（固体力学专业论文）新结构材料力学行为的获取方法.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 材料低周疲劳和疲劳裂纹扩展性能对于结构的安全评价和设计有重要意义。针对 新型核电结构材料：z r - s n n b 合金、t a l 7 合金和c r 2 n i 2 m o v 钢，通过系统的材料低周 疲劳、疲劳裂纹扩展试验研究和数值模拟，取得了如下研究成果： ( 1 ) 对于小曲率半径漏斗试样，根据疲劳损伤等效原理，提出了一种低周疲劳测 试新方法：l l f 方法，该方法以漏斗两端的轴向测试应变作为控制应变，通过弹塑性有 限元分析，得到测试应变到缺口根部局部应变的转换模型，进而获得材料的 m a n s o n c o f f i n 疲劳寿命估算模型； ( 2 ) 开展了z r - s n - n b 薄片合金在室温、2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 、4 5 0 年d 5 0 0 下 单调拉伸试验，获得了各温度下的单轴本构模型；基于l l f 方法，采用薄片漏斗试样， 完成了以上各温度下z r - s n - n b 合金的低周疲劳试验，建立了不同温度下的材料的 m a n s o n c o f f i n 疲劳寿命估算模型； ( 3 ) 高温对z r s n - n b 合金静强度和循环强度的影响都经历了先急剧下降而后逐渐 平稳的过程，并且高温对循环强度的影响程度高于静强度；z r - s n - n b 合金的疲劳寿命 随温度的增大而降低，降低程度随应变幅的变化呈线性规律，进而建立了用于预测 z r - s n n b 合金高温低周疲劳寿命的2 - m a n s o n c o f f i n 模型： ( 4 ) 对t a l 7 合金、c r 2 n i 2 m o v 钢的低周疲劳和c r 2 n i 2 m o v 钢的疲劳裂纹扩展行 为进行了试验研究，建立了两种材料的m a n s o n c o f f i n 模型和c r 2 n i 2 m o v 钢的p a r i s 模型； ( 5 ) 提出了一种预测材料与结构疲劳裂纹扩展速率的数值模拟新方法：l f f 方法， 该方法假定裂纹尖端小范围屈服区材料应变疲劳损伤行为与光滑试样应变损伤行为等 效，进而定义一种新的局部疲劳损伤参量，根据材料的m a n s o n c o 衢n 低周疲劳模型， 以裂尖最大主应变方向的垂直方向作为疲劳裂纹扩展方向，并由a n s y s 命令流程序来 实现材料裂纹扩展速率的数值模拟；采用l f f 方法，开发了一套a n s y s 裂纹扩展计算 命令流程序，预测了c r 2 n i 2 m o v 材料复杂裂纹c t 试样及t a l 2 合金、t c 4 合金直裂纹c t 试样的疲劳裂纹扩展行为，通过与疲劳裂纹扩展试验结果比较，验证了l f f 方法对多种 材料裂纹扩展行为均有良好模拟精度。 另外，基于试验与有限元分析，本文对一种新型钢塑复合管进行了强度分析，给 出了复合管的屈服强度和失稳强度，研究了影响钢塑复合管屈服与失稳强度的温度效 应与尺寸效应，提出了预测钢塑复合管屈服与失稳强度的估算模型，当考虑1 2 倍安全 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 裕量时，该模型对外径规格为5 0 m m 至4 0 0 r a m 的钢塑复合管屈服强度和失稳强度的预 测精度可以得到保证。 关键词：低周疲劳；疲劳裂纹扩展；屈曲；疲劳损伤；试验方法；数值模拟；有限元； 寿命估算；薄片材料；t a l7 ；z r - s n - n b ：c r 2 n i 2 m o v ：m a n s o n - c o f f i n 模型；p a r i s 模 型；复合型裂纹；钢塑复合管 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 jl 页 a b s t r a c t l o w - c y c l e f a t i g u e ( l c f ) a n df a t i g u e c r a c k p r o p a g a t i o n ( f c p ) p r o p e r t i e so fm a t e r i a l s p l a yg r e a tr o l e si nt h el i f ea s s e s s m e n to fs t r u c t u r e s f o rn u c l e a rp o w e rs t r u c t u r a lm a t e r i a l s ： z r - s n n b ，t a 17a n dc r 2 n i 2 m o vs t e e l ，t h e i rl c fa n df c pb e h a v i o rw e r es y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e db yt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h em a i nw o r k s a r