，且在断口上可辨别出r 型和w 型孔 洞。r 型孔洞即是晶界滑移形成空穴，空穴随后长大而形成的；w 型孔洞则是晶界滑移 在三晶粒交叉处受阻引起应力集中使晶界撕裂而形成的。因此，蠕变损伤是由于晶界处 的空穴形成、长大、合并、聚集造成 筝j 4 6 , 4 7 】。 介于二者之间的失效形式疲劳蠕变交互作用，常被称为与时间相关的疲劳。材 料局部萌生疲劳裂纹是疲劳损伤的发展，材料内部晶界孔洞则是蠕变损伤的体现，这两 类损伤的物理机制完全不同。当穿晶疲劳与晶界孔洞相遇时，疲劳裂纹与蠕变孔洞就会 相互促进，相互发展，形成疲劳蠕变交互作用，就会出现疲劳裂纹扩展速率加快、蠕变 孔洞数量增多等现象。疲劳蠕变交互作用是竞争与累积的统一，蠕变孔洞可以作为源促 进疲劳裂纹的萌生与扩展，疲劳循环同样也加剧了蠕变孔洞的形核与长大。在有的断口 形貌上，蠕变孔洞壁上发现一些疲劳条纹，这是疲劳促进蠕变发展的最好证明。 疲劳蠕变交互作用的机理较为复杂，影响因素也较多。材料不同、试验条件不同， 第二章蠕变条件下裂纹疲劳扩展分析理论 疲劳蠕变交互作用的机理和断口形貌也不尽相同。断裂是以疲劳为主的穿晶断裂还是以 蠕变为主的沿晶断裂，要在宏观与微观分析相结合的基础上，视具体情况做出判断。 s w n a m 3 4 1 等人对1 c r - l m o v 钢疲劳蠕变交互作用的研究结果表明，其断裂机制 为穿晶断裂，并有一些疲劳条纹，保持时间的劣化作用是增加疲劳条纹间距和裂纹长度， 在晶界上无蠕变孔洞的形成；而p l u m b r i d g e 5 】也对1 c r 1 m o v 钢较长保持时间的疲劳蠕 变交互作用进行了研究，结果与上述恰恰相反：裂纹沿晶扩展，并伴有蠕变孔洞的形成， 如表2 1 所示。 另外奥氏体不锈钢的疲劳蠕变交互作用损伤多数是以蠕变损伤为主要机制，并伴有 蠕变空洞的形成。u e n of u m i y o s h i 6 】等人曾经对固熔3 0 4 不锈钢5 5 0 。c 下进行了一系列较 低总应变范围、较长的保持时间的蠕变疲劳试验。在寿命的2 、5 、1 0 、2 0 ，5 0 处中止试验，在液氮中打断试件，观察空洞，沉淀相和晶界微裂纹等微观结构，分析蠕 变孔洞形核、长大及微裂纹形成的机理，并在金相学基础上提出了以蠕变损伤为主的寿 命预测方法。实验发现，2 寿命时，可在沉淀相( 如碳化物) 附近观察到蠕变孔洞，在2 0 寿命时，沉淀相和蠕变孔洞明显增多，在1 0 0 寿命时，可观察到晶界发生分离，沉淀相 与晶粒也发生分离。通过测量不同寿命分数时的蠕变孔洞面积发现，蠕变孔洞的形核和 长大是同时发生的。在损伤初始时，蠕变孔洞的方向和加载方向没多大关系，但在损伤 后期，晶界蠕变孔洞越来越垂直于加载方向，这种现象被称作孔洞筛分，即蠕变孔洞有 选择性的长大，垂直于加载方向的蠕变孔洞长大，而平行于加载方向的得不到长大。垂 直于加载方向的一连串蠕变孔洞相互连接，即形成了微裂纹。微裂纹合并即形成了主裂 纹【5 0 1 。 表2 - 1 疲劳蠕变交互作用断裂机制 t a b l e2 - 1f r a c t u r em e c h a n i s mu n d e rf a t i g u ea n dc r e e pi n t e r a c t i o n 材料 组织 篙应蓄范应茎速拉箨保断裂模式有秃蓊变引县文 瓦而而可1 霸顶瓦两强厂丽万矿 面丽而芤前丽厂一无一 3 、4 1 c r - l m o v回火贝氏体5 6 50 5 5 2 沿晶断裂有 5 改礴的 - 3 mn沿晶断裂有ik l , 1 6 0 0 1 0 1 0 i 一 一 “ 69cr-m0 时效晋不锈 奥氏体 6 0 0 4 x1 0 1 0 3 0 m i n穿晶断裂无 3 钢 。刀日h 驯砜儿 固熔哿不锈 奥氏体 6 0 0 4 xl o - 3 1 0 - 3o m i n 沿辱囊主 有 3 钢 w 儿 断裂 一 。 