CN107290216A - 一种316l不锈钢棘轮效应的预测方法 - Google Patents
一种316l不锈钢棘轮效应的预测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种316L不锈钢棘轮效应的预测方法，包括以下步骤：进行316L不锈钢单轴拉伸实验；进行316L不锈钢非对称应力控制循环实验；构建316L不锈钢本构模型；预测316L不锈钢棘轮效应。本发明的有益效果：本方法可以准确描述并预测316L不锈钢在循环应力载荷下的棘轮行为，以及变形中的应力应变。对于分析循环载荷作用下的金属构件的可靠性、安全性、疲劳寿命估测具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于金属材料棘轮效应研究的技术领域，具体涉及一种316L不锈钢棘轮效应的预测方法。
背景技术
大多数金属材料在非对称应力循环加载过程中会出现一种塑性变形循环累积的现象，这种现象称为棘轮行为，棘轮变形的产生一方面会使材料的塑性变形显著增加，另一方面也会使材料的疲劳寿命大幅下降，在高温高压工况下如化工过程中的压力容器、核反应堆中的管道这种现象尤甚，因此棘轮行为是需要考虑的一个重要安全问题。
为了准确预测材料在非对称循环载荷作用下的棘轮行为，一些学者对材料的棘轮行为进行了广泛的研究，建立了诸多循环本构模型，但由于棘轮行为的复杂性，现有的模型均有其优缺点。Ohno-Abdel-Karim模型中参数μ_i作为通过试错法得到的一个定值出现在本构方程中，往往不能精确模拟棘轮应变的发展，直接导致预测结果失真。
因此有必要改进现有的本构模型从而更为合理准确地预测材料在非对称循环应力控制加载条件下的棘轮行为。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种316L不锈钢棘轮效应的预测方法，针对金属材料棘轮效应的研究，通过改进本构模型并确认参数，从而准确预测316L不锈钢棘轮效应。
为解决上述技术问题，本发明的316L不锈钢棘轮效应的预测方法所采用的技术方案为：
一种316L不锈钢棘轮效应的预测方法，包括如下步骤：
1)对316L不锈钢进行单轴拉伸实验，获得316L不锈钢材料在室温条件下单轴拉伸实验的应力应变曲线；
2)对316L不锈钢进行非对称应力控制循环实验，获得316L不锈钢材料在室温条件下非对称应力控制循环载荷实验的循环应力应变响应曲线；
3)基于统一粘塑性理论，选用Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型，通过修正原模型中的棘轮参数μi，使其从一个常量变为一个与循环周期相关的变量，从而构建出用于预测316L不锈钢棘轮效应的本构模型；
4)基于316L不锈钢材料单轴拉伸应力应变曲线和循环应力应变响应曲线确定本构模型参数，将材料在应力控制循环中的平均应力、应力幅值代入构建的本构模型中预测棘轮应变；
所述316L不锈钢单轴拉伸实验的方法是：
首先对316L不锈钢材料进行固溶处理，即在1050±50℃保温60分钟，然后水冷；然后将材料加工成棒材，进行单轴拉伸实验，记录应力应变数据并绘出应力应变曲线。
所述316L不锈钢循环应力控制加载实验的方法：
将316L不锈钢棒材试样进行应力控制循环加载实验，具体工况为70±350MPa、70±330MPa、70±275MPa、50±350MPa、10±350MPa，得到各工况下的应力应变滞回曲线。
所述本构模型建立的方法为：
选用的循环本构模型主要由以下几部分组成：主控方程、屈服函数及流动准则、各向同性硬化与随动硬化，各部分的具体内容分别为：
1)主控方程
ε＝εp+εe
εe＝D-1:σ
式中,ε为总应变，εe和εp分别为弹性应变和塑性应变，D为弹性张量，σ为应力张量，K和n为率相关的材料常数；
2)屈服函数及流动准则
式中，s和α分别为偏应力张量和背应力张量，Q为各向同性变形抗力,为塑性应变速率；
3)各向同性硬化与随动硬化
各向同性硬化的演化方程：
式中，为等效塑性应变速率，Qsa为各向同性变形抗力Q的饱和值，γ为控制各项同性硬化速率的材料参数；
随动硬化的演化方程：
采用Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型：
ξi与ri为材料参数；H(fi)为Heaviside步进函数，x<0：H(x)＝0；x≥0:H(x)＝1；μi为棘轮参数，原本为一个常量，本专利将其修改为一个与循环周期相关的变量，通过试错法求得：
式中，为参数μi的饱和值，为参数μi的初始值，μb为参数μi的演变速率，c为循环应力的周期数。
