125cr05mo鋼高溫蠕變壽命預測模型研究

125cr05mo鋼高溫蠕變壽命預測模型研究

1疲勞園兩大壽命預測模型及方案在高溫條件下，典型壓力容器的生命周期預測方法對鋼疲勞、蠕變交互作用的影響具有重要意義。對于光滑試樣疲勞蠕變的交互作用,國內(nèi)外學者已經(jīng)進行了大量的研究,提出了相應的壽命預測方法。這些方法主要針對的是應變控制的疲勞蠕變交互作用,對于應力控制的疲勞蠕變交互作用的壽命預測研究較少。本文通過回顧已有疲勞蠕變交互作用壽命預測方法,在試驗基礎(chǔ)上,對頻率分離法和頻率分離法的應變能修正法進行了修正,得到了一個新的疲勞蠕變交互作用壽命預測模型。通過壓力容器典型用鋼1.25Cr0.5Mo鋼光滑試樣540℃環(huán)境下應力控制的梯形波加載試驗,用該模型進行了1.25Cr0.5Mo鋼高溫疲勞蠕變交互作用的壽命預測,顯示出新模型預測結(jié)果與實測結(jié)果符合較好。2維建模方法對于疲勞蠕變交互作用的壽命預測,目前有很多一維的預測方法:壽命-時間分數(shù)法、頻率修正法、應變范圍劃分法(SRP)、應變能劃分法、延性損耗法等,而三維問題的研究一般是在一維理論的基礎(chǔ)上引入相當參量來進行描述。2.1疲勞評估原理壽命時間分數(shù)法認為材料疲勞蠕變交互作用的損傷為疲勞損傷和蠕變損傷的線性累積,如下式所示。n∑i=1ΝiΝfi+n∑i=1titRi=D(1)∑i=1nNiNfi+∑i=1ntitRi=D(1)式中Nf——疲勞壽命Ni——疲勞循環(huán)周次tR——蠕變破壞時間ti——蠕變保持時間上式未考慮拉伸保持和壓縮保持的區(qū)別,Lagneborg、Attermo和謝錫善等人在上式基礎(chǔ)上,提出了相應的改進:Dc+B(DcDf)1/2+Df=1(2)Dc+ADncDf1-n+Df=1(3)其中Df、Dc分別為疲勞損傷和蠕變損傷,A、B為疲勞蠕變交互作用系數(shù)。2.2材料參數(shù)估計頻率修正法是Coffin提出來的,認為低周疲勞中主要損傷是由塑性應變所引起的,Eckel在此基礎(chǔ)上,提出以下公式:υΚtf=υΚΝfυ=ΝfυΚ-1=f(Δεp)=const(4)υKtf=υKNfυ=NfυK?1=f(Δεp)=const(4)式中tf——破壞時間K——依賴溫度的材料常數(shù)υ——頻率Δεp——塑性應變范圍將上式代入Manson-Coffin公式可得考慮頻率修正的表達式如下:υK-1NfΔεpa=C(5)在式(5)基礎(chǔ)上,Coffin又提出了頻率分離法如式(6),考慮高溫下保載時間對壽命的影響。Nf=CΔε-ain?ainυmtmt(υc/υt)K(6)式中υt、υc——拉伸保載和壓縮保載的頻率Δεin——非彈性應變2.3應變范圍的選擇應變范圍劃分法由Manson提出,基本觀點是:對于與時間相關(guān)和時間無關(guān)兩類應變,即使應變的量相同,但所引起的損傷并不相同。考慮蠕變與疲勞的交互作用,把一個應力應變循環(huán)中的非彈性應變范圍Δεin,按質(zhì)不同分成純機械的應變范圍分量和與時間有關(guān)的應變范圍分量組合,然后確定每一部分所引起的損傷,求和得出總的損傷。具體如下,其中cij、βij為材料常數(shù)。Δεij=cijN-βijij?βijij(7)1/Nf=∑1/Nij(8)2.4sefs法的建立何晉瑞等人提出應變能劃分法(SEP)的基本思想是:認為決定疲勞損傷的主要因素是消耗于裂紋擴展時所需的非彈性應變能,并假設(shè)只有使裂紋張開的拉伸遲滯徊線面積所代表的應變能才會產(chǎn)生疲勞損傷,使微裂紋擴展。