【摘要】：蠕變裂尖拘束效應(yīng)對材料與結(jié)構(gòu)的蠕變裂紋擴(kuò)展速率具有顯著的影響,在高溫結(jié)構(gòu)完整性設(shè)計(jì)和評定中,需要準(zhǔn)確地納入這種影響。裂尖拘束分為面內(nèi)拘束和面外拘束,對于試樣和結(jié)構(gòu)中的三維裂紋,面內(nèi)與面外拘束同時(shí)存在,其主要受試樣和結(jié)構(gòu)幾何、裂紋尺寸及加載方式等的影響。為在含裂紋高溫結(jié)構(gòu)的蠕變壽命評價(jià)中準(zhǔn)確地納入裂尖拘束的影響,需要研究和發(fā)展可同時(shí)表征面內(nèi)與面外統(tǒng)一蠕變拘束的參數(shù)。本文通過數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析相結(jié)合的方法,主要研究基于裂尖等效蠕變應(yīng)變的面內(nèi)與面外統(tǒng)一的蠕變拘束參數(shù)Ac;材料的蠕變裂紋擴(kuò)展速率與統(tǒng)一蠕變拘束參數(shù)Ac的關(guān)聯(lián);參數(shù)Ac統(tǒng)一地表征焊接接頭裂紋的幾何拘束(面內(nèi)與面外拘束)與材料拘束的能力;基于參數(shù)Ac的含軸向和環(huán)向內(nèi)表面裂紋承壓管道的拘束表征和拘束參數(shù)解等。論文主要研究工作與結(jié)果如下:(1)采用基于延性耗竭蠕變損傷模型的有限元法模擬得到了不同面內(nèi)和面外拘束C(T)試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率,有限元計(jì)算了這些試樣裂尖前的等效蠕變應(yīng)變�；诹鸭馇暗刃渥儜�(yīng)變等值線所圍的面積,研究定義了一個(gè)可同時(shí)表征面內(nèi)與面外蠕變拘束的統(tǒng)一拘束參數(shù)Ac。參數(shù)Ac可與不同面內(nèi)和面外拘束試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率形成統(tǒng)一的關(guān)聯(lián)線,表明Ac對面內(nèi)和面外拘束同樣敏感,其是一個(gè)可以統(tǒng)一表征面內(nèi)和面外蠕變拘束的參數(shù)。進(jìn)一步分析表明,參數(shù)Ac與載荷水平無關(guān),與蠕變時(shí)間(t/tred0.7)無關(guān),與等效蠕變應(yīng)變δc等值線的選取無關(guān)。參數(shù)Ac的這些特征使其便于進(jìn)行拘束分析和工程應(yīng)用。(2)通過三維有限元法,計(jì)算了不同幾何和加載方式試樣的拘束參數(shù)Ac,探明了參數(shù)Ac沿不同試樣厚度的分布規(guī)律及試樣尺寸的影響規(guī)律。對比分析了參數(shù)Ac和基于裂尖應(yīng)力場的蠕變拘束參數(shù)R*、h和表征不同幾何和加載方式試樣的寬范圍面內(nèi)和面外拘束的能力。結(jié)果進(jìn)一步表明,基于裂尖等效蠕變應(yīng)變的參數(shù)Ac可用來準(zhǔn)確定量地表征不同試樣中寬范圍的面內(nèi)和面外拘束及其交互作用。(3)基于不同幾何和加載方式試樣的拘束參數(shù)Ac的計(jì)算,并結(jié)合文獻(xiàn)中這些試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和本文的數(shù)值模擬數(shù)據(jù),研究建立了Cr-Mo-V鋼和316H鋼的蠕變裂紋擴(kuò)展速率與拘束參數(shù)Ac的統(tǒng)一關(guān)聯(lián)式。由關(guān)聯(lián)式預(yù)測的不同幾何試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。該關(guān)聯(lián)式可望用于含裂紋高溫結(jié)構(gòu)的蠕變裂紋擴(kuò)展壽命評價(jià)中,以提高評價(jià)的準(zhǔn)確性。(4)采用延性耗竭蠕變損傷模型的有限元法模擬得到了不同面內(nèi)和面外拘束水平焊接接頭C(T)試樣的蠕變裂紋擴(kuò)展速率,并計(jì)算了參數(shù)Ac值。研究了參數(shù)Ac統(tǒng)一表征焊接接頭裂紋的兒何和材料復(fù)合拘束的能力。結(jié)果表明,隨幾何拘束和材料拘束的增加,蠕變裂紋擴(kuò)展速率加快;參數(shù)Ac可以同時(shí)表征焊接接頭裂紋的幾何拘束(面內(nèi)和面外拘束)和材料蠕變性能失配引起的材料拘束效應(yīng)�；趨�(shù)Ac建立了P92鋼焊接接頭裂紋的幾何與材料統(tǒng)一拘束與蠕變裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)聯(lián)式。(5)基于參數(shù)Ac,對含軸向和環(huán)向內(nèi)表面裂紋承壓管道的拘束進(jìn)行了三維有限元計(jì)算表征。計(jì)算結(jié)果表明,裂紋前沿較深處的蠕變拘束水平比自由表面附近高,參數(shù)Ac可以表征管道表面裂紋的面內(nèi)和面外蠕變拘束。管道裂紋的拘束水平隨裂紋深度a/t的增加和裂紋深長比a/c的減小而增大,隨管道徑厚比Ri/t和壁厚t的增大而升高。計(jì)算得到了管道裂紋的拘束參數(shù)Ac的有限元解,并擬合得到了計(jì)算管道裂紋前沿最深點(diǎn)、表面點(diǎn)及裂紋前沿平均拘束值的經(jīng)驗(yàn)公式。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB30
【圖文】：