eg i v e na sf o l l o w s ： ( ! ，) a sf o rs m a l lc u r v a t u r er a d i u sf u n n e l l i k en o t c h e ds p e c i m e n s ，at e s tm e t h o do fl c f t e s t sb yl o c a lf a t i g u ed a m a g ee q u i v a l e n t ( l f d e ) a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ，n a m e d a sl l fm e t h o d ，w a sp r e s e n t e do nt h eb a s i so ff a t i g u ed a m a g ee q u i v a l e n ta s s u m p t i o n f o r l l fm e t h o d , t h eu n i a x i a ls t r a i ne x t e n s o m e t e rf i x e do nt h es i d eo faf l a n n e l l i k es p e c i m e ni s u s e dt oc o n t r o ll c ft e s t s ，a n dt h es t r a i nc o n v e r s i o nm o d e lf r o mt h eu n i a x i a ls t r a i nt ot h e l o c a le q u i v a l e n ts t r a i na tt h en o t c hr o o to ft h es p e c i m e ni se s t a b l i s h e db yf e a ，a n dt h e n m a n s o n c o f f ml i f ee s t i m a t i o nm o d e lc a l lb eo b t a i n e d ( 2 ) as e r i e so fm o n o t o n i ct e n s i o nt e s t so fz r - s n - n ba l l o yw e r ec a r r i e do u ta ts e v e r a l t e m p e r a t u r e sf r o m2 0 c t o5 0 0 。c ，a n dc o r r e s p o n d i n gu n i a x i a lc o n s t i t u t i v em o d e l sw e r e g i v e n b a s e do nl l fm e t h o d ，l c ft e s t so f z r s n - n ba l l o yw e r ec o n d u c t e du s i n gf l a n n e l - l i k e s l i c e - s p e c i m e n sa tt h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r e s ，c o n s e q u e n t l y , m a n s o n c o n f f i nm o d e l sf o rl c f l i f ep r e d i c t i o na tt h et e m p e r a t u r e sw e r ep r e s e n t e d ( 3 ) t h ee l e v a t e dt e m p e r a t u r ee f f e c to nb o t hc y c l i cs t r e n g t ha n ds t a t i cs t r e n g t ho f z r - s n - n ba l l o yd e c r e a s e sg r e a t l ya tt h es t a r t ，a n dt h e nd e c r e a s e ss t a t i o n a r y g r a d u a l l y , m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c eo fe l e v a t e dt e m p e r a t u r eo nc y c l i cs t r e n g t hi sg r e a t e rt h a nt h a to n s t a t i cs t r e n g t h f a t i g u el i f eo fz r - s n - n ba l l o yd e c r e a s e s 、析t hi n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e a n dt h e l i f ev a r i e sl i n e a r l yw i t hu n i a x i a ls t r a i na m p l i t u d e f u r t h m o r e ，2 - m a n s o n c o f f i nm o d e lf o r l c fl i f ep r e d i c t i o no fz r - s n - n ba l l o yw a se s t a b l i s h e d ( 4 ) t e s ti n v e s t i g a t i o n so nf a t i g u ea n df r a c t u r eb e h a v i o ro ft a17a l l o ya n dc r 2 n i 2 m o v s t e e lw e r ep e r f o r m e d ，a n dt h e i rf a t i g u ep r o p e r t i e so b t a i n e da r eu s e f u lf o rn u c l e a rp o w e r e n g i n e e r i n g ( 5 ) an e wn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o db yu s i n gl c ft e s t sa n df e at op r e d i c tf c p r a t eo fm a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s ，n a m e da sl f fm e t h o d ，w a sp r e s e n t e d f o rl f fm e t h o d ，i t i sa s s u m e dt h a tt h ec r i t i c a lf a t i g u ed a m a g ew i t h i np l a s t i cr e g i o na h e a do fc r a c kt i pi st h e s a m ea sc r i t i c a ll c fd a m a g eo fa nu n i a x i a ls m o o t hs p e c i m e n ，a n dt h e na l la v e r a g ef a t i g u e d a m a g ep a r a m e t e ri sd e f i n e da c c o r d i n gt om a n s o n c o f f i nm o d e l ，a sw e l la st h ed i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a rt om a x i m u mp r i n c i p a ls t r a i nd i r e c t i o ni sd e f i n e da sf c p d i r e c t i o n a n s y s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 v 页 c o m m a n ds t r e a mw a sd e v e l o p e dt or e a l i z el f fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na l g o r i t h m ，a n d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fa n s y ss o f t w a r ew a sc a r r i e do u tt oi m p l e m e n ts e q u e n c i n g c a l c u l a t i o no ff c pr a t e f o rc o m p a c tt e n s i l e ( c t ) s p e c i m e n s 晰也c o m p l i c a t e dc r a c kf o r c r 2 n i 2 m o vs t e e la n ds t r a i g h tc r a c kf o rt a l2a l l o ya n dt c 4a l l o y , l f fm e t h o dw a s a p p l i e dt op r e d i c tt h e i rf c pb e h a v i o r t h er e s u l t ss h o wt h a tl f fm e t h o dh a sb e t t e r p r e d i c t e da c c u r a c yf o rm a n yk i n d so fm a t e r i a l s b a s e do nt h et e s ta n df e m a n a l y s i s ，y i e l ds t r e s sa n db u c k l i n gs t r e n g t ho fs t e e l p l a s t i c c o m p o s i t ep i p e sw i 也d i f f e r e n td i m e n s i o nw e r eg i v e na n dt e m p e r