高温设备和构件的蠕变损伤和断裂研究进展_李贵军
严重事故下反应堆压力容器材料高温蠕变研究进展
Ｎ Ｏ． ２． ２ １ ０１
核 安 全
Ｎｕ ｅａ Ｓａ ｅｔ ｃｌ ｒ ｆ ｙ
船
严 重 事 故 下 反 应 堆 压 力 容 器 材 料 高 温 蠕 变 研 究 进 展
武 志玮 ，宁 冬 ，姚伟 达
（ 海核 工 程 研 究 设 计 院 ，上 海 上 ２０ ３ ） ０ ２ ３
芯冷 却 系 统 失 去 功 能 ，使 堆 芯 长 期 得 不 到 冷 却 ，最 终 导致 了燃 料棒 部 分 熔化 和垮 塌 的严 重 事故 发 生 。由 于早 期设 计 认 为轻 水 堆 堆 芯 极 不 可 能熔 化 ，更 未 考 虑堆 芯 熔 融 物穿 透 压 力 容 器
－
注水 的冷 却与释 放 ；二是 Ｒ Ｖ的高温蠕变 失 Ｐ
及 时释 放 出 去 。 由 于严 重 事 故 下 的 Ｒ Ｖ 内 壁 Ｐ
所面临和亟待解决的问题 。近年来 ，随着大量
压水 堆 核 电 厂 的投 运 ，各 国政府 和 公 众 越 来 越
关 注核 电厂 的安 全 问题 。
虽然核 电厂发生严重事故的概率极低 ，但
一
旦 发 生 堆 芯燃 料 棒破 损 和 熔化 事 故 ，堆 芯 熔
和金 属 保 温 层 之 间 通 道 内 ，冷 却 Ｒ Ｖ 外 壁 ， Ｐ
通过 沸 腾 换 热 带 走 Ｒ Ｖ 下 封 头 内熔 融 物 产 生 Ｐ
的衰 变 热 ，从 而 使 熔 融 物 包 容 在 Ｒ Ｖ 内 ，而 Ｐ 不 发 生 Ｒ Ｖ 底 部 熔 化 烧 穿 ，防 止 熔 融 物 流 入 Ｐ 混凝 土堆 腔 底 板 ，从 而 使 放射 性 物 质 外 泄 概率 大大 减少 ，起 到缓 解 事 故 的作 用 。 但 是 要将 高 达上 千 度 的堆 芯 熔融 物 包 容 在 Ｒ Ｖ下 封 头 内 ， Ｐ 必须 使 Ｒ Ｖ外 部 堆 腔 冷 却 水 注 量 能 足 够 冷 却 Ｐ 高温 的 Ｒ Ｖ下 封 头 ，同 时 需 将 吸 热 后 的 蒸 汽 Ｐ
P92钢焊接接头的蠕变损伤机理研究的开题报告
P92钢焊接接头的蠕变损伤机理研究的开题报告一、选题背景和意义P92钢作为一种高温合金材料，广泛应用于高温高压场合，如燃气轮机、燃煤发电等领域。
然而，在高温高压环境下，焊接接头容易出现蠕变损伤，导致接头失效，影响设备的安全运行。
因此，对P92钢焊接接头的蠕变损伤机理进行研究，既有助于揭示焊接接头失效的根本原因，指导焊接接头的设计制造，又有助于提高设备的安全性和可靠性，具有重大的科学、工程和经济意义。
二、研究内容和目标本研究拟以P92钢焊接接头为研究对象，通过不同条件下的蠕变试验，研究焊接接头的蠕变行为和蠕变损伤机理。
具体研究内容包括：1.蠕变试验的设计和实施，研究焊接接头的蠕变行为和蠕变特性。
2.对不同蠕变条件下的焊接接头进行差显微镜观察，分析蠕变损伤的形貌和特点。
3.分析焊接接头中的组织结构和化学成分，从微观角度探究焊接接头的蠕变损伤机理。
4.建立焊接接头蠕变损伤模型，预测焊接接头的寿命和失效机理。
本研究旨在揭示P92钢焊接接头的蠕变损伤机理，提高高温合金材料的应用性能和安全可靠性。
三、研究方法和技术路线本研究将采用以下方法和技术：1.材料试样的制备：选取P92钢材料，采用切割和抛光等方法制备试样，包括板材试样和焊接接头试样。
2.蠕变试验的实施：在不同的温度、应力和时间条件下，进行蠕变试验，并对试验数据进行处理和分析。
3.差显微镜观察：采用SEM和TEM等显微镜技术，观察不同蠕变条件下焊接接头的损伤形貌和特点。
4.成分分析：采用EDS、XRD等分析方法，分析焊接接头中的化学成分和组织结构。
5.蠕变损伤模型的建立：采用有限元分析等技术，建立焊接接头的蠕变模型，预测其蠕变寿命和失效机理。
四、预期目标和成果本研究的预期目标和成果如下：1.揭示P92钢焊接接头的蠕变损伤机理，为高温合金材料的设计和制造提供参考。
2.建立焊接接头蠕变损伤模型，预测焊接接头的寿命和失效机理。
3.提高高温合金材料的应用性能和安全可靠性，为高温高压领域的设备运行提供保障。
高温合金材料的高温蠕变性能研究
高温合金材料的高温蠕变性能研究高温合金材料是一类特殊材料，具有出色的高温蠕变性能，在高温环境下能够保持稳定的结构和性能。
这使得高温合金材料在航空航天、能源开发和其他高温工艺领域中得到广泛应用。
然而，了解和研究高温合金材料的高温蠕变性能是至关重要的，以确保其在极端条件下的可靠性和安全性。
高温蠕变是指材料在高温下长期承受载荷而发生的塑性变形。
在高温蠕变的过程中，晶体中的金属原子会发生位移和扩散，导致材料的形变和失效。
因此，了解高温蠕变机理以及高温合金材料的蠕变行为对材料的性能评估和设计具有重要意义。