固熔3 的0 4 不锈 奥氏体 5 5 0 6 0 0 m i n沿晶断裂有 7 别 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 2 疲劳蠕变交互作用的主要影响因素 疲劳蠕变交互作用性能，不仅决定于单项的蠕变性能和疲劳性能，也决定于疲劳与 蠕变的交互作用。影响疲劳蠕变交互作用的因素很多，材料方面有化学成分、热处理工 艺、显微组织、机械性能等；载荷方面有在和水平、保持、保载时间、加载速率、加载 历史等因素；另外还有温度、环境介质等因素的影响。 ( 1 ) 合金元素的影响 高温合金钢中一般都加入c r 、m o 、v 、t i 、m n 等元素，c r 、m o 元素有利于提高 材料抗蠕变性能，c r 元素含量越高越好，但其价格较高。有文献表明0 5 c r - m o v 、 1 c r - m o v 、1 2 5 c r - m o 、2 2 5 c r - m o 、9 c r - l m o 等系列低合金c r - m o 钢的疲劳蠕变性能 大体随着c r 含量的提高而增强；m o 、v 、t i 、m n 等元素容易与c 原子结合，形成碳化 物，从而起到固熔强化的作用【7 】，而微量的p 也能起到晶界强化的作用。但试验表明， v 元素的加入对疲劳蠕变性能不利，例如对2 2 5 c r - m o v 钢与2 2 5 c r - m o 钢相比，抗疲 劳蠕变性能有所下降。其原因可从单调机械性能方面加以理解，v 元素的加入使材料的 屈服极限、强度极限和弹性模量得到提高，延伸率和收缩率下降，从而使相同总应变控 制下的试验时产生的塑性应变有所下降，半寿命处的饱和应力以及循环中的平均应力都 有所提高，因此造成了抗疲劳蠕变性能的降低 4 8 , 4 9 】。 ( 2 ) 材料机械性能的影响 无疑材料的疲劳强度、持久强度等指标都是影响疲劳蠕变寿命的重要因素。而塑性 延性和蠕变断裂延性也是影响疲劳蠕变寿命的重要参数，该参数的相对大小表征着材料 断裂模式结构的组成，即塑性延性、蠕变断裂延性的变化改变了材料抗疲劳抗蠕变能力 之比。延性耗竭理论认为，当材料蠕变延性较高，塑性延性先于蠕变延性消耗完时，由 疲劳造成的损伤主要在晶内，形成穿晶断裂；当蠕变延性较低时，蠕变延性先于塑性延 性消耗完，由蠕变造成的损伤主要在晶界，形成沿晶断裂；当蠕变延性与塑性延性相差 不多时，蠕变将与疲劳迭加起来相互促进使晶内和晶界弱化，形成穿晶、沿晶混合断裂。 ( 3 ) 温度的影响 不言而喻，温度的变化将伴随着材料各方面性能的改变，如疲劳强度、持久强度、 延伸率、断裂延性等等。材料抗蠕变性能对温度变化表现非常敏感，温度升高，蠕变强 度、持久强度迅速降低；而抗疲劳性能方面，有些材料随着温度的升高，抗疲劳性能逐 渐降低，而有些材料在某一温度范围出现动态应变时效强化现象，使抗疲劳性能得到较 第二章蠕变条件下裂纹疲劳扩展分析理论 大提高( 如1 6 m n r 钢在3 0 0 。c 左右呻3 、2 2 5 c r - m o 钢在4 2 7 。c 左右m 、3 1 6 l 钢在3 0 0 。c 左 右n 町) 。显然，抗疲劳、抗蠕变性能的相对变化也必然会对疲劳蠕变寿命产生重要的影 响。 ( 4 ) 环境的影响 实验室试验一般是在空气当中进行的，有时要考虑氧化的影响，不同的保持时间， 将会出现不同的氧化损伤。氧化损伤将会与疲劳、蠕变等损伤发生交互作用：一是与晶 界的碳化物结合，促进微裂纹萌生和扩展，另一个是在较高温度下能使裂纹尖端钝化， 降低裂纹扩展速率，即氧化物诱导裂纹闭合效应。 m m m 1 i i 报道了1 2 5 c r - m o 钢在较低的总应变范围、拉伸保持1 1 0 m i n 的疲劳蠕变 交互作用下，试件外表面产生氧化层，在氧化层里，萌生深度较浅的环向裂纹。