a t u r ea n dd i m e n s i o n e f f e c t so ny i e l da n db u c k l i n gs t r e n g t ho fs t e e l p l a s t i cc o m p o s i t ep i p e sw e r ei n v e s t i g a t e d a n e wm o d e lt oe s t i m a t et h ey i e l ds t r e n g t ha n db u c k l i n gs 仃e n g t ho fs t e e l - p l a s t i cc o m p o s i t e p i p e sw i mo u t d i a m e t e rf r o m5 0 m m t o4 0 0 m mw a sp r e s e n t e da n di th a se n o u g hp r e c i s i o n k e y w o r d s ：l o wc y c l ef a t i g u e ；f a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n ；b u c k l i n g ；f a t i g u ed a m a g e ；t e s t m e t h o d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n t ；l i f ee s t i m a t i o n ；s l i c es p e c i m e n s ；t a l7 ； z r - s n - n b ；c r 2 n i 2 m o v ；m a n s o n c o f f i nm o d e l ；p a r i sm o d e l ；m i x e dm o d ec r a c k ；s t e e l - p l a s t i c c o m p o s i t ep i p e 西南交通大学 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 西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：盏浮传 指导老师签名： 日期：础万2 ，日期：2 - 0 1 夕石、y 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 基于小曲率半径漏斗试样，提出了一种材料单轴低周疲劳性能的试验方法 ( l l f 方法) ：以漏斗试样缺口两端的轴向测试应变作为控制应变，通过弹塑性有限元 分析，得到测试应变到漏斗根部局部应变的转换模型，基于局部应变等效原理建立材 料的疲劳寿命估算模型； ( 2 ) 通过试验，研究了室温下反应堆结构材料t a l 7 钛合金、汽轮机转子材料 c r 2 n i 2 m o v 钢的低周疲劳试验行为，获得了材料的m a n s o n c o f f i n 疲劳寿命估算模型； 研究了c r 2 n i 2 m o v 钢室温下的裂纹扩展试验行为，获得了p a r i s 模型； ( 3 ) 采用薄片漏斗试样，应用l l f 方法系统研究了室温 一5 0 0 高温下反应堆核 燃料组件结构材料z r - s n n b 薄片合金的低周疲劳行为，归纳了z r - s n - n b 合金低周疲劳 的温度效应； ( 4 ) 提出了一种预测材料与结构疲劳裂纹扩展行为的数值模拟新方法( l f f 方 法) ：基于材料低周疲劳临界损伤，以最大主应变方向的垂直方向作为疲劳裂纹的扩展 方向，通过有限元计算得到裂纹扩展方向上裂尖塑性区域各节点的应力幅、应变幅和 损伤参数，进而根据疲劳裂纹非连续扩展特性建立疲劳裂纹扩展模型。三种材料的l f f 模拟结果与试验结果有良好一致性； ( 5 ) 基于有限元分析，建立了用于钢塑复合管屈服强度和失稳强度的估算模型， 该模型用于新型钢塑复合管的屈服与失稳强度预测有良好精度。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：量学传 日期：矽反z 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 特殊材料试样的低周疲劳试验方法和循环变形行为研究 材料或结构在循环载荷作用下，应力水平在低于材料强度极限、甚至比弹性极限 低的情况下材料可能会发生破坏，这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象，就 叫做疲劳破坏。 1 1 1 基于应变的低周疲劳试验方法 疲劳研究历史可追溯到1 8 5 0 年第一台疲劳试验机( 即沃勒疲劳试验机) 的诞生， 沃勒在1 8 7 1 年发表的论文中，确定了应力幅是疲劳破坏的决定因素，奠定了金属疲劳 的基础。2 0 世纪5 0 年代，随着闭环控制的电液伺服疲劳试验机的问世，美国国家航空 航天管理局n a s a 刘易斯研究所的曼森( s s m a n s o n ) 和科芬( l f c o ) 在大量试 验数据的基础上提出了著名的m a n s o n c o f f i n 方程，奠定了低周疲劳的基础。