为了研究高温合金材料的高温蠕变性能，科学家们采用了各种方法和技术。
其中一种常用的方法是使用蠕变实验机来测试材料在高温和应力条件下的蠕变行为。
这些实验可以提供有关材料在不同应力下的蠕变速率、延迟时间和持久力的信息。
此外，通过对材料的显微结构和相变进行观察和分析，可以深入了解高温蠕变的机理和规律。
高温蠕变性能的研究不仅依赖于实验数据，还需要结合理论模型和数值模拟。
通过建立适当的数学模型，可以更好地理解高温蠕变的过程和机制。
例如，流变学模型可以描述材料在高温下的变形行为，并预测其在特定条件下的失效时间。
数值模拟则可以通过模拟高温蠕变的过程和变形状态，提供更详细的信息和预测。
在实际应用中，高温合金材料的高温蠕变性能也需要与其他因素进行综合考虑。
例如，材料的化学成分、晶体结构、热处理和加工工艺等都会对其高温蠕变性能产生影响。
因此，研究人员还需要对高温合金材料进行全面的性能评估和优化设计，以满足特定应用的需求。
高温合金材料的高温蠕变性能研究具有一定的挑战性。
首先，高温蠕变的机制和规律很复杂，需要深入的实验和理论研究。
其次，高温实验条件下的材料测试需要耗费大量的时间和资源。
此外，高温合金材料的制备和加工也需要高度的技术和工艺控制。
因此，要进行高质量的高温蠕变性能研究，需要多学科的合作和全面的实验与理论支持。
总之，高温合金材料的高温蠕变性能研究是一个重要的领域，对于确保材料在高温环境下的可靠性和安全性具有重要意义。
高温环境下材料热蠕变行为的力学分析
高温环境下材料热蠕变行为的力学分析热蠕变是指在高温环境下，材料受到温度的变化而产生的形变现象。
在高温环境下，材料的原子或分子会发生较大幅度的热运动，导致材料发生蠕变变形。
理解和分析高温环境下材料的热蠕变行为对材料的设计和工程应用非常重要。
本文将进行力学分析，探讨高温环境下材料热蠕变行为的机制和影响因素。
首先，高温环境下材料热蠕变主要受到温度和应力的共同作用。
温度是引起热蠕变的主要原因，因为高温会使材料内部原子或分子的热运动剧烈增加。
而应力则是对材料施加的外部力，使材料发生变形。
热蠕变行为的机制可以分为几个方面：首先是晶粒滑移。
在高温下，材料的晶界可以发生滑移，从而使材料产生变形。
晶界滑移是材料热蠕变的主要机制之一，晶界的运动和滑移会导致材料局部发生变形。
其次是晶粒的生长和再结晶。
高温环境下，晶粒可以通过长大和再结晶来调整材料的组织结构，从而减小材料的变形和蠕变行为。
晶粒生长和再结晶可以优化材料的力学性能，减弱材料的蠕变行为。
此外，扩散也是高温热蠕变的机制之一。
材料中的原子或分子在高温下可以通过扩散移动，从而导致材料的蠕变行为。
扩散对材料的蠕变变形具有重要影响，可以导致材料发生局部变形和形状变化。
掌握材料热蠕变行为的力学分析方法可以更好地进行材料设计和应用。
具体的力学分析包括以下几个方面：首先是材料的热弹性性能分析。
热弹性性能是指材料在高温下的应力-应变行为。
通过测量材料在不同温度下的力学性能，可以确定材料的热蠕变特性和材料参数，从而提供材料设计和应用的依据。
其次是材料的蠕变行为建模和预测。
通过建立材料的蠕变行为数学模型，可以预测材料在高温环境下的蠕变变形和寿命。
常用的模型包括Norton、Bailey-Norton 和Manson-Haferd等模型，这些模型可以用于预测材料的蠕变变形和寿命，从而指导材料的设计和应用。
此外，热蠕变行为的力学分析还包括材料的应力松弛分析、材料的蠕变裂纹扩展分析等。
15CrMoR循环塑性分析与焦炭塔鼓胀开裂预测
15CrMoR循环塑性分析与焦炭塔鼓胀开裂预测高炳军;郭丽丽;李青;余伟炜【摘要】对焦炭塔材料15CrMoR在20℃、200℃、300℃及400℃下进行了全寿命内循环塑性实验研究,得到了材料在不同温度、不同载荷水平下的棘轮应变率与低周疲劳寿命,拟合了棘轮应变率、低周疲劳寿命与无量纲循环载荷间的经验公式.根据焦炭塔在进油与进水冷焦两种轴向移动温差作用下的温度场及热应力场确定了结构的循环应力应变范围,进而确定了结构承受的交变应力幅、平均应力等循环载荷特征量.根据经验公式计算了焦炭塔筒体的棘轮应变率并预测了鼓胀变形量,利用棘轮效应-疲劳交互多损伤低周疲劳寿命预测模型实现了焦炭塔鼓胀开裂的预测.【期刊名称】《河北工业大学学报》【年(卷),期】2014(043)002【总页数】5页(P45-49)【关键词】焦炭塔;鼓胀;棘轮效应;低周疲劳;多损伤【作者】高炳军;郭丽丽;李青;余伟炜【作者单位】河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130;河北工业大学化工学院,天津300130;苏州热工研究院有限公司,江苏苏州030006【正文语种】中文【中图分类】TE9620 引言金属材料在非对称循环载荷作用下会产生塑性变形逐渐积累的现象，即棘轮效应．