保持时 间越长，氧化层越厚，裂纹数量越多。长的保持时间也会在材料内部形成蠕变孔洞。 e l l i s o n 1 2 】也报道了l c r - m o v 钢氧化层内的环向裂纹，随拉伸保持时间的增加，能在材 料内部的晶界处萌生裂纹。这些事实均说明氧化作用参与到了疲劳蠕变的交互作用当 中。 另外，实际部件在不同的环境下工作，如各种燃气、氢气、氮气等环境，这些介质 往往与材料发生各种物理化学反应，如腐蚀、氢脆等，从而使构件表面粗糙、性能下降 或造成较大的应力集中，因此环境也是实际高温设备需要考虑的主要因素。 ( 5 ) 加载水平的影响 应变控制模式下，一般通过在最大、最小应变处施加保持时间，或改变加载频率来 研究疲劳蠕变的交互作用；而应力控制模式下，则通过保载来实现。 应变控制模式时，较低应变范围与较高应变范围相比，更容易发生疲劳蠕变交互作 用，而应变幅值较大时，材料断裂将会以疲劳为主，般情况下疲劳、蠕变及其交互作 用失效的分布图如图1 所示。g o s w a m i 9 】等人曾分析l c r - m o v 、1 2 5 c r - m o 、2 2 5 c r m o 、 9 c r - m o 钢疲劳蠕变交互作用对应变保持的依赖关系，结果发现：对拉伸保持比较敏感， 其敏感程度随应变幅的减小反而增加，即较小的应变范围与较大应变范围相比，拉伸保 持的存在更能加速材料损伤，引起蠕变疲劳交互作用。v s s r i n i v a s a n 【1 7 】等人对3 1 6 l ( n ) 钢研究发现：较低应变幅下，拉伸保持对寿命影响较大，而在较高应变幅下，拉伸保持 的影响较小，这时可能是较大的塑性变形较早的引发了裂纹，因保持时间引起的应力松 弛及氧化作用对晶界的损伤不起主要作用。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 鲫 制 制 镯 蹰 图2 - 1 疲劳蠕变交互作用的区域 f i g2 - 1f a t i g u ea n dc r e e pi n t e r a c t i o na r e a 对于应力控制模式，疲劳蠕变交互作用也较多的发生在较低的应力幅度、较大的平 均应力时；而在较大的应力强度、较小的平均应力下，材料断裂将会以疲劳断裂为主， 其疲劳蠕变交互作用曲线既不同于纯疲劳的s n 曲线，又不同于纯蠕变断裂曲线，而是 两者的综合。陈国良等人曾对1 2 c r - l m o v 钢进行过大量研究，根据寿命对应力的不同 依赖关系可以把曲线分成f ( 疲劳) 、c ( 蠕变) 和f c ( 疲劳蠕变交互作用) - - 个区，如图2 一i 。 在f 区，决定断裂的主要因素是交变应力，交互作用表现为平均应力及蠕变应变对疲劳 的加速作用；在c 区，决定断裂的主要因素是平均应力，交互作用表现为交变应力及疲 劳应变对蠕变的加速作用；而f c 区，交变应力与平均应力对寿命均有重要影响，蠕变 断裂与疲劳裂纹均大面积出现，互相竞争发展，使疲劳蠕变断裂过程为两种断裂过程的 叠加。 ( 6 ) 保持、保载时间或加载速率的影响 带有保持、保载试验符合大多数高温结构元件的服役工况，在疲劳蠕变交互作用的 研究中采用得最多。显然，不同的加载速率和保持、保载时间具有不同的蠕变疲劳交互 作用。一般来说，加载频率越低、保持、保载时间越长，与时间相关的蠕变损伤所占的 比重越大，材料的寿命就越低。 这里是指拉伸峰值的保持或保载，而压缩阶段的保持或保载对寿命的影响目前还不 确定。g o s w a m i 9 】对纯金属、焊接合金、铜合金、低合金钢、不锈钢、钛合金、钽合金、 镍基合金等多种材料的保持敏感性进行了总结，发现随保持时间的增加，其敏感性越大， 9 第二章蠕变条件下裂纹疲劳扩展分析理论 但也有一些例外：少数的铜合金、超合金，保持对延长寿命是有利的；另外还发现保持 时间敏感性只在某- - f - j 槛值( 应变范围) 以下才有效，一旦超过该门槛值，保持时间的改 变将不再显著影响材料的寿命。