1 9 6 3 年 美国的帕里斯( c p a r i s ) 在断裂力学的方法上，提出了估算疲劳裂纹扩展规律的著名 幂律关系式- - p a r i s 律，发展出了损伤容限设计。1 9 7 1 年，维茨( r m w e t z e l ) 在 m a n s o n c o f f i n 方程的基础上，提出了根据应力应变分析，估算疲劳寿命的一整套方法 一局部应力应变分析方法。随着材料科学和试验技术的不断发展，对疲劳的研究也逐 渐深入，至今关于金属疲劳的研究仍是金属力学行为研究领域中的一个重要组成部分。 在工程中，有些零件运行的周次至少应该达到1 0 6 1 0 7 次，应力循环控制下的这 类零件破坏称为高周疲劳。另一些零件运行周次一般不超过1 0 4 - - 1 0 5 次，应变循环控 制下的这类零件破坏称为低周疲劳。材料的低周疲劳性能对于结构的安全寿命评估设 计有很重要的作用，我国已发布的金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法有g b 6 3 9 9 1 9 8 6 、g b t1 5 2 4 8 1 9 9 4 和g b t1 5 2 4 8 2 0 0 8 。国际上，美国材料与试验协会a s t m 发布了应变控制环疲劳试验( a s t me6 0 6 1 9 9 2 ) 、应变控制疲劳试验的标准实施规程 ( a s t me 6 0 6 2 0 0 4 e 1 ) ，国际标准化组织( i s o ) 发布了金属材料轴向应变控制疲劳试 验方法( i s o1 2 10 6 2 0 0 3 ) 。 对于一些小尺寸构件材料，材料样品仅可加工成小尺寸疲劳试样。考虑n d , 直径 等直试样符合国标的等直段长度较小，不易满足一般引伸计的标距要求，也考虑到等 直试样难以实现对材料焊缝局部疲劳行为模拟，故有必要选用小曲率半径的缺口漏斗 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 试样实现加载。但采用小曲率半径的缺口漏斗试样完成低周疲劳试验，难以依据国内 外疲劳规范获得材料的低周疲劳性能，比如，薄片试样单轴应变加载时极易失稳，采 用传统等直试样很难实现等幅应变循环控制，规范没有提供可用的试验方法。 对于薄片试样的低周疲劳，国内外学者作了一定的探讨。w i s n e rs b t l 】采用漏斗状 试样完成了z r - 4 合金薄片试样的常温低周疲劳试验，试验的控制应变采用径向应变， 轴向应变幅等于漏斗细腰部的平均弹性应变幅与等效塑性应变幅之和，轴向应力幅选 取细腰部的平均应力。f a nx u a n h u a ，c a il i x u n 等1 2 叫通过夹具的设计、试验的调试， 实现了z r 4 合金径向应变控制的高温低周疲劳试验，考虑到漏斗根部的应变梯度，引 入了形状因子和等效泊松比的概念，采用国标推荐的径向到轴向应变的转换公式得到 了轴向应变以及漏斗细腰部的平均应力，建立疲劳寿命估算的m c 模型。叶裕明，蔡力 勋等【5 , 6 1 对于薄片漏斗试样的低周疲劳提出了局部应变等效原理，通过有限元的方法解 决了漏斗试样到等直试样的局部应变换算，但未能对其进行系统的研究。黄学伟，蔡 力勋【7 】根据局部应力应变原理，基于漏斗细腰局部边界节点处于单轴应力状态，提出了 疲劳损伤等效原理，通过大量有限元的计算，建立了z r - 4 合金考虑几何效应、泊松效 应的应变转换模型，建立了z r - 4 合金薄片材料的m a n s o n c o f f i n 疲劳寿命估算模型， 揭示出国标推荐【8 】的应变转换公式用于小圆弧半径漏斗试样的局限性。基于局部应变等 效原理的薄片金属材料的低周疲劳试验方法尚存在缺陷，为使之形成一种可行的低周 疲劳试验新方法，有必要依据小曲率薄片漏斗试样缺口两端的轴向测试应变来进行深 入研究。 1 1 2t a l 7 合金疲劳性能的研究 t a l 7 合金，名义成份t i 4 a 1 2 v ，国际上同类型合金的牌号为f i t - 3 b ，是由前苏联 普罗米修斯中央结构材料科学研究院研制，我国应工程的需要也成功的研制了该合金。 t a l 7 合金综合性能优良，具有中等强度，有良好的焊接性能和抗水腐蚀性能及较高的 静力和循环强度等，能够广泛应用于造船、化工、航空和原子能等领域【9 】。 t a l 7 合金作为一种结构材料，须对其力学行为进行深入的研究。在国外，z g w a n g 等从微观方面研究了3 0 0 。c 高温水蒸汽下t i 4 a 1 2 v 合金氧化层的组织成份【l 们， b s r o d c h e n k o v 等研究了辐射对t i 4 a 1 2 v 合金力学性能的影响【】，a r e b r a h i m i 等研 究了热氧化对t i 4 刖2 v 合金疲劳性能的影响【12 1 。但由于该合金在我国的应用刚刚起 步，因此国内对该合金的研究较少，现有的研究集中在热处理方式【1 3 】、高能喷丸、 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 氢化【1 5 】对t i 4 a 1 2 v 合金微观组织的影响，以及t i 4 a 1 2 v 合金在焊接中的工艺研究【1 6 1 ， 对于疲劳行为的研究还少见报道，因此研究t i 4 a 1 2 v 合金的低周疲劳行为对于结构的 安全运行有重要的意义。 