棘轮变形会加剧材料的损伤，导致材料疲劳寿命缩短．因此在预测非对称循环加载构件的疲劳寿命时需要考虑棘轮效应的影响．延迟焦化工业中的焦炭塔受非对称循环载荷作用所产生的鼓胀变形就是一种典型的棘轮效应．15CrMoR是一种低合金耐热钢，广泛使用于石油、化工、冶金、能源等诸多行业的高温承压设备．由于15CrMoR具有珠光体加贝氏体组织，在交变载荷作用下有较好的抗棘轮效应能力，常常用来制造焦炭塔，以抵抗其鼓胀变形 [1-3]与开裂．然而由于焦炭塔温度与压力的循环特征，使得鼓胀及开裂仍是此类设备的主要失效形式[4-5]．为此，深入研究15CrMoR材料在不同温度下全寿命内的循环塑性行为，对预测其变形与失效具有重要的意义．笔者根据焦炭塔工作循环中塔壁温度的变化范围，对焦炭塔筒体常用材料15CrMoR在20℃，200℃，300℃和400℃下进行全寿命内材料棘轮效应和棘轮—疲劳交互作用的实验研究，分析平均应力和应力幅对其棘轮效应以及低周疲劳寿命的影响，得到不同温度下材料的棘轮应变率与低周疲劳寿命预测公式，根据焦炭塔进油及进水冷焦两个极端工况确定其所承受的循环热载荷，对其鼓胀变形与开裂寿命进行了预测．1 15CrMoR棘轮效应与低周疲劳实验研究1.1 材料及试件试件取自武阳钢铁有限责任公司30mm厚的15CrMoR钢板，材料的化学成分为见表1，试件尺寸如图1所示．图1 试件尺寸Fig.1 Specimen dimension表1 15CrMoR的化学成分 %Tab.1 Chemical composition of 15CrMoRC Si Mn P S Cu Ni Cr Mo 0.14 0.23 0.56 0.01 0.005 0.11 0.15 1.09 0.521.2 实验方案在MST 810电液伺服试验机上对试件进行20℃，200℃，300℃和400℃下的单轴非对称循环疲劳试验．所有实验均采用三角波加载，加载速率为100MPa/s．在不同温度下进行了以下两类应力控制的疲劳实验：一类是平均应力相同，应力幅不同；另一类是应力幅相同，平均应力不同．试件编号及载荷水平见表2．表2 实验方案Tab.2 Experimental scheme试件编号试验温度/℃平均应力/MPa 应力幅值/MPa 应力比棘轮应变率×10 5 疲劳寿命B6F7 20 25 325 0.857 71.8 317 B6F1 20 35 325 0.806 84.9 294 B6F3 20 50 325 0.528 108 256 B6F5 20 50 280 0.697 12.8 2 061 B6F4 20 50 300 0.714 35.9 756 B6F3 20 50 325 0.528 108 256 B8F2 200 50 230 0.643 0.71 21 021 B4F1 200 50 250 0.667 5.47 4 511 B4F2 200 50 270 0.688 27.5 1 034 B4F4 200 10 270 0.929 5.4 2 439 B4F2 200 50 270 0.688 27.5 1 034 B4F3 200 80 270 0.543 38.3 725B4F6 300 40 260 0.733 0.36 14 201 B8F3 300 40 280 0.75 0.69 11 353 B8F5 300 40 290 0.758 23.9 950 B8F7 300 20 290 0.871 1.22 6 937 B8F5 300 40 290 0.758 23.9 950 B5F9 300 60 290 0.657 30.5 746 B5F1 400 40 290 0.758 0.08 20 852 B5F2 400 40 305 0.768 0.7 8 741 B5F6 400 40 320 0.778 5.59 2 504 B5F4 400 20 320 0.882 1.27 5 461 B5F6 400 40 320 0.778 5.59 2 504B5F3 400 60 320 0.684 7.14 1 9001.3 实验结果定义棘轮应变为其中和分别为一个循环中的最大塑性应变和最小塑性应变，其表达式为其中E为弹性模量，和分别为一个循环中最大真应变和最小真应变，和分别为一个循环中最大真应力和最小真应力，实验中得到的应力和应变分别为工程应力和工程应变，其与真应力 T和真应变 T的关系为： T= 1+ ；T=ln 1+ ．棘轮应变率定义为=d r/d，为循环次数．以试件B6F1为例，其应力应变滞环如图2a）所示，棘轮应变累积情况如图2b）所示、棘轮应变率变化情况如图2c）所示．