CN109960825A - 考虑拘束的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法 - Google Patents

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徐连勇
邬栋权
荆洪阳
韩永典
赵雷
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Abstract

本发明公开了一种考虑拘束的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测模型和方法，本发明利用大量模拟数据，拟合公式，提出了单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法。本发明的有益效果是:简化了单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法，并且考虑拘束参量，预测数据更加准确可靠。

Description

考虑拘束的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法
技术领域
本发明涉及考虑拘束影响的单边裂纹弯曲试样(SENB)的孕育期预测工程临界评价，或者，就是确定单边裂纹弯曲试样(SENB)在含裂纹下时，评价此单边裂纹弯曲试样的孕育期。
背景技术
高温环境下服役的部件设备，在生产和服役的过程中难免会产生各种缺陷。蠕变裂纹的萌生和扩展是含缺陷高温构件的一个主要失效机制，并导致其在设计寿命之前失效。而蠕变裂纹的孕育期在高温部件的服役寿命中占有很大比重，为了确保高温环境下服役的部件的可靠性，对蠕变裂纹孕育期的研究也就显得愈加重要。蠕变萌生定义为显微裂纹(或孔洞)首次连接形成主要裂纹的时间。而孔洞和显微裂纹的产生和长大连接过程称为损伤。大量的理论和实验证明，蠕变裂纹萌生以及扩展是造成服役管道失效的主要原因。
国外学者提出了基于韧性耗散模型改进后的孕育期预测模型，该模型考虑了在不同应力状态下所发生的蠕变萌生。但是该预测模型的应用涉及大量复杂计算过程和具有一定保守性，对于实际的构件的应用还有一定局限。而且结构的拘束效应对孕育期的影响并未得到研究；近些年来科研人员对于拘束效应对蠕变裂纹扩展的影响进行了大量的研究。拘束效应广泛的存在于加工制造的高温部件中，并且对部件的服役寿命造成了重大影响。所以，亟需提出一个有效的计算高温不同构件中考虑拘束影响的孕育期预测模型，以简化工程应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供考虑拘束影响的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
本发明的考虑拘束影响的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法，包括以下步骤：
步骤1：确定单边裂纹弯曲试样的拘束参量Q*、应力强度因子K，其中：Q*为无量纲参数，K的单位为MPa·mm1/2；
步骤2：将步骤1中的Q*、K代入代入下述关系式式(I)中，计算得到孕育期ti，其中ti的单位为h：
(I)中：A2＝2530.055K-3.04015
B2＝-0.16671+0.26051K-0.00441K2。
优选的，所述单边裂纹弯曲试样的温度为600～700℃，优选为650℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种考虑拘束的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测模型和方法，本发明利用大量模拟数据，拟合公式，提出了单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法。本发明的有益效果是:简化了单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法，并且考虑拘束参量，预测数据更加准确可靠。
附图说明
图1所示为本发明的单边裂纹弯曲试样的蠕变孕育期预测模型的结构示意图。
其中:1-单边裂纹弯曲试样本体，2-预制裂纹。
图2所示为本发明的单边裂纹弯曲试样的有限元模型示意图，图2为图1中模型的一半。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本实施例选取P92高温耐热钢。
本发明的考虑拘束影响的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法，包括以下步骤：
S1：如图1所示，建立高温条件下单边裂纹弯曲试样的孕育期预测模型，所述模型包括长方体结构的单边裂纹弯曲试样本体1，在试样本体的纵向对称面底端插入预制裂纹2，所述单边裂纹弯曲试样本体顶端中部施加不同的恒定载荷；
