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国产P92钢的蠕变裂纹扩展行为研究

压力容器 2023年第6期40卷 1-6,14页

作者：侍克献田根起张作贵谈建平刘长军华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室上海200237 上海发电设备成套设计研究院有限责任公司上海200240

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... 详细信息

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。

关键词： P92钢蠕变裂纹萌生时间蠕变裂纹扩展 NSW模型蠕变断裂韧性

焊接接头蠕变性能失配对蠕变裂纹扩展行为的影响研究

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焊接接头蠕变性能失配对蠕变裂纹扩展行为的影响研究

作者：熊昱天津大学

学位级别：硕士

为了保证高温焊接构件的安全服役,有必要对焊接接头的蠕变裂纹扩展(Creep Crack Growth,CCG)行为展开研究。本文以P92钢焊接接头为研究对象,利用数值模拟的方法,研究了双材料焊接接头材料蠕变性能失配程度、失配微区的宽度和试样类型对... 详细信息

为了保证高温焊接构件的安全服役,有必要对焊接接头的蠕变裂纹扩展(Creep Crack Growth,CCG)行为展开研究。本文以P92钢焊接接头为研究对象,利用数值模拟的方法,研究了双材料焊接接头材料蠕变性能失配程度、失配微区的宽度和试样类型对CCG速率、路径和裂尖应力场的影响。分析三材料模型中不同裂纹位置的损伤分布和失效模式。提出一个载荷无关的蠕变拘束参量Q*,建立了失配情况下归一化CCG速率和(1-Q*)的幂律关系式。主要研究内容如下:(1)研究了双材料蠕变性能变化和试样类型对CCG行为的影响。当非裂尖区域材料的蠕变强度高于裂尖材料时,此时损伤主要集中在裂尖,裂纹沿对称面扩展,CCG速率升高;当非裂尖区域材料的蠕变强度低于裂尖材料时,裂尖的应力三轴度降低,而材料界面蠕变软材料侧应力三轴度升高,蠕变损伤在此处聚集,有可能形成二次裂纹快速扩展。材料蠕变性能失配程度一定时,焊缝宽度越窄,焊接接头失配程度越高,上述失配效应越严重。此外,高拘束试样更容易导致蠕变脆性行为;低拘束试样裂尖拘束程度低,裂纹更容易跳出原裂纹面在界面处扩展形成二次裂纹。低拘束试样对焊接接头蠕变性能失配更敏感,在一组特定的材料蠕变性能失配情况下,低拘束的试样CCG速率的分散程度更大。(2)提出了一个高温下载荷无关的新材料拘束参量Q*,用于表征材料蠕变性能失配对裂尖应力场的影响。随后验证了不同失配情况和试样类型下Q*的载荷无关性,建立了归一化CCG速率和(1-Q*)的关联式。在此基础上建立了同时考虑几何拘束和材料拘束的C*-Q*-Q*三参量CCG速率关联方法。(3)三材料模型焊接接头的蠕变损伤不对称分布。对于HAZ中心裂纹,当裂尖材料蠕变强度至少比一种高时,周围软材料受到拘束可能出现二次裂纹。即使HAZ和BM的蠕变强度不变,增加WM的蠕变强度,仍会使BM的损伤增加。对于HAZ界面裂纹,当裂尖材料蠕变强度最低时,裂纹沿对称面扩展。当裂尖材料蠕变强度至少比一种高时,裂纹沿原始裂纹面扩展一段距离后,在材料界面处较软材料侧扩展,两裂纹呈现合并趋势最后焊接接头断裂。(4)在试验基础上进行了实际焊接接头的CCG有限元计算,利用材料拘束参量Q*预测了焊接接头FGHAZ中心裂纹的归一化CCG速率,预测结果和试验结果基本吻合。

关键词：蠕变裂纹扩展焊接接头失配有限元材料拘束

PE100管及其热熔接头的蠕变裂纹扩展行为

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塑料 2020年第1期49卷 124-128,138页

作者：张蕾林凯明张建国高炳军河北工业大学化工学院天津300130 广东省特种设备检测研究院中山分院广东中山528400

聚乙烯(PE)管性能优异,广泛应用于城市水及燃气供应系统。PE管的主要破坏形式是长期静压载荷下的慢速裂纹扩展失效。在蠕变条件下,采用光滑试样和裂纹圆棒试样对PE100管及其热熔接头进行了测试,得到了基于蠕变断裂参数C*的蠕变裂纹扩展... 详细信息