可见在非对称应力循环下滞环不封闭，材料的棘轮变形逐渐积累．由图2b）和图2c）可见，棘轮应变速率在大部分时段基本保持恒定，初始几次循环加载中棘轮应变速率的先高后低是材料从准静态的拉伸向循环载荷过渡的短暂效应．而循环加载后期接近失效阶段时棘轮应变速率的急剧增加则是由于材料在循环过程中产生了较大的塑性及疲劳损伤，材料抵抗变形的能力急剧下降造成的．该试件稳定段棘轮应变率为84.9×10 5/次，疲劳寿命为294次．其他试件的实验结果见表2．图2 单轴棘轮效应（B6F1）Fig.2 Uniaxial ratcheting（B6F1）2 棘轮应变率与低周疲劳寿命预测式2.1 棘轮应变率预测式据表2稳定段的棘轮应变速率，拟合得到棘轮应变速率与平均应力、应力幅值及应力比的关系为式中：为平均应力，MPa；为应力幅，MPa；为温度材料的屈服极限，MPa；为应力比．该拟合关系的相关系数为0.876．2.2 低周疲劳寿命预测式低周疲劳寿命预测采用含温度参数的MSRS（Mean stress and Ratcheting strain）模型[9]，该模型考虑了棘轮效应与疲劳损伤的交互作用，是一种多损伤疲劳寿命预测模型．其中：参数及与温度的拟合关系为上述各拟合方程的相关系数分别为0.993、0.999、0.989及0.996．对表2中各试件疲劳寿命的预测结果如图3所示，均在2倍误差带内．3 焦炭塔筒体热循环载荷的确定焦炭塔所受热循环载荷主要是由于轴向循环温度梯度产生的[6-8]，可由进油和进水冷焦两个工况所产生的轴向移动温差确定．此处，进油时液面上升速度取0.75mm/s，进水液面上升速度取2mm/s，温度场及热应力计算结果如图4～图5所示，应力强度范围云图如图6所示，应变范围云图如图7所示．进油及进水工况各向应力及相应的循环载荷特征量见表3．图3 疲劳寿命预测结果Fig.3 Prediction of fatiguelife图4 温度场云图Fig.4 Temperaturecontour图5 热应力云图Fig.5 Thermal stresscontour4 焦炭塔筒体鼓胀开裂的预测焦炭塔鼓胀棘轮应变率按环向循环应力特征量计算，420℃下材料屈服极限为185MPa，按式 (1)算得棘轮应变率为3.2×10 6/次．按设计寿命20年，每20 h循环一次推算，最终环向棘轮应变约为2.8%，对于直径为7200mm的焦炭塔，危险截面位置直径将鼓胀202mm．疲劳寿命估算应按应力强度的循环特征量计算，应力幅可按应力强度范围直接确定，应力强度平均值按环向应力平均值当量计算，应力比按环向应力的应力比计算时，按弹性理想塑性材料模型算得应变幅为0.0013，按式(2)～式(6)算得疲劳寿命为27858次．表3 循环热应力特征量Tab.3 Characteristic value of cyclic thermal stress注：*由环向应力平均值当量计算得出，22.10×187.3/133.94．特征量 /MPa /MPa/MPa int/MPa进油 18.20 155.95 53.17 -进水 6.27 111.92 55.37 -平均应力5.97 22.106.10 30.7*应力范围 24.47 267.88 106.54 374.49应力幅 12.23 133.94 53.27 187.3应力比 0.344 0.717 1.00 0.717图6 应力范围云图Fig.6 Stressrangecontour图7 应变范围云图Fig.7 Strain rangecontour5 结论对焦炭塔常用材料15CrMoR进行了不同温度下全寿命内循环塑性实验，得到了材料在不同温度、不同载荷水平下的棘轮应变率与低周疲劳寿命，确定了该材料棘轮应变率、低周疲劳寿命与无量纲循环载荷间经验公式．根据焦炭塔进油与进水工况下的轴向移动温差确定了焦炭塔热循环载荷特征量，实现了对焦炭塔的鼓胀变形及低周疲劳寿命的预测．参考文献：[1]Antalffy L P，Malek DW，Pfeifer JA，etal．Innovationsin delyed cokingdrumdesign[J]．ASMEPressure Vessels Piping Div Publ PVP，1999，388：207-217．[2]高俊生，王显伟．焦炭塔的剩余寿命的评估与安全生产[J]．石油化工设备技术，2006，27（2）：23-25．[3]陈吉成．焦炭塔塔体损伤原因及对策 [J]．石油化工设备，2004，33（6）：65-66．[4]刘星，宋翠娥．延迟焦化装置焦炭塔选材 [J]．炼油技术与工程，2010，40（3）：26-28．[5]谭粤，陈柏暖．防止焦炭塔失效的若干措施 [J]．机电工程技术，2003，32（6）：72-76．[6]陈孙艺．焦炭塔防变形设计的数值分析方法及应用 [J]．石油机械，2003，31（10）：29-32．[7]Ju Feng，Aumuller John，Xia Zihui，et al．Global and local elastic-plastic stress analysis of coke drum under 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航空航天材料的高温蠕变行为研究