S2：建立有限元模型见图2，通过后处理中的自定义变量获取损伤值随时间的变化，当所研究的裂纹前沿位置d(mm)的损伤值ω达到1的时候即为孕育期；d(mm)是判定蠕变萌生发生时裂尖前蠕变损伤达到1所延伸的距离，即蠕变萌生发生的临界距离；
S3：通过有限元模拟可以获得含裂纹的单边裂纹弯曲试样的孕育期；在不同的几何尺寸和载荷条件下，获得的具体拘束参量和孕育期数据数据：
(1)不同拘束参量Q*、应力强度因子K(MPamm1/2)情况下的孕育期ti(h)数据；
(2)根据步骤(1)中数据建立孕育期ti关于不同拘束参量Q*和应力强度因子K等变量的函数；
A2＝2530.055K-3.04015
B2＝-0.16671+0.26051K-0.00441K2
优选的，d取所研究材料的晶粒尺寸，取0.05mm，r取裂纹尖端钝化区尺寸，取0.2mm。
优选的，所述步骤S3中利用不同裂纹深度比率a/W(其中a(mm)为裂纹深度，W(mm)为试样宽度(见图1)、试样厚度B(mm)可以获得不同的拘束参量Q*；
(Ⅱ)中：是利用有限元计算得出的裂纹前沿处的张开应力值，单位是Mpa，σ0是材料的屈服强度，单位是MPa，参见文献：(Zhao L,Xu L,Han Y,Jing H.Two-parameter charaSENTerization of constraint effeSENT induced by specimen sizeon creep crack growth.Engng FraSENT Mech 2012；96:251–66.)；
σ22(r,0)是利用稳态蠕变应力场计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是Mpa；
(Ⅲ)中：C*积分是利用有限元计算得出的高温断裂参量，单位为MPa·mm·(h)-1，r是距离裂纹前沿的位置，单位是mm，θ是裂纹尖端角度，是蠕变应变变化率，单位为h-1，与材料高温蠕变属性有关，n为无量纲的蠕变应力硬化指数，n和参见文献：(Zhao L,JingH,Xu L, Han Y,Xiu J.Evaluation of constraint effeSENTs on creep crack growthby experimental investigation and numerical simulation.EngngFraSENT Mech2012；96:251–66.)，In是与n有关的无量纲函数,是与θ和n有关的无量纲函数，具体值可以查阅文献得到：Shih,C.F..1983.Tables of Hutchinson-Rice-RosengrenSingular Field Quantities.Brown University Technical Report,MRL E-147.；
所述C*、ti的有限元模拟包括以下步骤：
(1)首先按照尺寸，建立含裂纹单边裂纹弯曲试样的有限元模型，在材料属性模块里设置弹性塑性参数，在载荷模块里设置压缩载荷，以及拘束条件，所述拘束条件包括对称条件和固定条件，在分析步模块里设置好输出参量：损伤值ω，在网格模块划分网格，其中裂纹尖端的网格划分更加紧密，如图2所示；
(2)在作业模块提交任务计算，获得含有蠕变拉伸实验计算结果，结果文件中，从历史变量中获取断裂参量C*，在场变量获取应力值
(3)通过后处理中的自定义变量获取损伤值随时间的变化，当所研究的裂纹前沿位置d 的损伤值ω达到1的时候即为孕育期。
具体的
本实施例选取P92高温耐热钢，以Q*＝-1.3，K＝20MPamm1/2，的单边裂纹弯曲试样作为研究对象。其主要材料属性见下表：
(1)确定拘束参量Q*、应力强度因子K等参数：
Q*＝-1.3，K＝20MPamm1/2；
(2)带入上述公式中计算单边裂纹弯曲试样裂纹的孕育期预测模型：
A2＝2530.055K-3.04015＝0.280417
B2＝-0.16671+0.26051K-0.00441K2＝3.27949
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.考虑拘束影响的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定单边裂纹弯曲试样的拘束参量Q*和应力强度因子K，其中：Q*为无量纲参数，K的单位为MPa·mm1/2；
步骤2：将步骤1中的Q*和K代入代入下述关系式式(I)中，计算得到孕育期ti，其中ti的单位为h：
(I)中：A2＝2530.055K-3.04015
B2＝-0.16671+0.26051K-0.00441K2。
2.如权利要求1所述的考虑拘束影响的单边裂纹弯曲试样的孕育期预测方法，其特征在于，所述单边裂纹弯曲试样的温度为600～700℃。
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