壓力容器用鋼16MnR高溫?fù)p傷后應(yīng)變疲勞特性研究.pdf

1、工程實(shí)際中經(jīng)常發(fā)生壓力容器在超溫事故工況下短時(shí)間運(yùn)行的情況,這將會造成材料短時(shí)高溫?fù)p傷,研究高溫?fù)p傷對壓力容器的安全運(yùn)行造成的影響在工程上有著非常重要的意義.本文以我國壓力容器行業(yè)最為廣泛使用的低合金鋼16MnR材料為研究對象,在理論分析研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的高溫?fù)p傷后材料性能實(shí)驗(yàn)研究,對高溫?fù)p傷后力學(xué)性能和應(yīng)變疲勞特性的變化規(guī)律有了較為全面的認(rèn)識,建立了16MnR材料高溫?fù)p傷后應(yīng)變疲勞研究方法.主要研究內(nèi)容如下: 系統(tǒng)

2、地考察了短時(shí)高溫?fù)p傷對16MnR材料短時(shí)拉伸性能、硬度的影響,并且進(jìn)行了拉伸斷口金相組織分析,得到了高溫?fù)p傷后材料強(qiáng)度、塑性指標(biāo)變化規(guī)律,并且給出了硬度與屈服強(qiáng)度關(guān)系式,進(jìn)而建立起以硬度作為高溫?fù)p傷參量的材料性能預(yù)測方法. 通過對16MnR材料短時(shí)高溫?fù)p傷后抗斷裂性能的實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)了高溫?fù)p傷對斷裂韌性、低周疲勞壽命及應(yīng)變疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.隨著損傷溫度的升高、加熱時(shí)間的延長,起裂韌度J<,i>呈現(xiàn)出增加的趨勢,低周疲勞壽命

3、下降明顯,應(yīng)變疲勞擴(kuò)展速率da/dN則呈現(xiàn)出增加的趨勢.提出了基于J積分的與材料損傷溫度、時(shí)間相關(guān)的裂紋擴(kuò)展表達(dá)式. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,還找到了所考察的各項(xiàng)力學(xué)性能受到相變轉(zhuǎn)變溫度的影響的本質(zhì)特征. 考慮了短時(shí)高溫?fù)p傷對塑性應(yīng)變能及其響應(yīng)速率的影響,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立了以塑性變形能作為疲勞擴(kuò)展參量的疲勞壽命預(yù)測模型,分別給出了不同損傷溫度、時(shí)間下的關(guān)系式,并且反映出滯后回線塑性應(yīng)變能的變化規(guī)律. 借用損傷機(jī)制描述裂紋

4、擴(kuò)展規(guī)律.在對低周疲勞模型進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上,提出了借用損傷機(jī)制描述裂紋擴(kuò)展規(guī)律的損傷模型,考慮了損傷溫度、保溫時(shí)間對應(yīng)變疲勞損傷及其演化過程的影響.以累積殘余塑性能定義的損傷變量較為正確地反映出疲勞損傷累積的物理特征,在實(shí)際測量中也是可行的.得到了不同損傷溫度、時(shí)間的16MnR材料應(yīng)變疲勞裂紋擴(kuò)展損傷演化方程.建立以裂紋擴(kuò)展塑性變形能為損傷變量的疲勞裂紋壽命表達(dá)式,它較好地反映了應(yīng)變疲勞塑性變形功累積的本質(zhì)特征,并考慮了高溫?fù)p傷的影響.

5、 采用分形理論研究16MnR材料短時(shí)高溫?fù)p傷后斷口表面分形維數(shù)與材料性能的相互關(guān)系.得到了分形維數(shù)與損傷的變化規(guī)律.建立用分形維數(shù)分析材料力學(xué)性能的方法,進(jìn)而預(yù)測材料的宏觀力學(xué)性能. 本文創(chuàng)新點(diǎn)為:①對16MnR材料短時(shí)高溫?fù)p傷進(jìn)行了系統(tǒng)而全面的實(shí)驗(yàn)研究,對高溫?fù)p傷后力學(xué)性能和應(yīng)變疲勞特性的變化規(guī)律有了較為全面的認(rèn)識,建立了16MnR材料高溫?fù)p傷后應(yīng)變疲勞研究方法.②考慮了短時(shí)高溫?fù)p傷對塑性應(yīng)變能及其響應(yīng)速率的影響,建立

6、了以塑性變形能作為疲勞擴(kuò)展參量的疲勞壽命預(yù)測模型,分別給出了不同損傷溫度、時(shí)間下的關(guān)系式.③以累積殘余塑性能定義損傷變量,得到不同損傷溫度、時(shí)間的16MnR材料應(yīng)變疲勞裂紋擴(kuò)展損傷演化方程.建立以裂紋擴(kuò)展塑性變形能為損傷變量的疲勞裂紋壽命表達(dá)式.④在分形研究中,利用圖象處理技術(shù)獲取三維坐標(biāo)后,計(jì)算出斷口的真實(shí)分形維數(shù),掃描間距達(dá)到金屬材料μm級精度的要求.與以前計(jì)算斷口分形維數(shù)的小島法、垂直剖面法和用圖像灰度來代替高度的方法相比,具有無