航空航天材料的高温蠕变行为研究从历史上看，材料科学一直对于航空航天工程的发展起到了极其重要的作用，特别是对于高温蠕变行为材料的研究。
随着人类科技的不断进步，航空航天工程也在不断地改善和提高性能的同时，对于材料的要求也越来越高。
高温蠕变行为材料就是其中之一，对于航空航天工程的应用发挥着至关重要的作用。
一、什么是高温蠕变行为材料高温蠕变行为材料简单理解就是在高温下受到持久性荷载力作用时，会发生材料形变的现象，而这种材料的性能对于航空航天领域来说是至关重要的。
高温蠕变行为材料可以被应用于制造发动机、燃气轮机、航空发动机航空泵、航空支架、航空座椅、航空发电机及其他一些高速高温环境下的设备等。
在航空航天领域，性能优良的高温蠕变行为材料是制约着发动机的重要因素，也是飞行安全的保障之一。
因此，对于高温蠕变行为材料的研究是非常重要的。
二、高温蠕变行为材料产生的原因从材料化学分子结构上来看，材料在高温下发生形变的主要原因是材料内部结构存在着内部应力，在高温下这些内部应力会表现出形变等现象。
这种形变可以分为塑性变形和蠕变变形两种。
其中，塑性变形是因为这种变形属于材料表层的一个相对于材料整体比较微小的区域的原因。
而蠕变变形则是因为材料内部的屈服点或断裂点在高温下会发现位移和形变，由于高温的影响，材料会出现蠕变现象，从而形成塑性变形。
同时还需注意到，高温蠕变行为材料不仅仅是由于温度高导致的，同时还与温度下其它环节，例如负荷作用、材料内部微观结构等也有很大关系。
三、高温蠕变行为材料研究的挑战航空航天领域对于高温蠕变行为材料的研究一直处于高度关注之下，这种材料的研究面临很多挑战。
首先来说，由于高温蠕变行为材料研究的复杂性和技术高难度等原因，高温蠕变行为材料的研究成本非常高昂。
其次，高温蠕变行为材料的研究比较繁琐和复杂，需要对其进行大量的标准化实验和系统性的研究，这样才能确保研究成果的准确性。
不仅如此，高温蠕变行为材料的研究还需要一定的创新性，才能在这个领域中脱颖而出。
金属蠕变及疲劳断裂试验研究的进展
金属蠕变及疲劳断裂试验研究的进展
周洪范
【期刊名称】《材料工程》
【年(卷),期】1984(000)006
【摘要】无
【总页数】1页(P33)
【作者】周洪范
【作者单位】无
【正文语种】中文
【相关文献】
1.金属高温蠕变理论研究进展及应用 [J], 张力文;钟玉平;
2.金属材料高温蠕变—疲劳损伤研究进展 [J], 石红梅
3.厚壁管多道焊缝金属的局部微区蠕变性能试验研究 [J], 杨滨;刘新平;轩福贞
4.聚乙烯材料的全缺口蠕变试验研究进展 [J], 左晓锋;杨波;李茂东;王志刚;何建军;何嘉平
5.金属蠕变疲劳寿命预估模型研究进展 [J], 张力文;张小文;宋继萍
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高温合金材料的热蠕变性能评估方法
高温合金材料的热蠕变性能评估方法I. 引言近年来，随着工业生产的不断发展，对于在高温环境下工作的材料的需求越来越高。
在高温条件下，许多常规材料容易发生蠕变现象，而高温合金材料则是能够在极端温度环境下具有优异性能的材料之一。
由于高温合金材料的特殊性质，对其热蠕变性能的评估变得尤其关键。
本文将介绍一些常用的高温合金材料热蠕变性能评估方法。
II. 热蠕变性能的评估指标在评估高温合金材料的热蠕变性能时，除了一些基本的力学性能指标外，还需要考虑一些特殊的指标，以确保其在高温环境下的稳定性和可靠性。
常见的热蠕变性能评估指标包括：蠕变速率、蠕变寿命、蠕变极限、蠕变应变等。
III. 实验方法1. 高温蠕变试验高温蠕变试验是评估高温合金材料蠕变性能的关键实验之一。
该试验通常通过在恒定温度下施加一定荷载，记录材料的蠕变应变和时间的函数关系。
通过分析实验数据，可以得到材料的蠕变速率以及蠕变寿命等重要参数。
2. 热蠕变断裂试验热蠕变断裂试验用于评估高温合金材料在长时间高温作用下的断裂性能。
该试验通过在高温状态下施加荷载，直到材料发生断裂。
通过测量材料的断裂时间和断裂强度，可以评估材料的蠕变断裂特性。
3. 微观组织分析高温合金材料的微观组织在其热蠕变性能中起到至关重要的作用。