聚乙烯(PE)管性能优异,广泛应用于城市水及燃气供应系统。PE管的主要破坏形式是长期静压载荷下的慢速裂纹扩展失效。在蠕变条件下,采用光滑试样和裂纹圆棒试样对PE100管及其热熔接头进行了测试,得到了基于蠕变断裂参数C*的蠕变裂纹扩展动力学关系式。利用扫描电子显微镜(SEM)分析了裂纹圆棒试样的断面形貌,对比分析结果发现,蠕变裂纹扩展失效模式对应的最大应力为15.05 MPa,热熔接头熔合面分布有约11个/mm^2、直径范围为1~5μm的微气孔,热熔接头断裂微纤平均长度比母材约小20%~45%。当热熔对接时,熔合面存在的微气孔以及系带分子的浅渗透是导致PE100热熔接头蠕变裂纹扩展抗力降低的主要原因。

关键词：聚乙烯管热熔对接接头蠕变裂纹扩展断裂面分析蠕变断裂参数C^*

不同拘束条件下P92钢高温蠕变裂纹扩展速率的有限元模拟

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材料导报 2016年第16期30卷 145-149页

作者：何滨刘军陈建恩葛为民王肖锋天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点试验室天津300384

基于蠕变损伤力学,仿真了蠕变裂纹扩展过程。用ABAQUS软件模拟研究了试样几何形状和宽度不同的两种面内拘束条件对P92钢在650℃时蠕变裂纹扩展(CCG)速率的影响,并进行了试验验证。仿真结果表明:试样几何形状和宽度对CCG速率的影响与载... 详细信息

基于蠕变损伤力学,仿真了蠕变裂纹扩展过程。用ABAQUS软件模拟研究了试样几何形状和宽度不同的两种面内拘束条件对P92钢在650℃时蠕变裂纹扩展(CCG)速率的影响,并进行了试验验证。仿真结果表明:试样几何形状和宽度对CCG速率的影响与载荷水平(C*)有关;在低载荷水平区内,C(T)试样的拘束水平大于SEN(T)试样,并且对应的CCG速率较大;在中载荷水平区,随着试样宽度的增大,裂纹尖端拘束和CCG速率增大;在高载荷水平区,CCG速率基本不受面内拘束(试样几何形状、宽度)条件的影响;在条件相同的情况下,试样宽度拘束水平大于试样几何形状。试验结果表明,试验与有限元分析(FEA)的蠕变裂纹扩展结果相符合。

关键词：蠕变裂纹扩展拘束条件载荷水平 P92钢

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2219铝合金蠕变裂纹扩展同步辐射研究

2219铝合金蠕变裂纹扩展同步辐射研究

作者：胥元勋大连理工大学

学位级别：硕士

随着航空航天领域的发展,高强度或耐高温铝合金的使用变得越来越广泛,其在高温下的性能越来越受到人们的关注,蠕变裂纹扩展行为便是其中之一。由于观察手段的限制,目前的相关研究中大部分是以二维裂纹为研究对象。在本工作中,对蠕变裂... 详细信息

