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Fatigue behaviors of z2cnd18.12n stainless steel under thermal-mechanical cycling

Acta Metallurgica Sinica(English Letters) 2011年第2期24卷 101-108页

作者： Liubing WAnG Dunji YU Fei XUE Weiwei YU Jian CHEn Xu CHEn School of Chemical Engineering and Technology Tianjin University Tianjin 300072 China Suzhou nuclear Power Institute Suzhou 2400511 China Key Laboratory of Efficient & Clean Energy Utilization College of Hunan Province ChangshaUniversity of Science and Technology Changsha 410114 China

Tests under mechanical strain control were performed to investigate the TMF behavior of z2cnd18.12n within the temperature range between 150–550 ？ C. Different strain amplitudes and phase-angles were applied. Total strain controlled low cycle fatigue test was also performed at the peak temperature of TMF cycling. The results show that the cyclic stress response of the material displayed an initial hardening regime followed by a saturation period and then cyclic softening till failure. The TMF cycling leads to the development of significant amounts of mean stress. Some life prediction models were employed to predict the TMF life of z2cnd18.12n, and the results indicate that the energy-based models provide good prediction on the thermal-mechanical fatigue behaviors of this material. An optical microscopic observation shows that the surface crack initiations and crack propagations are typically transgranular mode.

关键词： Thermomechanical fatigue z2cnd18.12n Life prediction Microstructural behavior

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z2cnd18.12n奥氏体不锈钢低周疲劳及热机疲劳性能研究

Z2CND18.12N奥氏体不锈钢低周疲劳及热机疲劳性能研究

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作者：王留兵天津大学

学位级别：硕士

z2cnd18.12n属于奥氏体不锈钢,以其较好的力学性能、耐腐蚀性和良好的耐热性而被广泛应用于核电站设备设计之中,本文利用MTS810试验机对该材料进行了总应变控制下的不同温度、不同幅值下的恒温疲劳试验,并评价了温度及应变幅值对寿命的... 详细信息

z2cnd18.12n属于奥氏体不锈钢,以其较好的力学性能、耐腐蚀性和良好的耐热性而被广泛应用于核电站设备设计之中,本文利用MTS810试验机对该材料进行了总应变控制下的不同温度、不同幅值下的恒温疲劳试验,并评价了温度及应变幅值对寿命的影响,发现该材料在循环加载时经历一个先强化、应力饱和而后软化的过程,其强化程度与应变幅值相关。利用试验数据得出了疲劳设计曲线并与ASME曲线进行了比对,可以看出对于室温疲劳设计曲线与ASME规范很接近,而高温S-n曲线总体低于ASME曲线。本文还研究了两个温度范围下该材料两种尺寸的试样的热机疲劳性能,研究了不同应变、不同相位角对材料疲劳寿命的影响,发现在热机疲劳加载下,材料同样经历先硬化而后软化的过程,但循环的最高温度越高,滞环的不对称性越明显,循环强化的过程越长,还完成了循环最高温度值下的低周疲劳试验以进行对比,当处于较高温度范围时,发现其寿命值低于热机疲劳工况。在循环温度最大值较高时,材料会出现动态应变时效,这点在550oC下的恒温试验表现的更为明显。热机工况下引起了更加明显的平均应力,特别在循环温度范围较小时,其拉伸段的强化比压缩段的强化更明显,所以平均应力的变化更明显,而且循环最高温度越高,其寿命越短。通对失效试样进行光学的及电镜扫描,发现表面裂纹起始和裂纹扩展均为典型的穿晶模式。本文中利用了几个寿命预测模型对恒温疲劳和热机疲劳的试验进行了寿命预测,发现能量方法在预测寿命方面有较好的结果。

关键词： z2cnd18.12n 热机疲劳低周疲劳寿命预测

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z2cnd18.12n钢疲劳裂纹损伤监测技术研究

Z2CND18.12N钢疲劳裂纹损伤监测技术研究

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作者：孟丽娟大连理工大学

学位级别：硕士

z2cnd18.12n奥氏体不锈钢作为核电稳压器波动管的主要用钢,在核电站运行期间疲劳损伤十分严重,及时发现疲劳裂纹并坚测其扩展情况对预防灾难的发生具有重要意义。然而,受管道厚壁、焊缝处粗晶奥氏体弹性各向异性的限制,常规无损检测方... 详细信息