通过修正Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型中的棘轮参数μi，使其从一个常量变为一个与循环周期相关的变量，从而构建出的316L不锈钢本构模型可以更加准确合理地预测材料在非对称应力循环下产生的棘轮应变。
所述预测316L不锈钢棘轮效应的方法为：
首先确认本专利所述本构模型需要的材料参数，基于316L不锈钢材料单轴拉伸应力应变曲线和循环应力应变响应曲线，在曲线上截取m个点，每个点对应一组σi，σ0则代表塑性应变为零时对应的应力值，通过如下公式确定材料参数ξi与ri。
然后将316L不锈钢材料应力控制循环下的平均应力、应力幅值代入构建的本构模型中预测出相应的应力应变曲线，依据应力应变曲线得到该工况下的棘轮应变，从而预测316L不锈钢棘轮效应。
有益效果：本发明的316L不锈钢棘轮效应的预测方法构建出的316L不锈钢本构模型可以准确合理地预测材料在非对称应力循环下产生的棘轮应变，对于分析循环载荷作用下的金属构件的可靠性、安全性、疲劳寿命估测具有重要意义。
附图说明
图1为截取316L不锈钢单轴拉伸应力应变曲线上的实验点；
图2为70±330MPa工况下的预测应力应变响应曲线；
图3为316L不锈钢单轴拉伸应力应变实验与模拟预测曲线；
图4为相同应力幅值下316L不锈钢单轴棘轮行为实验与模拟预测曲线；
图5为相同平均应力下316L不锈钢单轴棘轮行为实验与模拟预测曲线；
图6为本发明316L不锈钢棘轮效应的预测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
1、316L不锈钢单轴拉伸实验
为获得316L不锈钢在室温条件下的单轴拉伸性能，将材料加工成直径9.98mm的棒材，进行单轴拉伸实验，记录应力应变数据用于本构模型参数拟合。实验条件见表1，实验材料主要化学成分如表2
表1单轴拉伸的实验条件
| 实验材料 | 试样尺寸 | 应变速率 | 温度 | 实验设备 |
| 316L不锈钢 | Φ9.98mm | 0.2％/S | 室温 | WDS-100电子万能实验机 |
表2 316L不锈钢的主要化学成分(质量百分数％)
| Cr | Ni | Mo | Mn | Si | P | S | C | Ne | Fe |
| 18.05 | 11.25 | 2.583 | 1.422 | 0.71 | 0.05 | 0.018 | 0.016 | 0.013 | remained |
2、316L不锈钢非对称应力控制循环实验
将316L不锈钢棒材试样进行应力控制循环加载，具体工况如表3，A组为相同平均应力，B组为相同应力幅值，得到各工况下的应力应变滞回曲线。
表3非对称循环应力控制加载实验工况
3、建立循环本构模型
选用的循环模型主要由以下几部分组成：主控方程、屈服函数及流动准则、各向同性硬化与随动硬化；各部分的具体内容分别为：
1)主控方程
ε＝εp+εe
εe＝D-1:σ
式中ε为总应变，εe和εp分别为弹性应变和塑性应变，D为弹性张量，σ为应力张量
2)屈服函数及流动准则
式中，S和α分别为偏应力张量和背应力张量，Q为各向同性变形抗力,为塑性应变速率，K和n为率相关的材料常数；
3)各向同性硬化与随动硬化
各向同性硬化的演化方程：
式中，为等效塑性应变速率，Qsa为各向同性变形抗力Q的饱和值，γ为控制各项同性硬化速率的材料参数；
随动硬化的演化方程：
采用Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型：
ξi与ri为材料参数，可以由单轴拉伸实验测得，μi为棘轮参数根据实验通过试错法得到，H(fi)为Heaviside步进函数，x<0：H(x)＝0；x≥0:H(x)＝1。
所述本构模型优化的方法：
本构模型中参数μi原本为通过试错法得到的一个常量，本发明对参数μi进行优化，使其成为一个与循环周期相关的变量如下：
式中，为参数μi的饱和值，为参数μi的初始值，μb为参数μi的演变速率，c为循环应力的周期数。通过这样的改进使棘轮应变增长更加符合实验趋势，从而提高棘轮应变预测的精度。
4、预测316L不锈钢棘轮效应
首先确认本专利所述本构模型需要的材料参数，基于316L不锈钢材料单轴拉伸应力应变曲线和循环应力应变响应曲线，在曲线上截取m个点，每个点对应一组σi，σ0则代表塑性应变为零时对应的应力值，如图1，通过如下公式确定材料参数ξi与ri。
根据理论公式编写Matlab程序，利用软件处理材料得到的实验数据，准确高效的获取本构方程中材料参数。利用此方法求得的316L不锈钢在非对称循环应力控制下的材料参数如表4所示。
表4316L不锈钢的材料参数
