高温构件蠕变损伤与裂纹扩展预测研究新进展

精准的寿命预测是高温构件设计制造与运行维护的关键,但多轴应力和裂纹等缺陷的存在使得寿命预测的难度大大增加。综述了笔者近年来在高温蠕变损伤模型和蠕变裂纹扩展仿真方面的研究工作,主要包括:讨论了应力水平和应力状态对蠕变断裂应变的影响规律;基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型;采用基于应变的损伤力学模型,预测了多种含缺陷结构中蠕变裂纹的扩展行为,并分析了蠕变条件下多个表面裂纹干涉、扩展及合并的全过程;发展了基于晶界孔洞化损伤机制的裂纹扩展分析方法,实现了蠕变疲劳裂纹扩展仿真和蠕变疲劳氧化裂纹扩展仿真。这些工作为建立考虑多轴应力影响的含缺陷高温构件寿命预测方法提供了有力支持。     

温度和蠕变损伤对HK40钢蠕变裂纹扩展的影响

通过在1103～1163°K下测量HK40钢时辰变裂纹扩展速率,分析了温度对蠕变裂纹扩展速率的影响,求出的裂纹扩展激活能接近蠕变激活能,这表明裂纹扩展由蠕变的某种机制控制。在1144°K下,研究了铸态（NL）,运行21000小时（YB2）和运行50000小时（DB1）三种材料的蠕变裂纹扩展行为。指出,铸态材料和蠕变损伤的材料的蠕变损伤的材料的蠕变裂纹扩展行为是不同的,DB 1蠕变空洞数量多是其裂纹扩展速率高于YB2的主要原因,细小二次碳化物使裂纹扩展速率增高。     

基于微观损伤模型的强度非均质焊接接头抗延性裂纹扩展阻力特性研究

基于材料微观损伤模型,采用三维有限元数值方法,定量研究了焊接接头中强度匹配、试件几何型式对接头抗延性裂纹扩展阻力特性的影响。首先由标准三点弯曲试件的阻力曲线,得出反映材料微观损伤的特殊单元模型控制参量,再根据该参量对不同接头强度匹配下双边缺口拉伸试件的阻力曲线进行了定量预测,其结果与试验结果相当吻合。表明特殊单元模型能很好地描述材料的抗延性裂纹扩展阻力特性。     

多处损伤的疲劳裂纹扩展分析方法研究

多处损伤(multiple site damage，MSD)是影响老龄飞机结构完整性的重要因素之一。文中以线弹性断裂力学为基础，将应力强度因子组合模型、裂纹连通准则、断裂准则以及MSD扩展中相关性处理综合在一起，建立一种等幅载荷谱下MSD裂纹扩展分析方法，并用所编程序对三种典型MSD模式的扩展与断裂过程进行计算分析。结果表明，寿命预测结果与试验结果吻合很好。     

不同裂纹扩展公式的裂纹扩展寿命对比研究

不同裂纹扩展公式所对应的扩展寿命是不同的,本文在某型直升机主桨叶延寿过程中,通过对其根部接头材料的断裂性能试验,计算得到了不同裂纹扩展公式下的裂纹扩展寿命,时比研究了不同裂纹扩展公式下的裂纹扩展寿命的差异,并分析研究了应力比对裂纹扩展寿命的影响.对于不同的裂纹扩展公式,应力比越大,裂纹扩展寿命越小,应力比越小,裂纹扩展寿命越大.     

国产P92钢的蠕变裂纹扩展行为研究

对国产P92钢开展了600℃蠕变试验,得到了蠕变变形曲线、蠕变指数和蠕变延性等,再在600℃进行蠕变裂纹扩展行为试验研究,得到了蠕变裂纹萌生时间和蠕变裂纹扩展速率与蠕变断裂力学参量C^*的关系,将国产P92钢的性能与BS 7910数据进行比较,评估NSW模型的预测效果,计算得到材料的蠕变断裂韧性。结果表明,蠕变裂纹萌生时间和蠕变裂纹扩展速率与蠕变断裂力学参量C^*之间有较好的双对数线性相关性。国产P92钢的蠕变裂纹扩展性能优于BS 7910中9%Cr钢的平均性能,NSW模型的平面应力预测结果与试验数据接近,材料的蠕变断裂韧性随着服役时间的增大逐渐降低。该研究结果可以用于评估长期服役高温结构的安全性。     