随着航空航天领域的发展,高强度或耐高温铝合金的使用变得越来越广泛,其在高温下的性能越来越受到人们的关注,蠕变裂纹扩展行为便是其中之一。由于观察手段的限制,目前的相关研究中大部分是以二维裂纹为研究对象。在本工作中,对蠕变裂纹扩展行为进行研究的同时,借助同步辐射X射线断层扫描技术研究了三维裂纹。首先采用直流电位法等传统研究方法探究了时效态2219铝合金的蠕变裂纹扩展随时间变化的一般规律。研究发现,增大载荷,裂纹扩展的孕育期大大缩短,加速了试样的断裂;计算并对比分析了两个裂纹尖端参数—应力场强度因子（K）和修正J积分（C*）,发现修正J积分（C*）可以描述不同载荷条件下CT试样的裂纹扩展行为,是合适的裂纹尖端控制参数。在相同实验条件下,两种显微组织试样的蠕变裂纹扩展实验研究表明,晶粒尺寸大且第二相析出较少的组织表现出更好的蠕变抗性,断裂机制从沿晶断裂逐渐转变为穿晶断裂。同时,基于液态镓金属能够沿铝合金基体晶界发生浸润的现象,探索并确定了合适的渗镓工艺:50℃下保温10min,用于2219铝合金基体晶界显示。研究发现,利用渗镓法显示晶界适用于2219铝合金三种类型的组织形态,即轧制态、等轴晶态和时效态,其中等轴晶态与时效态组织的晶界成像效果好于轧制态;等轴晶态样品与时效态样品的晶界显示形态有差异但并不影响对晶界及晶粒形态的分析研究。根据蠕变裂纹扩展曲线（a-t）,将蠕变裂纹扩展行为划分为不同的扩展阶段。采用中断实验采集各阶段裂纹尖端样品,进行了同步辐射X射线断层扫描观察。对重构的切片图及3D体渲染图的观察分析可知,裂纹首先在材料内部形成并发生扩展,且其扩展行为领先于材料表层的裂纹行为;在第一阶段内部裂纹在向前扩展的同时,也会沿着厚度方向向材料表层扩展;另外,第二阶段中有体积较大的独立分支裂纹形成,且随着时间的延续其数量增多,空间体积增大,并与主裂纹合并促进主裂纹的失稳扩展。

关键词： 2219铝合金蠕变裂纹扩展修正J积分（C*）同步辐射

基于高温断裂力学的C型管模型表面蠕变裂纹扩展行为研究

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基于高温断裂力学的C型管模型表面蠕变裂纹扩展行为研究

作者：卫海童华南理工大学

学位级别：硕士

随着能源短缺、环境恶化问题的日益突出,现代工业设备正朝着高温高压趋势发展,加大了金属结构的蠕变断裂失效风险,可能造成经济损失,甚至灾难性的后果。在运输、安装和服役过程中管道和焊缝外表面不可避免地会存在各种缺陷,目前主要通... 详细信息

随着能源短缺、环境恶化问题的日益突出,现代工业设备正朝着高温高压趋势发展,加大了金属结构的蠕变断裂失效风险,可能造成经济损失,甚至灾难性的后果。在运输、安装和服役过程中管道和焊缝外表面不可避免地会存在各种缺陷,目前主要通过标准紧凑拉伸试样测试得到材料的蠕变裂纹扩展速率,但此结果对于管道外表面浅裂纹的蠕变扩展判定过于保守,会导致在役管线不必要的检查、维修或更换,进而增加生产成本。为更好地研究高温承压管道外表面蠕变裂纹扩展行为,本文提出一种更贴近于管道实际工况的C型管试样模型,通过模拟验证、试验研究和理论分析等方法对提出的模型进行进一步研究。主要研究内容包括:(1)C型管模型模拟验证。采用基于有限元软件ABAQUS的逐步分析方法,从蠕变断裂参量C*积分、蠕变裂纹扩展行为和蠕变裂纹扩展时间增量三个方面对C型管轴向裂纹模型和C型管焊缝环向裂纹模型进行研究,并将结果与完整圆管模型相应数据进行对比分析,验证提出的C型管模型的可行性。(2)C型管焊缝试样试验研究。在模型验证成功的基础上,采用金相、硬度、XRD、SEM等分析手段研究了不同应力状态C型管焊缝试样在600℃和650℃条件下,材料的蠕变性能变化、预制裂纹形貌变化和蠕变裂纹扩展行为。结果表明:高温和应力会增大母材与焊缝的性能差异,造成试样整体性能的下降;预制裂纹主要沿管道轴向方向变形扩展;蠕变裂纹主要为沿晶扩展,蠕变空洞的长大、聚集、合并是引起裂纹向前扩展的主要原因。(3)蠕变裂纹扩展影响因素分析。通过有限元软件ABAQUS计算得到蠕变断裂参量C*积分值,进而分析裂纹长度、裂纹深度以及加载应力三种因素对C型管轴向裂纹和C型管焊缝环向裂纹蠕变扩展行为的影响规律。对提出的C型管模型用于管道外表面蠕变裂纹扩展行为研究进行进一步讨论分析。