压缩保持对1 c r - m o v 钢的蠕变疲劳交互作用起着负的 影响，即增加材料寿命，使蠕变疲劳寿命大于纯疲劳寿命，其原因被认为是压缩保持阶 段对微裂纹的联合作用造成的。而b r i n k m a n 1 4 】等人曾发现2 2 5 c r m o 钢具有压缩保持 敏感性，即压缩保持也能降低材料寿命，使疲劳蠕变寿命低于纯疲劳寿命。 拉伸保持时间内一般将出现应力松弛现象，应力松弛会引起平均应力的降低，从而 对蠕变疲劳寿命的提高有利，但应力松弛的另一个作用是使一部分弹性应变转化为非弹 性应变或蠕变应变，即使保持时间内蠕变应变的增加速率是递减的，但这仍然会加速材 料的损伤，促进蠕变孔洞的形成。从这个观点来看，材料对保持时间的敏感性依赖于二 者或更多因素的竞争，如果后者占主要地位，则应力松弛蠕变效应成为长时间保持下蠕 变疲劳寿命降低的主要原刚1 5 】；如果二者利弊相抵，材料对拉伸保持不敏感。另外长时 间的保持保载，还要考虑氧化用作的影响。 ( 7 ) 加载历史的影响 实验研究时可采用顺序加载型载荷谱，即疲劳与蠕变在和顺序地施加于试件上，以 考察加载顺序的影响。陈杰富等人【1 6 】曾对1 2 c r - l m o v 钢进行不同加载顺序的试验，f - c 型试验结果表明，母材和焊材在先承受疲劳损伤后，再承受蠕变损伤时，其蠕变断裂寿 命总体有所提高，即疲劳蠕变呈负的交互作用；母材c f 型试验结果显示：先承受蠕变 损伤，再承受疲劳损伤时，蠕变疲劳呈负的交互作用，特别是当蠕变损耗分数处于0 2 , - 0 3 之间时，疲劳寿命远高于纯疲劳寿命。与母材相反，焊材先承受蠕变损伤后，其疲劳性 能降低，呈正的蠕变疲劳交互作用。另外，t n a k a m u r a t l 。7 】曾对改进的9 c r - l m o 钢，进行 一系列的6 0 0 。c 、高真空环境下( 0 1 m p a ) 的疲劳蠕变试验。实验中通过改变加载频率来 研究加载历史的影响：一种是先进行慢拉伸、快压缩或慢拉伸、慢压缩的疲劳一蠕变循 环，再进行快拉伸、快压缩的疲劳循环；另一种则顺序相反。研究结果表明：先进行疲 劳蠕变循环，并逐步增加其所占比重时，断口逐步由纯疲劳的穿晶断裂过渡为沿晶断裂： 而当先进行疲劳循环，再进行疲劳蠕变，这时主裂纹扩展总体上是沿晶的，而不论先 前进行的疲劳加载历史的影响。 由此可知，加载历史或初始损伤对材料的疲劳蠕变性能有着重要的影响，而实际高 温设备要经历复杂的加载历史，其疲劳蠕变交互作用也势必会非常复杂。 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 3 疲劳蠕变交互作用的寿命预测方法 ( 1 ) 寿命一时间分数法 在工程上至今仍被广泛应用的是线性累积损伤理论，是由德国人p a l m g r e m 及美国 人m i n e r 先后于1 9 2 4 年及1 9 4 5 年提出的，简称m i n e r 理论。 m i n e r 理论应用于高温问题，在多级加载情况下，疲劳引起的损伤为： 圭芋：d ，( 2 - 1 ) 乞nn i 蠕变引起的损伤为： 壹 ；d c ( 2 - 2 ) 两者之和即为寿命一时间分数法。破坏表达式为： 喜瓮+ 喜苦= 。 p 3 ， a s m e 锅炉压力容器规范案例分析( n 4 7 ) 采用的就是寿命时间分数法，用式( 2 - 2 ) 估 计算蠕变损伤。 英国r 5 规范结构高温响应的评定规程采用延性耗散理论( d e m ) 计算蠕变损伤， 即通过式( 2 4 ) 计算每一循环的蠕变损伤 4 = j ：”丽6 d t ( 2 - 4 ) 如果勺与占无关，上式可简化为： 4 。