然后将316L不锈钢材料应力控制循环下的平均应力、应力幅值代入构建的本构模型中预测出相应的应力应变曲线，依据应力应变曲线得到该工况下的棘轮应变。依据本专利所述本构模型和确认的参数，计算并绘出316L不锈钢材料在70±350MPa、70±330MPa、70±275MPa、50±350MPa、10±350MPa等工况下的应力应变响应曲线，如图2所示70±330MPa工况下预测的应力应变响应曲线，并提取出相应的棘轮应变。总结多组工况，效果见图3、图4、图5，发现通过本方法预测的316L不锈钢棘轮行为与实验结果能够很好的吻合。
Claims (7)
1.一种316L不锈钢棘轮效应的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对316L不锈钢进行单轴拉伸实验，获得316L不锈钢材料在室温条件下单轴拉伸实验的应力应变曲线；
2)对316L不锈钢进行非对称应力控制循环实验，获得316L不锈钢材料在室温条件下非对称应力控制循环载荷实验的循环应力应变响应曲线；
3)基于统一粘塑性理论，选用Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型，通过修正原模型中的棘轮参数μi，使其从一个常量变为一个与循环周期相关的变量，从而构建出用于预测316L不锈钢棘轮效应的本构模型；
4)基于316L不锈钢材料单轴拉伸应力应变曲线和循环应力应变响应曲线确定本构模型参数，将材料在应力控制循环中的平均应力、应力幅值代入构建的本构模型中预测棘轮应变。
2.根据权利要求1所述的316L不锈钢棘轮效应的预测方法，其特征在于，所述316L不锈钢单轴拉伸实验包括以下步骤：
首先对316L不锈钢材料进行固溶处理，即在1050±50℃保温60分钟，然后水冷；然后将材料加工成棒材，进行单轴拉伸实验，记录应力应变数据并绘出应力应变曲线。
3.根据权利要求1所述的316L不锈钢棘轮效应的预测方法，其特征在于，所述316L不锈钢循环应力控制加载实验包括以下步骤：
将316L不锈钢棒材试样进行应力控制循环加载实验，具体工况为70±350MPa、70±330MPa、70±275MPa、50±350MPa和10±350MPa，得到各工况下的应力应变滞回曲线。
4.根据权利要求1所述的316L不锈钢棘轮效应的预测方法，其特征在于，所述本构模型包括主控方程，所述主控方程通过下式表达：
ε＝εp+εe
εe＝D-1:σ
式中，ε为总应变，εe和εp分别为弹性应变和塑性应变，D为弹性张量，σ为应力张量。
5.根据权利要求1所述的316L不锈钢棘轮效应的预测方法，其特征在于，所述本构模型包括屈服函数及流动准则，所述屈服函数及流动准则通过下式表达：
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式中，S和α分别为偏应力张量和背应力张量，Q为各向同性变形抗力,为塑性应变速率；K和n为率相关的材料常数。
6.根据权利要求1所述的316L不锈钢棘轮效应的预测方法，其特征在于，所述本构模型包括各向同性硬化与随动硬化的演化方程，
其中，各向同性硬化的演化方程通过下式表达：
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1
式中，为等效塑性应变速率，Qsa为各向同性变形抗力Q的饱和值，γ为控制各项同性硬化速率的材料参数；
随动硬化的演化方程通过下式表达：
采用Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化模型：
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式中，ξi与ri为材料参数；H(fi)为Heaviside步进函数，当x<0：H(x)＝0；x≥0:H(x)＝1；μi为棘轮参数，通过试错法求得：
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式中，为参数μi的饱和值，为参数μi的初始值，μb为参数μi的演变速率，c为循环应力的周期数。
7.根据权利要求1所述的316L不锈钢棘轮效应的预测方法，其特征在于，所述预测316L不锈钢棘轮效应的方法为：
首先确认所述本构模型需要的材料参数，基于316L不锈钢材料单轴拉伸应力应变曲线和循环应力应变响应曲线，在曲线上截取m个点，每个点对应一组σi，σ0则代表塑性应变为零时对应的应力值，通过如下公式确定材料参数ξi与ri：
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然后将316L不锈钢材料应力控制循环下的平均应力、应力幅值代入构建的本构模型中预测出相应的应力应变曲线，依据应力应变曲线得到该工况下的棘轮应变，从而预测316L不锈钢棘轮效应。
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