关键词： C型管模型蠕变裂纹扩展 C*积分有限元分析

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2219铝合金蠕变裂纹扩展及损伤研究

2219铝合金蠕变裂纹扩展及损伤研究

作者：郭琦大连理工大学

学位级别：硕士

铝合金由于其轻量化,逐渐被应用于诸多领域中。随着航空航天的发展,对于耐高温铝合金性能的研究逐渐受到科研人员的关注,而蠕变裂纹扩展是其中重要性能之一。传统的二维观察手段得到了很多重要的蠕变裂纹扩展信息,但一些三维的信息无法... 详细信息

铝合金由于其轻量化,逐渐被应用于诸多领域中。随着航空航天的发展,对于耐高温铝合金性能的研究逐渐受到科研人员的关注,而蠕变裂纹扩展是其中重要性能之一。传统的二维观察手段得到了很多重要的蠕变裂纹扩展信息,但一些三维的信息无法通过二维的方法获得。在本工作中,对蠕变裂纹扩展行为研究的同时,利用基于计算机成像的同步辐射X射线断层扫描对蠕变裂纹尖端进行了研究。本文利用直流电位法等方式探究了试样厚度即面外拘束对蠕变裂纹扩展行为的影响。结果表明,随着面外拘束水平的提高,蠕变裂纹的孕育期变短,开裂点提前,扩展速率增大。在与蠕变裂纹扩展速率的关联中,不同面外拘束水平下,修正J积分C*可以更好的描述裂纹尖端应力场。在低C*区域,面外拘束对蠕变裂纹扩展的影响较小;在高C*区域,面外拘束对蠕变裂纹扩展的影响较大。面外拘束对蠕变裂纹扩展速率的影响与蠕变有关。当面外拘束较小时,材料的三轴应力度降低,试样更容易发生蠕变,导致蠕变裂纹扩展需要更多的能量,降低了速率。之后利用基于计算机成像的同步辐射X射线断层扫描技术对裂纹尖端展开研究。重构结果表明,裂纹尖端附近存在大量的小体积损伤。孔洞的形核生长促进了主裂纹的扩展,并且孔洞的分布与主裂纹扩展方向存在着一定的夹角。厚度方向中心处的裂纹长度要大于试样表面处,孔洞的数量和体积也存在着差异。载荷和蠕变裂纹扩展时间对蠕变裂纹扩展的影响是类似的,即随着载荷和蠕变裂纹扩展时间的增加,主裂纹的长度和体积以及微裂纹、孔洞的数量和体积都会增加。

关键词： 2219铝合金蠕变裂纹扩展面外拘束效应同步辐射断层扫描

显微组织对2219铝合金蠕变裂纹扩展行为的影响

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显微组织对2219铝合金蠕变裂纹扩展行为的影响

作者：黄自德大连理工大学

学位级别：硕士

2219铝合金在航空航天领域有着广泛的应用,作为耐热铝合金的代表,关于其高温断裂性能的研究却少有报道。本文通过实验分析,探究了载荷及晶粒度对2219铝合金蠕变裂纹扩展性能的影响。首先对固溶态2219铝合金冷轧变形,变形量分别为50%和7... 详细信息

2219铝合金在航空航天领域有着广泛的应用,作为耐热铝合金的代表,关于其高温断裂性能的研究却少有报道。本文通过实验分析,探究了载荷及晶粒度对2219铝合金蠕变裂纹扩展性能的影响。首先对固溶态2219铝合金冷轧变形,变形量分别为50%和75%,随后在400-540℃之间再结晶退火处理,观察其晶粒尺寸和显微硬度随退火温度的变化。结果表明,当退火时间为1 h时,随着退火温度的升高,两种变形量的实验材料的晶粒尺寸基本都呈现先减小后增大的趋势,并且都在480℃退火时,平均晶粒尺寸最小;在相同再结晶退火条件下,大变形量可以获得更细小均匀的晶粒;显微硬度则随着退火温度的升高而增大。原材料经50%冷轧变形并在540℃退火1h后,生成等轴晶的平均尺寸为33.20μm;经75%冷轧变形并在520℃退火1h时后,生成等轴晶的平均尺寸19.39μm。对上述两种等轴晶组织的材料进行310℃不同时间下的高温时效处理,研究材料第二相以及晶粒尺寸随时效时间变化规律,发现两组实验材料的微观组织都在时效16h后达到稳定状态。为研究载荷对材料蠕变裂纹扩展性能的影响,对时效后的实验材料在300℃开展不同载荷下的蠕变裂纹扩展实验,发现材料在相同时刻的蠕变裂纹扩展速率随着载荷的增加而增大;分别利用断裂力学参数应力强度因子、净截面应力net?和修正J积分C(9)关联该实验条件下的蠕变裂纹扩展速率,结果发现应力强度因子关联性最好;对时效后的两种不同显微组织的实验材料进行相同条件下的蠕变裂纹扩展实验,发现晶粒越小,晶界上第二相越多,材料的抗蠕变裂纹扩展能力越弱;通过对蠕变断裂断口的分析,发现随着蠕变裂纹扩展速率的增加,断裂方式由沿晶脆性断裂逐渐转变为穿晶韧性断裂。