SEP法繼承了SRP法關(guān)于不同應變范圍對損傷起不同貢獻的觀點,建立了各應變能分量與壽命的關(guān)系如下:Nij=Cij(ΔUij)βij=Cij(aijσmaxΔεij)βij(9)式中Cij、βij——試驗確定的材料常數(shù)αij——拉伸應變能與矩形面積σmaxΔεp之比按照線性累積損傷法則,得壽命估算公式如下,F*ij為權(quán)系數(shù)。1/Nf=∑F*ij/Nij(10)F*ij=αij(σmax)ijΔεij/ασmaxΔεin(11)董照欽、何晉瑞用頻率分離法對式(9)進行了修正,稱為SEFS法,其表達式如下,其中C、β、m、k為常數(shù)。Nf=C(σmaxΔεin)βυmtmt(υc/υt)k(12)2.5材料的動粘結(jié)和材料延性以及循環(huán)應力與應變速率的關(guān)系GoswamiTarun對Cr-Mo鋼疲勞蠕變交互作用進行過大量研究,提出了一種新的延性耗散壽命預測模型。該模型是在應變控制模式下、應變速率和粘性流的概念基礎(chǔ)上建立起來的,適于應變控制下、塑性應變占主要地位的Cr-Mo鋼疲勞蠕變交互作用下的壽命預測。假定高溫環(huán)境下發(fā)生低周疲勞時,塑性應變占主要地位,高溫低周疲勞和蠕變是通過粘性流的方式發(fā)生交互作用,使損傷逐漸遞增。提出用動粘性作為損傷參量,描述材料的流動行為,當粘性流停止的時候,材料即告失效。失效的判定條件為:材料的動粘性=材料韌性。動粘性的表達式為Δσ?Δεt/˙ε?其中Δσ為應力范圍,Δεt為總應變范圍,˙ε為應變速率。韌性為材料延性與循環(huán)強度的乘積。這里延性采用Edmund的表達式:Dp=NfΔεp。循環(huán)強度以半壽命處的飽和應力Δσs表示。Hart發(fā)現(xiàn)不同硬度的應力與應變速率之間具有指數(shù)為m的比例關(guān)系,而材料壽命是試驗參數(shù)的函數(shù),因此將應力與應變速率的指數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化為循環(huán)時間Δεt/˙ε與壽命Nf的指數(shù)關(guān)系:Δσ(Δε1/˙ε)m=AΔεpΝfΔσs(13)用試驗參數(shù)A來平衡方程兩端的單位。將循環(huán)應力應變關(guān)系代入上式,即得:Κ(Δεp)n(Δε1/˙ε)m=AΔεpΝfΔσs(14)當試驗具有拉伸保持的時候,需對上式進行保持時間的修正如下,其中tH為每一循環(huán)內(nèi)的應變保持時間。˙ε*=˙ε/[1+log(tΗ)](15)3試驗材料與方法試驗采用1.25Cr0.5Mo珠光體耐熱鋼。根據(jù)ASTMCODEⅡ-A的規(guī)定,該種材料需經(jīng)退火、正火后,再回火處理,最低回火溫度為620℃,以提高組織的穩(wěn)定性,原始組織為鐵素體+珠光體。材料化學成分如表1所示。材料由日本鋼管株式會社生產(chǎn),蘭州石油化工機器總廠提供,為制造加氫反應器的多余材料。由質(zhì)保書得知:奧氏體晶粒度為5.5;材料熱處理制度為:900℃正火31min,加速冷卻,700℃回火50min,空冷。試驗在島津電液伺服疲勞試驗機EHF-EG250-40L上進行,采用螺紋夾持的圓棒試樣,試樣的形狀和尺寸見圖1。試驗通過三只熱電偶測量試樣標距段的三點溫度,進行閉環(huán)控制,控制溫度偏差為±3℃。試驗采用應力控制,加載波形為梯形波,加載頻率為0.05Hz,上、下保載時間為5s,如圖2所示。在同一溫度下,通過固定最大應力、改變最小應力,進行不同應力幅、平均應力的組合試驗。41.2服役壽評估采用5mo鋼高溫疲勞、爬行和交替的服役壽預測如前所述,關(guān)于疲勞蠕變交互作用的壽命預測,前人已提出了很多種方法,現(xiàn)針對本次試驗的情況,對各種方法進行分析。