高温蠕变条件下表面裂纹扩展行为分析

裂纹的存在及其扩展严重限制着高温承压部件的使用寿命,而目前对结构三维蠕变裂纹扩展行为的认识及其预测仍比较有限。以典型耐热钢P91为例,在650℃下对其开展了不同应力和不同初始裂纹尺寸的表面裂纹蠕变扩展试验,通过断面观察获得了蠕变裂纹扩展形貌演化,并采用基于多轴蠕变损伤模型的有限元法、基于蠕变裂纹尖端参量C*的有限元法以及英国标准BS7910推荐的简化计算方法进行表面裂纹蠕变扩展分析。结果表明,基于多轴蠕变损伤模型的有限元法能够合理地描述裂纹最终轮廓并准确地预测裂纹扩展时间。相比之下,基于C*的有限元法和BS7910简化计算方法计算的裂纹形貌预测有明显偏差,并且较依赖于紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验数据及其拟合的参数C和q,易导致过于保守的裂纹扩展时间预测。评估了不同计算方法对于表面裂纹蠕变扩展行为的预测能力。     

基于微观损伤模型的强度非均质焊接接头抗延性裂纹扩展阻力 …

基于材料微观损伤模型,采用三维有限元数值方法,定量研究了焊接接头中强度匹配、试件几何型式对接头抗延性裂纹扩展阻力特性的影响。首先由标准三点弯曲试件的阻力曲线,得出反映材料微观损伤的特殊单元模型控制参量,再根据该参量对不同接头强度匹配下双边缺口拉伸试件的阻力曲线进行了定量预测,其结果与试验结果相当吻合。表明特殊单元模型能委好地描述材料的抗延性裂纹扩展阻力特性。     

Cr—Mo—V钢蠕变裂纹开裂和扩展研究

研究了低合金Cr-Mo-V 钢在脆性和韧性状态时蠕变裂纹开裂和扩展速度。试验证明:随着蠕变断裂韧性提高,Cr-Mo-V钢蠕变裂纹扩展速度明显地降低。适当降低钢的强度,而提高其蠕变断裂韧性δ_(ce),则25 Cr 2 Mo1 V 钢的螺栓断裂寿命显著改善。文内提出了蠕变裂纹开裂准则和蠕变裂纹扩展速度与力学参量及蠕变断裂韧性δ_(ce)间关系式。     

内爆炸下管道裂纹渐进式动态扩展机制研究

现有研究表明内爆炸下管道裂纹呈现渐进/周期式扩展特征,但具体机制与内在规律尚不明晰.基于耦合损伤演化的热黏塑性本构模型、简化气体爆轰模拟算法以及改进的流固耦合算法,构建了内爆炸下管道裂纹动态扩展分析模型,较好复现了试验中典型裂纹扩展行为与管道断裂形貌.在此基础上,深入探究了管道应力波传播、管道径向振动与裂纹动态扩展间的...     

预测疲劳裂纹扩展的多种理论模型研究

大多数工程断裂是因疲劳而引起的,所以金属材料的低周疲劳和裂纹扩展速率性能一直受到安全设计部门的关注。长久以来,国内外学者在建立金属材料低周疲劳行为和裂纹扩展速率性能之间的关系方面进行了多材料和多角度的研究。基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹扩展失效准则,提出用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。针对国内外相关工作的研究,基于平面应力裂纹尖端小范围屈服应力应变场和疲劳裂纹尖端循环塑性区内的应变能失效准则,提出一个可用于I型疲劳裂纹扩展速率的预测模型。借助已发表的15种金属材料对应的低周疲劳和裂纹扩展速率性能数据,详细分析和比较所提出的预测模型与其他6种预测模型的预测规律和结果。研究表明,所提出的预测模型能够预测更广泛的金属材料疲劳裂纹扩展速率,并且较其他6中预测模型更符合安全设计的理念。     

结构裂纹损伤的Lamb波层析成像监测与评估研究

结构健康监测研究中,板壳类结构裂纹损伤监测一直是研究的热点。采用基于相关性分析的概率损伤重构算法(Reconstruction algorithm for probabilistic inspection of damage,RAPID),对结构裂纹损伤监测进行研究。利用RAPID算法中采用信号之间的差异性进行损伤识别和重构,克服了Lamb波复杂多模传播特性对信号分析的影响。在此基础上提出一种改进的RAPID算法,根据裂纹损伤对Lamb波监测信号的反射及散射作用,通过校正损伤区域中裂纹方向上的信号差异系数值(Signal difference coefficient,SDC),强化裂纹方向上的重构图像信息,实现对裂纹损伤的图像重构,并由接收端SDC分布图评估出裂纹的长度。试验结果表明,该方法能较为准确地实现对裂纹损伤的直观图示,重构出的裂纹层析图像能很好地反映裂纹的信息,实现方向及长度的评估,可用于对裂纹损伤的定量评估和扩展监测。     