关键词： 2219铝合金冷轧再结晶高温时效蠕变裂纹扩展应力强度因子

316L不锈钢扩散焊接头蠕变损伤和裂纹扩展研究

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316L不锈钢扩散焊接头蠕变损伤和裂纹扩展研究

作者：叶培举中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

印刷电路板换热器因其具有极高的结构紧凑度和传热效率,是下一代高温气冷堆换热器的有力选择。印刷电路板换热器是由扩散焊接加工而成,服役条件下扩散焊接头的蠕变强度成为影响换热器长周期可靠运行的关键问题。因此,准确预测扩散焊接... 详细信息

印刷电路板换热器因其具有极高的结构紧凑度和传热效率,是下一代高温气冷堆换热器的有力选择。印刷电路板换热器是由扩散焊接加工而成,服役条件下扩散焊接头的蠕变强度成为影响换热器长周期可靠运行的关键问题。因此,准确预测扩散焊接头的蠕变损伤与裂纹扩展行为对印刷电路板换热器的寿命评估有着重要的意义。本文以316L不锈钢扩散焊接头为研究对象,对比研究了母材和扩散焊接头的常规拉伸力学性能及蠕变性能,建立了适合于描述扩散焊接头的蠕变损伤本构模型,并通过多轴蠕变试验验证了此模型的准确性。最后基于所建立的本构模型,通过有限元方法对印刷电路板换热器蠕变裂纹扩展的影响因素进行了探讨。论文的主要工作和结论如下:(1)经常规拉伸性能测试和蠕变测试,结合微观分析发现:316L不锈钢扩散焊接头弹性模量与母材相差不大,硬度略有升高,常温抗拉强度和屈服强度分别降低了13.9%和12.3%,高温抗拉强度和屈服强度分别降低了39.9%和10.5%。接头的蠕变曲线初始阶段和稳态阶段占比较大,同等应力条件下蠕变速率比母材高出35倍,断裂时间大大缩短,断裂应变也有了较大幅度的减小。(2)基于应变损伤力学理论,建立了多轴应力下适合于描述扩散焊接头蠕变损伤的本构模型。根据蠕变试验结果拟合了模型中所需的材料参数,通过编写USDFLD和CREEP子程序,利用有限元对扩散焊接头的蠕变裂纹扩展行为进行了研究分析,并通过试验进行了验证。结果表明,所建立的蠕变损伤本构模型能够较好地表征扩散焊接头的蠕变裂纹扩展行为。(3)基于上述本构模型和研究思路,对印刷电路板换热器在工作条件(600℃、20MPa)下的蠕变损伤和寿命进行了模拟分析。结果显示:蠕变应变最大值位于流道边缘焊缝处,当前结构能够满足设计压力和温度下连续工作100000h的需求。同时分析了印刷电路板结构在不同通道直径、间距和过渡圆角半径下焊缝位置处的蠕变裂纹扩展行为,结果表明随着通道直径的减小、间距的增大以及过渡圆角半径的增加,蠕变裂纹发生时间延长,蠕变寿命也随之增加,但是上述结构尺寸的增大必然会导致换热效率降低。因此若要提高换热器的使用寿命,应适当增加通道直径、间距以及流道过渡圆角半径。

关键词：扩散焊接头本构模型蠕变裂纹扩展有限元分析印刷电路板换热器