z2cnd18.12n奥氏体不锈钢作为核电稳压器波动管的主要用钢,在核电站运行期间疲劳损伤十分严重,及时发现疲劳裂纹并坚测其扩展情况对预防灾难的发生具有重要意义。然而,受管道厚壁、焊缝处粗晶奥氏体弹性各向异性的限制,常规无损检测方法存在较多局限性,且无法满足疲劳裂纹损伤实时在线监测等多方面需求,必须探索新型损伤在线监测技术以满足核电管道安全运行的迫切要求。本研究以核电稳压器波动管用奥氏体不锈钢z2cnd18.12n母材及其焊接接头为研究对象,利用压电阻抗（Electro-Mechanical Impedance, EMI）与Lamb波相结合的结构健康监测技术,研究试样在低周疲劳加载下裂纹萌生、扩展至试样断裂过程的裂纹损伤演变情况,探讨裂纹长度、位置与损伤指数的对应关系,以期为核电管道力学损伤的在线监测提供参考。主要研究内容如下：（1）采用EMI技术分别对长度175mm、厚度3mm的板状母材、焊接接头试样的疲劳过程进行了在线监测研究,从电阻抗信号中提取均方差（root mean square deviation, RMSD）、峰值频率偏移量Δf作为损伤识别指数,对疲劳裂纹损伤进行定量表征。其中,RMSD对疲劳初始损伤的灵敏度高于Δf;当出现亚毫米级裂纹时,RMSD及Δf均出现增大趋势;在裂纹扩展阶段,随着循环次数的增加,RMSD及Δf数值均呈现单调增加趋势,与疲劳裂纹长度对应关系较好;在失稳断裂阶段,RMSD出现了转折甚至下降的畸变现象,Δf则出现大幅度上升的趋势。母材、焊缝断裂对应的电阻抗谱及损伤识别指数演变规律差异明显,据此可对母材及焊缝处的疲劳裂纹损伤进行有效区分。（2） Lamb波技术能够有效弥补EMI技术在疲劳裂纹定位方面的不足。从激励信号波峰数、激励电压、激励方式、中心激励频率等方面对Lamb波进行了优化研究,并利用优化的Lamb波对母材、焊接接头试样的疲劳过程进行了在线监测研究。提取裂纹反射波差信号的频谱峰值幅度变化量ΔA与疲劳裂纹长度的变化趋势吻合较好,即ΔA可作为Lamb波定量表征裂纹长度的损伤指数。对ΔA与RMSD结果发现,压电阻抗技术对疲劳初始损伤的比较敏感,而Lamb波技术则更适合疲劳裂纹扩展阶段的定量监测。（3）借助小波变换方法,采用Lamb波技术对疲劳裂纹进行了定位研究。其中,对于距离传感器67.5mm及75.5mm处的长1mm左右的疲劳裂纹,检测误差分别为-1.03%和-1.15%,表明利用Lamb技术可以实现疲劳裂纹的精确定位。

关键词： z2cnd18.12n 疲劳裂纹压电阻抗 Lamb波监测

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奥氏体不锈钢z2cnd18.12n单轴棘轮行为研究

奥氏体不锈钢Z2CND18.12N单轴棘轮行为研究

引用

作者：于敦吉天津大学

学位级别：硕士

本文对压水堆核电站一回路辅助管道材料z2cnd18.12n奥氏体不锈钢在室温下进行了一系列单轴拉伸、应变循环和单轴棘轮实验研究。实验结果表明该材料在室温下:（1）力学行为呈现出粘塑性特征,应力应变响应具有率相关性;（2）表现出初始循... 详细信息

本文对压水堆核电站一回路辅助管道材料z2cnd18.12n奥氏体不锈钢在室温下进行了一系列单轴拉伸、应变循环和单轴棘轮实验研究。实验结果表明该材料在室温下:（1）力学行为呈现出粘塑性特征,应力应变响应具有率相关性;（2）表现出初始循环硬化后渐缓软化至循环稳定的循环特性,总体而言,是一种循环硬化的材料;（3）单轴棘轮应变水平随平均应力和应力幅值的增大而提高,随加载率的增大而降低,而且对较低的加载率更为敏感;（4）相同的加载条件下,经过老化处理的试样棘轮应变水平比未老化的高;（5）单轴棘轮行为受加载历史影响显著:恒定的加载率条件下,高载荷水平的加载历史会导致后续的低载荷水平下棘轮效应安定;恒定的载荷水平下,低加载率的加载历史会导致后续的高加载率下棘轮效应安定。反之,棘轮应变继续累积,但棘轮应变水平比相同加载条件下无加载历史的低。在粘塑性本构框架下,以Ohno-WangII随动硬化律为基础,结合各向同性硬化准则,发展了一个新的模型,并通过一套简单的方法确定了模型的相关参数。对应变循环实验和单轴棘轮实验的预测结果和实验结果对比表明该模型基本可以对z2cnd18.12n不锈钢室温下的应变循环和单轴棘轮行为作统一的描述。

关键词： z2cnd18.12n 不锈钢粘塑性单轴棘轮本构模型

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