温度及时间对20MnMo钢内裂纹修复作用的SAM研究

通过物理模拟及ＳＡＭ分析研究，明确了金属材料内部理解纹高温修复的现象，确定了其初步规律，成功地将ＳＡＭ技术用于对金属材料高温损伤的定量检测。声显微镜扫描图像显示，随着加热温度的升高，试件内裂纹逐渐修复。在内裂纹的修复过程中，原理解纹区域首先１被晶粒细小的金属所占据，随修复过程的进行，原裂纹区域的细晶部分斩减小并一基体金属相融合，直至完全消失。通过声显微扫描图地内裂纹的变化情况进行了基体金属相融合，     

汽轮机转子钢蠕变损伤的非线性超声评价

超超临界汽轮机高温部件长期服役会产生蠕变损伤,威胁设备的强度安全,快速、有效地检出高温构件蠕变损伤状况对保证设备服役安全意义重大。采用中断蠕变试验,在实验室模拟获得了汽轮机转子钢FB2不同程度的蠕变损伤,进行损伤后试样的非线性超声纵波表征试验。结果表明:非线性超声参量随转子钢FB2蠕变损伤程度的增加而增大;透射电镜微观分析表明,超声非线性参量增大与位错密度增加有关;非线性超声纵波参量与高应力水平下的位错攀移和低应力水平下的位错滑移存在较好的函数关系。进一步以位错密度为中间量,建立非线性参量22 1A A和稳态蠕变变形速率ε?的关联式。     

对2024铝合金疲劳裂纹扩展寿命进行预测

通过二维弹塑性有限元计算得到Ⅰ型静态裂纹在常幅疲劳载荷下裂纹尖端塑性应变能,进而获得裂纹尖端塑性应变能和应力强度因子幅值的非线性关系;根据能量平衡概念,建立了裂纹扩展速率与裂纹尖端塑性应变能的关系。由此得到一种基于裂纹尖端塑性应变能的疲劳裂纹扩展寿命预测模型,利用该模型预测了中心裂纹平板的疲劳裂纹扩展寿命,预测结果与试验值吻合得很好。     

利用铝合金疲劳裂纹扩展速率预测其断裂韧度

测试了2124铝合金TL与LT取向疲劳裂纹扩展门槛值,提出了用疲劳裂纹失稳扩展阶段最后十个循环中的最大值来估算2124铝合金TL与LT取向的断裂韧度K′C的方法,并将其与Forman公式预测的断裂韧度Kc值进行对比。结果表明:K′C与Kc值结果相近,误差分散度小;将K′C值代入全范围疲劳裂纹扩展速率表达式中,对2124铝合金TL和LT取向试验数据进行计算,预测结果与试验结果较好吻合。     

基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测

针对传统Paris疲劳裂纹扩展模型预测精度低、无法考虑裂纹扩展过程中各种不确定因素影响的问题,提出一种基于非线性预测滤波算法的疲劳裂纹扩展预测方法.使用基于Paris公式的状态空间方程表征裂纹扩展过程,采用基于Lamb波的监测技术构建观测空间方程,利用实时观测信息修正模型预测值.最后通过Q235钢试件的单边疲劳裂纹扩展...     

焊接接头脆性断裂评定的局部法研究进展

介绍了几种焊接结构断裂行为预测和评定方法的局限性。从理论基础、微观理论基础、评定方法等方面详细论述了焊接接头脆性断裂评定的局部法，并介绍了国内外研究状况及最新进展。指出研究各种塑性损伤模型在焊接接头中的可行性，探讨符合焊接接头特点的塑性损伤模型及控制参量的必要性。分析塑性损伤对Beremin解理断裂模型局部断裂参量的影响，进而利用局部法对焊接接头的脆性断裂行为进行科学预测。     

ZG20MnSi钢断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率试验研究

研究了ZG20MnSi钢及其焊接热影响区的断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率。ZG20MnSi钢在常温下有较高的断裂韧度,δi达0.158mm,在0℃时δi为0.145mm。焊接热影响区的断裂韧度降低,但常温下δi也达0.146mm,在0℃时δi为0.139mm。ZG20MnSi钢在空气中的疲劳裂纹扩展速率方程为dn/dN=5.2857×10-12(△K)4.1;在滴水环境中的疲劳裂纹扩展速率方程为da/dN=3.7515×10-13(△K)4.9。