1 1 3z r s n - n b 合金循环性能及其疲劳行为的研究 核电能源的安全、清洁、可靠已被人们广泛接受。核反应堆中由于锆的热中子吸收 截面小，并具有优异的耐高温水腐蚀性能、良好的综合力学性能和理想的热导率，因 此，锆合金被用作核电站水冷动力堆核燃料元件的包壳材料和堆芯的其他结构材料1 1 7 1 。 核工业用锆合金发展至今，已经历了三代且均在反应堆中应用【硌l ，第一代是z r - 2 和z r - 4 ；第二代是低锡z “和优化z r _ 4 ；第三代是以美国的z i r l o 合金【1 9 1 ，俄罗斯的 e 3 6 5 合金【2 0 1 ，法国的m 4 、m 5 合金1 2 ，日本的n d a 合金 2 2 1 ，我国的n 1 8 、n 3 6 合金 2 3 1 为代表的新锆合金。这些新型锆合金正在逐步取代核电中传统的z r - 2 、z r - 4 、z r - l n b 和z r - 2 5 n b 合金。 早期广泛使用的z r - 4 合金，众多学者对其各种力学性能已经进行了大量详细而深 入的研究。苟渊【2 4 】等研究了不同氢含量的z 卜4 及z r - s n - n b 合金在室温下疲劳裂纹扩 展( d a d n ) 行为。肖林【2 5 】等研究了锆及锆4 合金单轴拉压对称低周疲劳。蔡力勋、李聪、 范宣华等采用z 卜4 合金的漏斗状试样与等直试样，研究了z r 4 合金常规力学行为、 m a s i n g 特性、应变疲劳与寿命估算，揭示了温度对z r - 4 合金的影响【3 _ 5 2 眈刀。 对于新型n 1 8 锆合金，苟渊等【2 8 1 对其管材进行了常温下的低周疲劳研究。张建军 等【2 9 1 开展了新锆合金在3 7 5 高温下的低周疲劳性能研究。孙超【3 0 】对n 1 8 合金薄壁管 在2 0 0 - - 4 0 0 范围内的拉伸和循环变形行为，以及氢含量对低周疲劳性能的影响进 行了研究。陈洪军等【3 l 】实现了n 1 8 合金薄壁管试样的高温应变循环试验，并对n 1 8 合 金的高温应变循环和低周疲劳行为进行了研究。谭军等【3 2 j 研究了氢化锆对n 1 8 合金循 环变形行为的影响。 以往关于锆合金低周疲劳性能的研究多是基于棒材和管材试样。随着核动力应用 与研究的发展，水冷动力堆燃料元件的结构形式正从棒材元件向板材元件发展。因此， 基于薄片板材试样，系统地开展较大温度范围z r - s n n b 新锆合金的拉伸、循环变形行 为、低周疲劳行为等方面的研究，对于核电工程的安全控制和研制高性能的燃料组件 具有重要的意义。对于板材试样，特别是1 - 2 t u r n 厚薄片试样，由于柔度大、力响应小、 易失稳，采用等直试样很难实现等幅循环试验控制，而采用漏斗型试样完成等幅应变 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 疲劳有较大难度。蔡力勋6 1 ，范宣华 2 】通过设计试样、夹具等实现了薄片漏斗形小试样 常温、高温低周疲劳试验，但是，仍未恰当解决该漏斗形试样到等直试样的局部应变 等效换算问题。现行疲劳试验国家标准【8 】推荐的应变换算方法又没有考虑漏斗试样根部 的应力集中等因素的影响。 1 1 4c r n i m o v 转子材料的力学性能研究现状 近年来，燃气轮发电机组发展非常迅速，特别是燃气一蒸汽联合循环的发电机组 已在国外获得广泛应用。由于燃气一蒸汽联合循环发电机组的高效、节能和环保的明 显优势，将称为我国今后电力发展的方向。目前国内外的汽轮机制造厂对设计此类机 组都采用单气缸形式，这就要求采用高压一低压一体化整锻汽轮机转子，即高低压一 体化整锻转子【3 3 1 。 高低压一体化整锻转子即在一根整锻转子锻件的高中压段具有一般高中压转子所 要求的高温持久和蠕变强度。在低压段又具有低压转子所要求的抗拉强度和韧性。现 在用于高温的i c r m o v 钢转子锻件的持久与蠕变强度优良，但韧性欠佳；而用于低 温的3 5 n i c r m o v 转子锻件的抗拉强度与韧性优良，但高温持久与蠕变强度偏低。 这就需要一种一体化的整锻转子锻件，它应同时兼具有高的持久强度与良好的韧性。 对于一体化转子材料，在高压区材料的屈服强度应该满足6 0 0 m p a 7 0 0 m p a 的强度要 求，在低压区屈服强度应大于7 0 0 m p a 。 经过3 0 余年的研究和发展，日、美等发达国家已经形成了可用于高低压一体化的 1 2 5 c r 、2 5 n i 等基本材料。1 9 9 0 年，一种含c r 量为2 2 5 的新型高、低压 联合转子材料开发成功，室温强度高于7 0 0 m p a 时仍具有良好的持久强度【34 1 。同时发 现，增加c r - m o v 钢中的铬含量，添加镍，控制s i 、p 和s 含量，进而形成了 2 2 5 c r - 1 m o 0 7 n i 0 2 5 v 钢并实用化，其后，通过降低猛含量，并加入少量的钨和铌元 素细化晶粒，开发出性能更加优良的2 2 5 c r - 1 m o 0 2 w - 1 7 n i 0 2 v - 0 2 5 n b 钢【35 | 。东方 汽轮机厂对其成分进一步优化后获得了一种性能优良的高、低压一体化转子用钢1 3 6 j 。 