通过电子显微镜等设备观察材料的晶粒状态、晶界和相分布等微观结构，可以评估材料的抗蠕变性能。
特别是对于高温下易出现晶粒长大和晶界松弛的材料，微观组织分析可以提供有价值的信息。
IV. 数值模拟方法除了实验方法外，数值模拟方法也是评估高温合金材料热蠕变性能的重要手段。
数值模拟可以通过建立合适的数学模型，计算材料在高温环境下的应力应变分布等关键参数。
有限元分析是一种常用的数值模拟方法，在高温合金材料热蠕变性能评估中有着广泛的应用。
V. 结论高温合金材料的热蠕变性能评估方法可以通过实验方法和数值模拟方法相结合，综合考虑材料的力学性能指标以及特殊的蠕变性能指标。
金属材料的高温材料损伤与失效
金属材料的高温材料损伤与失效随着工业化的不断发展，许多重要的机械和设备需要在高温环境下使用。
比如，高温炉、蒸汽炉、发电厂、汽车引擎等都需要长期在高温环境下运行。
这种高温环境下运行的设备对材料的性能和寿命提出了很高的要求。
因此，我们必须深入了解金属材料在高温环境下的损伤与失效机理，以便调整材料结构和制造工艺，提高材料的使用性能和寿命。
首先，高温材料的损伤形式大致分为两类：塑性变形和蠕变变形。
塑性变形发生在较低的温度下，通常在簇晶粒界或晶粒内部发生。
这种塑性变形通常以非晶化、晶粒生长等方式发生，并且会导致材料的硬度下降、强度下降和塑性下降。
而蠕变变形则是发生于较高温度下，在高温下金属结晶体内原子的扩散会越来越明显，会导致材料分子之间的交互作用加强，从而会发生持续性的变形和滞后变形，最终导致材料失效。
其次，高温环境下金属材料失效的主要原因是氧化和热蠕变。
氧化是指热金属材料在高温环境下与氧气接触，发生氧化反应，形成金属氧化物层，并且在此过程中释放出热量。
金属氧化物层通常是一种薄膜，它能够抵御进一步的氧化和化学侵蚀。
但是，如果氧化速率很快，或者氧化层中存在缺陷，那么氧化将会加速，并可能导致材料失效。
热蠕变则是指在高温下，金属材料会不断变形，导致材料最终失效。
这种变形通常既包括塑性变形，又包括蠕变变形。
为了避免高温环境下金属材料的失效，我们可以采用多种方法。
一种方法是改变材料的结构，使其在高温环境下能够更好地抵御氧化和热蠕变的影响。
例如，增加合金元素的含量、增加晶粒的尺寸、制造金属纳米复合材料等方法，都可以使金属材料在高温环境下具有更好的耐蚀性和耐热性。
另一种方法是改变材料的制备工艺，使其在高温环境下的性能更加优异。
例如，通过控制热处理和热变形的过程，可以产生定向的织构和晶粒边界，从而增强材料的抗变形和蠕变变形的性能。
除此之外，我们也可以运用先进的材料测试技术来研究高温材料的损伤与失效机理。
例如，电子显微镜、原子力显微镜、X光衍射、红外热成像等技术，都可以用来观察材料内部的微观变化，以便更好地理解其损伤和失效的原因。
汽轮机高温紧固件（高温螺栓）蠕变脆性断裂案例
汽轮机高温紧固件（高温螺栓）蠕变脆性断裂案例高温螺栓是汽轮机设备中重要部件之一，连接着汽轮机汽缸、主汽门、调节气门及导汽管等高温部件，确保机组在运行过程中不发生泄漏。
我公司近期高调门盖螺栓多台机组发生断裂，严重威胁机组的安全运行，所幸机组检修期间发现及时，未造成螺栓脆性断裂伤人恶性事故，因此高温紧固件断裂失效值得借鉴排查。
1事件经过及处理2017年12月份，某电厂#4机组检修过程中发现规格为M20×80高调门阀盖螺栓（见图1）断裂，其中4-1调门断裂13根，4-2调门断裂11根，4-3调门断裂13根，4-4调门断裂8根，共计45根，断裂螺栓达70%，随机将断裂螺栓送检，并将64根螺栓全部替换。
针对此不安全情况，对备用的#2机组进行同类问题排查，同样存在螺栓断裂的情况（10根），其中2-3高调门盖螺栓断裂最多，达7根。
图1图22原因分析该电厂#4机组累计运行24906h,启停9/9次，高调门阀盖螺栓设计材质为20CrlMolVTiB，宏观断口呈脆性断裂形貌（见图2），有过载断裂倾向。
裂纹起始于第一个螺纹丝扣尖端，其断口比较粗糙，呈结晶颗粒状，一部分属于旧的裂纹，其表面已有严重锈斑，并且无金属光泽；另一部分为新断口，具有金属光泽，为结晶状断口。
这种现象说明螺栓在断裂前已有裂纹存在，裂纹发展到一定程度后发生的断裂。
理化分析结果：①螺栓化学成分分析结果所含合金元素含量均在标准要求范围内，与设计材质相符；②螺栓硬度检验结果均在180-200HB之间，远低于标准要求（255-293HB），力学性能下降明显；③断裂螺栓抽样送检，其金相组织晶粒粗大，晶粒度级别为2级。
综上所述，20CrlMolVTiB螺栓生产过程中出现粗晶，导致蠕变断裂韧性降低，在高温长期运行下，力学性能进一步下降，使用性能不满足运行要求，导致螺栓大面积断裂。