筹 ( 2 - 5 ) 式中：占、占，是非弹性应变速率和材料临界延性； t 为每循环内的保持时间； e 为弹性模量； a o 为0 时间内的应力松弛范围。 然后对疲劳损伤和蠕变损伤进行线性累积，按疲劳蠕变交互作用图判断构件是否萌 第二章蠕变条件下裂纹疲劳扩展分析理论 生裂纹，如图2 2 所示。该图阴影面积为安全无裂纹区。疲劳蠕变交互作用图通过大量 的试验测得。张光荣等人【1 8 】曾采用圆弧过渡来代替图中的折线，给出了致裂界限方程式。 1 o o 8 吕 举a 。6 求 妪 裴 燎 o 2 o 。r - i c一f l | 9m o 洲 一 。j ，。 、 3 0 4 和3 1 6 ；i 镧 卜 l ，代 、 、 ， 、 、 、 。 、 弋 oo 2o o e t81 0 疲劳损伤分数d f 图2 - 2 疲劳蠕燹交互作用图不例 f i g2 - 2c h a r to ff a t i g u ea n dc r e e pi n t e r a c t i o n 寿命时间分数法没能考虑拉伸保持和压缩保持的区别。 l a g n e b o r g t l 9 1 对上述理论进行了改进，增加疲劳蠕变交互作用项，用以描述疲劳蠕 变的非线性交互作用： d c + b ( d c d i ) 1 7 2 + d ，= 1 ( 2 6 ) 式中：b 为疲劳蠕变交互作用系数。 后来谢锡善等人又对上式提出的理论进行了改进，用以描述疲劳损伤、蠕变损伤 往往是非对称的特点： d 0 + 爿d 尝d 夕”+ d f = 1 ( 2 - 7 ) ( 2 ) 频率修正法( f m 法) 及频率分离法( f s 法) 频率修正法也是一种比较古老的方法，首先是由c o f f i n 冽提出来的，认为低周疲劳 中主要损伤是塑性应变所引起的，根据e c k e l 观测，提出下列的公式： v r r = 常数= f ( a c 尸) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中：t ，是破坏时间，k 是依赖温度的材料常数，v 为频率。 等式左边可写成 ，= v r 等叫卢1 此即频率对寿命的修正公式。 因此高温下，考虑到频率的修正，m a n s o n c o f f i n 公式可写成 v k - ! n i 占；= c ( 2 8 ) 当k = 1 时即为室温下的预测公式，表明与频率无关。该种方法只能预测拉伸、压 缩应变速率相同并且保持时间的疲劳蠕变寿命。 另外b a s q u i n 公式也有频率修正形式： 彳( ，) 一p1 ，髟= a a( 2 9 ) 材料常数a 。、。、k 。可从应力范围与循环寿命的双对数坐标中同坐拟合得到，该 式也不适于拉伸、压缩应变速率不同且存在保持时间的寿命预测。 对高温环境下可能存在的不同的拉伸和压缩保持时间，c o f f i n 又于1 9 7 6 年提出了 频率分离法，引入拉伸保持和压缩保持的频率( v ，= 1 t ，v 。= 1 t 。) ，对c o f f i n - m a n s o n 公 式进行修正： n i ：c 占v l ：，( 兰) k ( 2 10 ) 式中：s 加为非弹性应变( 塑性应变与蠕变应变之和) 。 频率分离法认为拉伸和压缩保持对材料具有相同的损伤，忽略了压缩保持可能产生 的拉伸平均应力，以及压缩保持对裂纹的闭合作用，因此在寿命预测结果偏低，尤其是 在保持时间较长的情况下；另外该方法需要不同类型的实验数据拟合出方程中的常数， 如拉伸压缩应变速率不等的试验、对称及非对称的试验，给实际应用带来了麻烦。运用 此法只对1 c r - m o v 钢的试验数据进行了对比，比例因子在1 5 以内。 ( 3 ) 应变范围划分法( s r p ) 这种方法由m a j l s o n 提出，基本观点是：对于与时间相关和时间无关两类应变，即 使应变的量相同，但所引起的损伤并不相同。