对于c r - n i m o v 转子材料，崔晋娥等【3 7 1 通过一系列的热处理方式，获得的 2 c r m o n i w v 钢具有良好的综合力学性能。项东，刘增良，全锦【3 8 】从微观上分析了 n i c r m o - v 、c r - m o 两种材料的晶体结构，并比较了二者的常规力学性能。金嘉瑜， 荆天辅【3 9 1 根据高低压联合转子使用特性和技术要求，设计了相应的2 5 n i c r m o v 钢 转子材料，并进行了相关的物理和工艺参数试验，并对试验结果进行了对比和讨论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 范华，钟杰，杨功显【4 0 1 完成了2 2 5 n i c r m o v 高低压一体化转子材料的各种力学性能的 试验研究，包括室温和高温拉伸试验、高温持久试验、延性断裂韧性扔c 试验、疲劳试 验和裂纹扩展试验等，试验表明这种材料是一种性能优秀的高低压一体化转子用钢。 沈红卫，王思玉，刘霞【4 1 j 介绍了屈服强度为7 0 0 m p a 的新焊接转子材料2 5 c r 2 n i 2 m o v 的基本性能。朱明亮，轩福贞等1 3 3 】分析了化学成分和制造工艺对一体化转子钢的影响， 并对6 种转子材料的性能进行了比较。 1 2 疲劳裂纹扩展速率的数值模拟研究 1 2 1 疲劳裂纹扩展概述 工程中大量的破坏事故是由疲劳裂纹的扩展而引起，因此疲劳裂纹问题是断裂力 学中研究最多，收集数据量最大的领域4 2 1 。传统的“无限寿命 和“安全寿命”设计 方法并不能充分保证构件的可靠性和经济性。有些裂纹体具有相当长的疲劳扩展寿命， 而传统的设计却不允许构件有宏观裂纹，这是不经济的。断裂力学正好为解决这一矛 盾提供条件，以断裂力学为基础建立起来的疲劳设计方法，称为“破损安全”设计， 或称为“损伤容损”。这种设计方法的基本原则是：容许构件在使用期内出现裂纹，但 必须具有足够的裂纹扩展寿命，以保证在使用期内裂纹不会失稳扩展而导致构件疲劳 破坏。疲劳裂纹扩展速率是“损伤容损设计方法中的重要特征参量，它在评估结构 的安全性、可靠性以及失效分析和寿命等方面有着重要的意义。 1 2 1 1 疲劳裂纹扩展速率的概念 d a d n ( 或口，) 称为疲劳裂纹扩展速率，表示交变应力每循环一次裂纹长度的 平均增量，它是裂纹长度口、应力幅值或应变幅值的函数。 研究疲劳裂纹扩展速率的目的，是为了获得裂纹的扩展理论，建立d a d n 与a 、a o - ( 或a e ) 以及材料性质之间的关系，并写成普遍公式。根据这个理论，不仅能够预测 带裂纹结构的剩余寿命，而且能够供给设计者选择材料的参考。 1 2 1 2p a r i s 公式 在线弹性断裂力学范围内，应力强度因子k 能够恰当地描述裂纹尖端的应力场强 度。大量的试验证明，应力强度因子k 也是控制裂纹扩展速率的主要参量，d a d n 与 应力强度因子幅度斌存在一定的函数关系。图1 1 给出了疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖 端应力强度因子幅的关系，由图可以看出，在双对数坐标系中，d a d n 与必可以近似 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 用三段直线表示。根据三段直线的斜率不同，可以将其大致分为i 、三个阶段。 在第1 个阶段以内，a k 值较小，妇d 值也较 低，当值低于某一数值战h 时，由图可见d a d n = 0 ， 这表明，疲劳裂纹基本上不发生扩展，所以该值刨 称为疲劳裂纹扩展的门槛值，它表征材料阻止疲劳 裂纹开始扩展的能力。 疲劳裂纹扩展的第1 i 阶段是疲劳裂纹扩展的 主要阶段，也是决定疲劳裂纹扩展寿命的主要组成 图1 - 1l g ( d a d n ) 与l g ( a k ) 关系曲线 部分。一般认为，在双对数坐标系中d a d n 与赵关系是一条直线，用来描述这一阶段 用的最广泛而且最简单的是p a r i s 提出的表达式 一d a ：c ( 必1 ” ( 1 1 ) d n 、j 式中c 、m 是与描述材料疲劳裂纹扩展性能的基本参数，由试验确定，p a d s 公式表明， 疲劳裂纹的扩展是由裂纹尖端应力场强度因子幅所控制的。 当应力场强度因子幅赵继续增大，则进入疲劳裂纹扩展第1 i i 阶段，此时墨膨已 接近材料的k 1 c ，随裂纹的扩展，似亦迅速增加并导致材料失稳断裂，这一区间仅占 疲劳寿命极少部分。 1 2 1 3 影响疲劳裂纹扩展速率的因素 通过试验发现，除了k 是控制裂纹扩展的主要物理量外，其它如平均应力、应力 条件、加载频率、温度和环境等对d a d n 均有影响。 平均应力对d a d n 的影响可以通过应力比r 来体现。大量的试验表明，当a k 一定时，d a d n 随应力比r 的增加而增加。 在恒幅加载的过程中如果突然受到一个高应力峰的作用，随后又以原先的恒幅加 载，这个高的应力即称为过载峰。大量试验数据表明，在恒载疲劳裂纹扩展中，适当 的过载峰会使裂纹扩展减慢或停滞一段时间，发生裂纹扩展的过载停滞现象，经过一 段时间的恒幅载荷后裂纹的扩展又恢复正常。 1 2 2 疲劳裂纹扩展研究现状 目前对疲劳裂纹扩展速率的研究主要体现在试验研究和数值模拟两个方面。