3高温螺栓20CrlMolVTiB断裂因素3.1具有蠕变脆性由于自身的特点，20CrlMolVTiB螺栓具有严重组织遗传性，其在生产过程中经常出现粗晶现象，即低倍试验中出现肉眼可见的、在不同角度的光线下呈现不同色泽与光亮度的多边形颗粒斑块（混晶）。
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范[13 ]和美国 EPRI 的寿命评价方法[14 ] 。
含裂纹 的 材 料 和 结 构 的 蠕 变 行 为 与 材 料 性
能 、几何尺寸 、载荷和环境等因素密切相关 。在蠕
变裂纹扩展过程中 ,随着时间的推移 ,材料和结构 的应力应变场不断地重分布 ,应考虑各种蠕变情 况下随时间变化的率型积分来表征 。类似于弹塑
Ti
5 ui 5x
d
s
(17)
式中 x 、y ———平行于裂纹面和垂直于裂纹面的
坐标 ;
Γ ———环绕裂纹尖端的积分路径 ;
d s ———积分路径上的弧线元 ;
Ti ———弧线上的应力矢量的分量 ;
W 3 ———为蠕变应变能速率密度 。
ε
ij
W 3 = ∫σijdεij 0
σ 1- D
n
(10)
对于多轴应力情况 , Hayhurst[8]提出的处理方
法是引入应力不变量 ,即和剪应力有关的八面体
剪应力 J2 (σ) 和与空洞扩展有关的静水应力 J1
(σ) ,以及使微裂纹张开的最大应力 J 0 (σ) = σ1 ,
用下面的线性组合来定义等效应力 :
X (σ) =αJ0 (σ) +βJ 1 (σ) + (1 - α- β) J2 (σ)
是这样两个不变量的函数 :
σeq = 3 cσm + (1 - c)σ
(13)
随着蠕变损伤研究的深入 , 考虑物理机制和
估算构件剩余寿命的需要 , 人们发现单个损伤变
量是对高温损伤的近似表述 , 对大多数工程合金
往往需要两个或多个具有物理意义的损伤变量来
描述其物理过程 。Othman 等给出了两个损伤变
员提出了如下的状态方程式外推法 :
τ= A T2σ- mexp
-
b - cσ
T
(3)
式中 A 、m 、b 、c ———材料常数 ,由试验获得 。
这种方法的精度略高于 Lanson2Miller 公式 ,
但试验数据较少 。
由于应力不是结构损伤的直观度量 ,因此在
实践中工程师们更易于接受应变的概念 ,近年来
=
DA
(σ1/ σe)νH[ sinh ( Bσe) (1 - ω1) (1 - ω2) n
]
(16)
式中 σ1/ σe > 0 时 , n = Bσecoth ( Bσe) ; σ1/ σe < 0 时 , H = 0 ;
ν ———应力状态参量 ;
A 、B 、n 、C 和 D ———材料常数 ; σ1 ———最大拉应力 ; σe ———等效应力 。 Kowalewski 等[12] 的研究表明 ,两个损伤变量
之间的关系 ,进行寿命外推 。早期的寿命外推法
主要采用等温线 、等线性方法 ,基本思路是假定温 度不变时 ,断裂时间 τ和应力σ之间的关系采用
下式近似 :
τ= AσB
或
lgτ= lgA + Blgσ
(1)
式中 A 、B ———经验常数 , 恒温条件下用较高应
力进行短期的试验获得 。
这种方法精度较低 ,试验时间较长 。
的损伤表达式比单参量表达式好 ,且认为双曲函
数比幂函数更便于模拟蠕变 。
多变量本构模型中变量多 ,需试验确定很多
材料常数 ,这需要较多力学知识来对模型进行简
化 ,从而得到更实用的本构方程 ,使其能用于有限
元计算模拟零部件的变形及损伤过程 ,估算构件
寿命 ,通过理论分析达到优化结构的目的 。
3 高温下蠕变裂纹扩展规律研究
应变方程和损伤演化方程 ,在单轴应力情况下的
损伤演化方程为 :
dD dt
=
σ
A
r
(1 -
D) mk
(6)
式中 r 、k 、A 、m ———与材料和温度有关的常数 ,
可由常应力蠕变数据确定 。
对上式将蠕变损伤由 0 到 1 进行积分 , 得损
伤发展方程 :
1
D =1 -
1-
t tc
1 - mk
(7)
高温构件寿命预测方法由以持久强度为主要指标
的传统方法转向以蠕变变形为主要指标的方法 。
英国学者 Ewans 和 Wishire[4]提出的θ投影法逐渐
为人们所接受 , 该方法以蠕变过程的物理模型为 基础 ,提出了描述整个蠕变曲线 (应变ε和时间τ
的关系曲线) 的特征方法 ,进而预测高温构件的寿
命 ,具体θ
σ
A
-r
(8)
式中 tc ———破裂时间 。
在蠕变第 2 阶段 ,应变速率保持不变 ,满足下
面的 Norton 公式 :
ddεt = Bσn
(9)
式中 B 、n ———常数 。
在蠕变进入第 3 阶段后 ,材料受到损伤 , 应变
速率加快 ,受损后的应力应变满足下面公式 :