他考虑蠕变和疲劳的交互作用，把一个应 第二章蠕变条件下裂纹疲劳扩展分析理论 力应变循环中的非弹性应变编程，按其性质不同分成纯机械的应变范围分量和与时 间有关的应变范围分量的组合，即p p 、c p 、p c 、c c 分量，如图2 4 所示。然后确定每 一部分所引起的损伤，求和得出总的损伤【4 8 】。 篓能动，o ， 。 ， ? k l譬 缪2 应交 叠熏 图2 - 3 典型迟滞徊线( p p 、p c 、c c 的组合) f i g2 - 3t y p i c a le l a s t oh y s t e r e s i sl o o p ( p p 、p c 、c c ) 遇也间早循扑买验( p p 、c p 、p c 、c c ) 口j 简仂荚似十c o f f i n - m a n s o n 公式的各厘燹分 量与寿命之关系式，这里把毛作为控制参量： s 。n = c j n j u q - 1 1 ) 式中， 代表p p 、c p 、p c 、c c 。 各损伤进行简单叠加即可得到疲劳蠕变交互作用的总损伤： 土n = 击n ( 2 - 1 2 ) 厶口 、“。， 这里各爪非荦陛应变范围所产生的损伤且用古表示，也可考施i j 各应变范围的交 互作用影响差异，在损伤律中弓i 入权系数= 筹，于是考虑交互作用的损伤总量为： 古= 卺 p ，3 ， 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 在实际进行的单一循环的实验中，只有p p 循环可以直接得到。其他循环与p p 循环 并存，按如下公式计算： 或： ( 嵋) = 丁l 1 一 n f 怆t n 、) n p p ( z x c p p 、) f 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 应变划分法自提出以来，得到了广泛的应用。对不同材料的统计分析的结果表明， 其对蠕变疲劳寿命的预测能力基本在2 倍因子以内，但寿命非常短或时间非常长的情况 除外。这种方法的缺点一是试验量比较大，需要不同类型的组合试验缺点方程中的常数； 二是当迟滞环不封闭或不稳定时，应变划分较为困难；三是没有考虑平均应力对损伤的 影响。 ( 4 ) 应变能范围划分法及其他能量方法 何晋瑞等人提出应变能划分法( s e p ) 【2 3 填基本思想是：认为决定疲劳损伤的主要因 素是消耗于裂纹扩展时所需的非弹性应变能，并假设只有使裂纹张开的拉伸迟滞徊线面 积所代表的应变能才会发生疲劳损伤，使微裂纹扩展。把非弹性应变能的拉伸部分作为 控制参量。s e p 法继承了s r p 法关于不同应变范围对损伤起不同贡献的观点，建立了个 应变能分量与寿命的关系，即： n - c ，( u ) 岛- - c ( 口o - 眦a 6 ) 岛 ( 2 - 1 6 ) 式中：c 、岛为试验确定的材料常数 畅为形状系数，为拉伸应变能与矩形面积仃m 缸占p 之比。 按照线性累积损伤法则，得寿命估算公式： 土：v 互 - ( 2 1 7 ) 巧= 警g t g r a 8 。 i ” 式中：巧为权系数。 该理论似乎未能对微裂纹萌生之前“扩展”，“张开”做出解释，但资料表明，该理 毛磊 第二章蠕变条件下裂纹疲劳扩展分析理论 论比s r p 法更为精确。 1 9 8 4 年董照欣、何晋瑞有对频率分离法进行了修正，称为s e f s 法，考虑不同的拉 伸压缩保持时间，把拉伸保持和压缩保持分开，其公式为： n - r = c ( 仃懈占。) p v f ( v 。v ，) 。 ( 2 1 8 ) 式中：c 、m 、k 为常数。 类似的方法还有o s t e r g r e n 提出的能量方法，认为在任何高温寿命预测中都应该包 括平均应力的影响，对疲劳损伤起作用的这部分能量对应着