試樣蠕變裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)的研究，依據(jù)不同蠕變載荷條件而提出了楔型沿晶裂紋擴(kuò)展（Ｗ逡逑型）、晶界孔洞裂紋擴(kuò)展（Ｖ型）和穿晶裂紋擴(kuò)展（Ｔ型）三種蠕變裂紋擴(kuò)展機(jī)理，逡逑如圖１．３所示。逡逑（ａ｝逡逑，邐ｖ邋（ｂ）邐？邐＜ｃ）逡逑ｆＰｈ邋，邋ｒ邋－邋＾逡逑１１＾；邐？邋＾，ｒｎｒ逡逑圖１．３邋８００Ｈ合金Ｃ（Ｔ）試樣蠕變裂紋擴(kuò)展金相圖，Ｗ型（ａ），Ｔ型（ｂ）和Ｖ型（ｃ）丨９９丨逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ邋ｏｆ邋ｃｒｅｅｐ邋ｃｒａｃｋ邋ｇｒｏｗｔｈ邋ｏｆ邋Ｃ（Ｔ）邋ｓｐｅｃｉｍｅｎ邋ｆｏｒ邋８００Ｈ邋ａｌｌｏｙＷ－ｔｙｐｅ邋（ａ），邋Ｔ－ｔｙｐｅ邋（ｂ）邋ａｎｄ逡逑Ｖ－ｔｙｐｅ邋（ｃ）［９９］逡逑

第１０頁邐華東理工大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑在均質(zhì)材料中，幾何拘束（結(jié)構(gòu)幾何尺寸、裂紋尺寸及加載方式）影響著裂紋尖端的逡逑應(yīng)力－應(yīng)變場［８２＿８５］，從而也影響著ＣＣＧ速率［８９］。在實(shí)際工業(yè)中，許多構(gòu)件都是通過焊逡逑接工藝加工制造的。許多實(shí)驗(yàn)及研究表明，焊接接頭中的材料拘束效應(yīng)導(dǎo)致了焊接接頭逡逑中應(yīng)力應(yīng)變場的復(fù)雜分布，最終在焊接接頭中形成局部多軸應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致焊接接逡逑頭成為高溫構(gòu)件中蠕變裂紋起裂（ＣＣＩ）及蠕變裂紋擴(kuò)展（ＣＣＧ）的薄弱區(qū)域，因此，高溫構(gòu)逡逑件的蠕變斷裂事故經(jīng)常發(fā)生在焊接接頭中［４８］。Ｈｏｌｄｓｗｏｒｔｈ［１Ｑ（）］通過對Ｐ９１及Ｐ９２逡逑（９Ｃｒ０．５Ｍ0ｌＷＶＮｂ）鋼焊接接頭的ＣＣＧ實(shí)驗(yàn)證明了接頭中不同微觀組織蠕變損傷的差異逡逑決定了焊接接頭的ＣＣＧ路徑。由于其微觀組織的不同，對于裂紋位于ＩＣＨＡＺ內(nèi)的Ｐ９１逡逑鋼焊接接頭，其裂紋仍在此區(qū)域內(nèi)直線擴(kuò)展（圖１．４（ａ）），而對于同樣裂紋位置的Ｐ９２逡逑鋼焊接接頭，其裂紋既在原始裂紋面內(nèi)直線擴(kuò)展也會在成分較為復(fù)雜的熔合區(qū)內(nèi)形成二逡逑次裂紋（ＳＣ）（圖邋１．４（ｂ））。逡逑

（９Ｃｒ０．５Ｍ0ｌＷＶＮｂ）鋼焊接接頭的ＣＣＧ實(shí)驗(yàn)證明了接頭中不同微觀組織蠕變損傷的差異逡逑決定了焊接接頭的ＣＣＧ路徑。由于其微觀組織的不同，對于裂紋位于ＩＣＨＡＺ內(nèi)的Ｐ９１逡逑鋼焊接接頭，其裂紋仍在此區(qū)域內(nèi)直線擴(kuò)展（圖１．４（ａ）），而對于同樣裂紋位置的Ｐ９２逡逑鋼焊接接頭，其裂紋既在原始裂紋面內(nèi)直線擴(kuò)展也會在成分較為復(fù)雜的熔合區(qū)內(nèi)形成二逡逑次裂紋（ＳＣ）（圖邋１．４（ｂ））。逡逑一邋￣邋一邋—逡逑。，—Ｉ邐。丨：：＿逡逑—ＰＭ邋ＩｈａｚＩｗｍ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑圖１．邋４裂紋位于臨界區(qū)內(nèi)側(cè)的焊接接頭ＣＣＧ損傷圖，（ａ）Ｐ９１焊接接頭，（ｂ）Ｐ９２焊接接頭＿］逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｃｒｅｅｐ邋ｄａｍａｇｅ邋ｆｏｒ邋ｔｈｅ邋ｗｅｌｄｅｄ邋ｊｏｉｎｔｓ邋ｗｉｔｈ邋ｉｎｉｔｉａｌ邋ｃｒａｃｋ邋ｌｏｃａｔｅｄ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ＩＣＨＡＺ，邋（ａ）逡逑Ｐ９１邋ｗｅｌｄｅｄ邋ｊｏｉｎｔ，邋（２）邋Ｐ９２邋ｗｅｌｄｅｄ邋ｊｏｉｎｔ［１００］逡逑５３邋＇邐0邋＞邋：邐Ｂａｓｅ逡逑，ｇ邐－－＾＾ｅｐｃｒａｃ，逡逑＝邐ｎ0ｔｃｈ邐Ｃｈａｚ逡逑（ａ）邐（ｂ）逡逑ＢＨ邋Ｉ

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本文編號：2769174