试验 研究方面着重于研究各种不同的因素对材料疲劳裂纹扩展速率的影响。r j o n e s 等 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 基于f r o s t d u g d a l e 模型研究了不同的载荷块谱及其加载顺序对疲劳裂纹扩展速率的影 响。h u a n gx i a o p i n g ，t i a n w e nz h a o ，s k a l n a u s ，q i n z h if a n g 4 4 4 7 1 通过试验研究了不同的 加载比r 以及降载、过载对疲劳裂纹扩展速率的影响，王莺等【4 8 】研究了温度对3 1 6 l 钢疲劳裂纹扩展速率的影响，并从微观方面揭示了高温影响疲劳裂纹扩展速率的机理。 对于有些材料不能满足传统的p a r i s 公式，a m l a d i b ，c a r e b a q t i s t a l 4 9 】针对钛合金， 提出了一种新的疲劳裂纹扩展速率模型( 讲模型) 。 在数值模拟研究方面，多数学者探讨了如何利用材料的疲劳裂纹扩展速率规律对 结构裂纹起裂方向以及裂纹扩展寿命进行研究，m s c h o l l m a n n 掣5 0 】基于材料的p a r i s 规律，采用自适应网格划分以及子模型的方法对零件的疲劳裂纹扩展进行了预测研究。 c h f u r u k a w a 掣5 1 】针对飞机蒙皮上的横向裂纹，利用有限元方法研究了飞机蒙皮的破 坏过程。另外很少一部分学者基于疲劳损伤对材料疲劳裂纹扩展速率进行了预测研究。 p j h u r l e y , w j e v a n s 等【5 2 】基于t i6 2 4 6 合金的低周疲劳试验，选择w a l k e r 应变作为损伤 参量，建立w a l k e r 应变与寿命的关系，基于裂尖的应力应变场以及线性疲劳损伤累计 法则，采用有限元的方法数值模拟了疲劳裂纹扩展过程，并讨论了裂纹扩展步长、加 载比对疲劳裂纹扩展速率的影响。姜风华等【5 3 j 利用有限元计算得到裂尖的应力应变场， 选择等效塑性应变作为损伤参量，获得了材料的疲劳裂纹扩展速率规律，并研究了过 载和应力比r 对疲劳裂纹扩展速率的影响。但由于裂纹尖端存在应力奇异性，因此直 接由裂尖材料的损伤来判定裂尖材料失效是不恰当的。g l i n k ag e 5 4 】在裂尖“断裂扩展过 程区”内引入了应变疲劳的思想，并以此对疲劳裂纹的扩展进行描述，但这种模型含 有大量的试验常数。沈海军掣”】给出了基于裂尖“损伤区 的疲劳裂纹扩展模型，但 由于其采用近似理论的方法，计算裂尖附近的弹塑性应力应变场，其精度有限。y a n y a o j i a n g ，f e i f e if a n 5 6 - 5 8 等基于多轴本构关系和临界损伤概念，预测了材料的i 型裂纹疲 劳裂纹扩展速率，但由于其采用了多轴本构模型，有较多的可调参数，运算非常复杂， 且多轴疲劳临界损伤所依赖的多轴疲劳数据的精度和可靠性受较多因素影响，使得影 响有限元计算精度的人为因素很多。 目前国内基于数值模拟对疲劳裂纹扩展速率的预测研究较少，由此，本文将通过 对材料低循环疲劳损伤的研究，采用有限元方法得到材料的疲劳裂纹扩展速率规律， 并对复杂裂纹的疲劳裂纹扩展进行数值模拟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 3 钢塑复合管的强度分析研究 1 3 1 复合管道简介 i 厂金属骨架复合管1 ：茎三：三二三二管 l 端嚣增r 靴继酣赅销 复合管材与金属管材相比具有许多优点【5 9 】，主要是由于复合管利用增强骨架来提 要童兰璺盔主霉圭至窑兰主簦兰兰兰! 要 1 3 2 钢塑复合管的研究现状 新型钢塑复合管( 图1 - 3 ) 是以冷轧冲孔 钢带焊接的孔网管为增强骨架，并复合了耐 热聚乙烯( p e r t ) ，具有显著的酎压性能与 耐热性能，新材料复合管道耐腐蚀、节能环 保，可用于热水输送和二级供热采瑷管道以 及化工医药等工业领域中一些高温介质的输 送，如图1 _ 4 所示，因此它具有很广阔的应用 前景0 l 。 孔内聚l 烯 孔目* 管 图1 - 3 钢塑复合管示意图 图l - 4 工程中使用的钢塑夏台冒 钢塑复合管属于新型复合管因此对于其外压失稳的研究还未见报道，目前对复合 管强度的研究主要集中在纤维增强塑料复合管、钢丝缠绕增强塑料复合管( p s p ) 。 m x i a 等通过正交各向异性材料三维弹性理论得到了多层纤维缠绕复合管在内压作用 下的应力应变解m l 。l e if u 等对复合管道采用d o n n e l l 方程从理论上计算了p s p 的失稳 l 临界压力 6 2 1 ，但对于实际应用的管材往往存在不圆度、厚度不均等初始缺陷，因此理 论计算较为复杂，有限元在模拟复杂工程问题具有明显的优势【6 ”。ag m a - m a l i s 等用 l s - d y n a3 d 模拟了正方形纤维增强塑料管在静态轴向压缩和冲击试验中的压缩性能 和压碎响应i 删。m a w a h a b a 等用有限元软件对多边形复合管道进行了应力和失效分 析，得到了内压作用下，不同边角半径处峰值应力随纤维方向及扭转载荷的变化的规 律哪! 。卢玉斌、任志敏等对p