4.1試驗數(shù)據(jù)的局限性具體表達式見式(1)至式(3),此種方法優(yōu)點是簡單易行,但是需要獲得相應溫度環(huán)境下的純?nèi)渥兒图兤诘脑囼灁?shù)據(jù),因此對本次試驗的壽命預測并不適合。4.2疲勞性能預測法具體表達式見式(5)和式(6),頻率修正法只適合于沒有保持時間的疲勞壽命預測,對于帶保持時間的疲勞蠕變交互作用的壽命預測應采用頻率分離法式(6)進行。4.3離散區(qū)域分類方法srp具體表達式見式(7)和式(8),應變劃分法的應用比較廣泛,但是需要獲得完全對稱循環(huán)的數(shù)據(jù)后才能進行壽命預測,因此對本試驗并不適用。4.4關(guān)于充放電法應變能范圍劃分法有兩種:SEP法(式(10))和SEFS法(式(12))。其中SEP法同SRP法一樣,需要兩種或兩種以上不同類型的試驗,得到各種參數(shù),因此不適合于本次試驗的壽命預測研究。而SEF法形式簡單,并且可用于應力控制的疲勞蠕變交互作用,因此可用于本次研究。4.5材料常數(shù)c的且vt的m此方法是針對應變控制模式下的疲勞蠕變交互作用的壽命預測,因此不能運用于本次試驗。從上述分析可知,本次試驗是在應力控制模式下進行的,用FS法和SEFS法進行1.25Cr0.5Mo鋼高溫疲勞蠕變交互作用的壽命預測,可為高溫設(shè)備的選材、設(shè)計及安全評估提供一些基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。頻率分離法(FS)的表達式如式(6)。在本次試驗中,拉伸保載時間和壓縮保載時間是相同的,因此式(6)中的vc和vt是相等的,并且由于試驗中拉伸保載和壓縮保載時間是不變的,因此可將(vt)m歸入材料常數(shù)C中,將式(6)改寫為式(16)的形式。Nf=CΔε-αin(16)在循環(huán)的非彈性區(qū)極小很難劃分時,采用對頻率分離法進行應變能修正的SEFS法進行壽命預測,具體表達式見式(12)。和FS法一樣,由于本次試驗的拉伸保載時間和壓縮保載時間是相同的,因此式(12)可改寫如下:Nf=C(σmaxΔεin)β(17)本次試驗采取的是固定最大應力、改變最小應力的方法,在特定溫度環(huán)境下,對某一固定的最大應力而言式(17)中的σβmax是一個常數(shù),因此式(17)可以改寫下:Nf=C(Δεin)β(18)式(16)的形式和式(18)是一樣的,因此對本次試驗而言,頻率分離法(FS)及其應變能修正(SEFS)本質(zhì)上是一樣的,采用式(16)進行1.25Cr0.5Mo鋼高溫疲勞蠕變交互作用的壽命預測。5in法測壽命預測算法試驗進行了540℃下疲勞蠕變交互作用的梯形波加載循環(huán),圖2中的點1～5的應變值通過試驗機記錄得到。在獲得點1～5的應變值后,通過式(19)獲得循環(huán)過程中的非彈性應變,然后擬合得到式(16)的表達式,進行疲勞蠕變交互作用的壽命預測。Δεin=ε5-ε1(19)試驗數(shù)據(jù)見表2。將試驗數(shù)據(jù)按式(16)進行擬合,得圖3、圖4和圖5。圖3至圖5的擬合關(guān)系式如下:MaxStress=200MPa時:Nf=24.8285Δε-0.8126inR=-0.91919MaxStress=210MPa時:Nf=27.2672Δε-0.73929inR=-0.97261MaxStress=220MPa時:Nf=9.562Δε-0.92451inR=-0.99436圖6為以上擬合關(guān)系式的壽命預測效果圖。由圖6可看出,疲勞蠕變交互作用的壽命預測模型式(16)法除了個別異常點外,對1.25Cr0.5Mo鋼高溫疲勞蠕變交互作用的壽命預測具有相當?shù)臏蚀_性的,并且經(jīng)驗關(guān)系式簡單實用,可以運用于工程實際中的疲勞蠕變交互作用的壽命評估。6疲勞園交互作用壽命預測模型的應用