ddεt = B
高温下操作的设备和构件 ,由于原材料 、制造
等方面的原因 ,往往含有缺陷 ,在运行中产生宏观
裂纹 ,研究高温下蠕变裂纹扩展规律 ,对于保证设
备安全运行 、延长使用寿命具有重要意义 。目前 ,
以高温断裂力学为基础 ,对蠕变条件下的裂纹扩
展研究已有较大的发展 ,并且应用于高温构件的
缺陷评定或寿命评价 ,如英国核电公司的 R5 规
可通过试验用统计回归方法求得 。
Ξ 李贵军 ,男 ,1967 年 6 月生 ,博士研究生 。浙江省杭州市 ,310027 。
120
化 工 机 械 2004 年
人们对这种方法进行了大量的试验 , 并取得
了广泛的应用 。这一时间 , 前苏联的一些研究人
在石油 、化工及电力行业 ,有一些设备和构件 在高温下承受压力载荷的作用 ,如加热炉管 、锅炉 蒸汽管道等 。高温设备往往是企业的核心设备 , 价格昂贵 ,在操作中承受着与时间相关的材料和 结构劣化 ,并且有部分设备是超期服役 ,使发生失 效破坏的概率大大增加 。高温设备和构件的主要 失效形式是过度变形和断裂 ,蠕变是高温构件破 坏的主要因素 。高温设备和构件的断裂失效主要 由于在应力集中部位的材料在服役过程中蠕变损 伤积累发展到一定程度形成宏观裂纹 ,裂纹扩展 到临界尺寸造成断裂 。为了保证高温装置的安全 运行 ,人们对高温下材料的蠕变损伤和断裂理论 进行了多年的研究 ,取得了很大进展 ,但由于问题 的复杂性 ,还有许多问题需要进一步研究 。 1 高温下材料的蠕变行为研究 蠕变是金属材料在高温工作条件下 ,即使承 受低于屈服极限的恒定应力作用 ,也会发生永久 变形的行为 。通常在温度高于 0. 3 Tm ( Tm 为材料 熔点) ,蠕变就已比较明显 。实际工程应用中 ,蠕 变较多地发生在超过 0. 5 Tm 的高温下 。蠕变力 学考虑材料与时间相关的力学行为 ,研究一定载 荷下物体的变形 、应力和位移随时间发生变化的 现象和过程 ,通常采用蠕变极限和持久强度来表 征材料的蠕变强度[1～3] 。至今 ,高温零部件的设
(11)
三轴应力下的破坏时间表示为 :
tc
+
1 mk -
1
X (σ)
A
-r
(12)
Lemaitre[9]的处理思路与此相似 ,假定损伤是
第 31 卷 第 2 期 化 工 机 械
121
静水应力导致微孔扩大和八面体剪应力导致裂纹
扩展两个因素共同作用的结果 ,所用的当量应力
计就是以此为基础的 ,这种设计方法未考虑材料
的缺陷及其演化 ,保证构件不发生蠕变破裂和过
度变形 ,有足够的承载能力 。
蠕变和持久强度的规定时间一般为 100kh 或
200kh ,在实验室进行如此长时间的试验是非常困
难的 ,也是不经济的 。所以一般采用提高应力和
温度的方法得到短时区的断裂时间与应力 、温度
性断裂力学概念 , Landers J D[15]等人认为在稳态 蠕变阶段应变速率仅与应力有关 ,对于符合 Nor2 ton 定律的材料 ,类似于常温下应变与应力之间的 关系 ,用应变速率和位移速率来代替 J 积分中的 应变和位移 ,得到 C 3 积分 ,表达式为 :
C 3 = ∫W 3 d y Γ
在 20 世纪 50 年代 , 出现了外推精度较高的
时间 2温度参数外推方法 ,其中最著名的外推公式
是 Lanson2Miller 公式 :
T ( C + lgτ) = P (σ)
(2)
式中 C ———材料常数 ,由试验确定 ;
T ———绝对温度 ; P (σ) ———随应力变化的函数 ,称为热强参数 ,
ε=θ1 (1 - eθ2 t) +θ3 (1 - eθ4 t)
(4)
公式中θi 是应用θ预测思想的关键参数 , 它
与材料本身以及应力 σ和温度 T 有关 , 满足以下
关系式 :
lgθi = ai + bi T + cσi + dσi T
(5)
式中 ai 、bi 、ci 、di ———材料常数 ,由试验确定 。 实践表明 ,这种方法精度高 , 外推寿命长 , 用
第 31 卷 第 2 期 化 工 机 械
119
高温设备和构件的蠕变损伤和断裂研究进展
李贵军 Ξ 王乐勤 郑传祥
(浙江大学)
摘 要 对高温设备和构件的失效模式和影响因素进行了介绍 ,概述了高温蠕变损伤和断裂理论的研 究状况 ,对高温裂纹扩展的控制参量及其应用进行了描述 。为了准确地预测构件的寿命 ,保证高温装置 的安全运行 ,提出应将损伤力学理论和断裂力学研究相结合 、宏观断裂力学研究和微观断裂机理研究相 结合 ,对高温设备损伤断裂全过程进行深入研究 。 关键词 高温 蠕变 损伤 断裂 失效 中图分类号 TQ05014 + 7 文献标识码 A 文章编号 025426094 (2004) 0220119206