CN110411864A - 一种基于蠕变激活能的高温蠕变寿命预测解析计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于蠕变激活能的高温蠕变寿命预测解析计算方法，基于蠕变激活能的应力相关性，建立一种蠕变寿命预测方法，将推导出的参数k1,μ,D,m代入以下寿命预测模型：即可精准有效的预测出材料的高温蠕变寿命，解决不同应力水平下由于蠕变机制变化引起的蠕变寿命预测难题，提高长时寿命预测精度。

Description

一种基于蠕变激活能的高温蠕变寿命预测解析计算方法
技术领域
本发明属于材料科学与工程应用技术，具体的说一种基于蠕变激活能的高温蠕变寿命预测解析计算方法。
背景技术
为了响应国家政策、提高燃料利用效率、降低生产成本、保护生态环境，火电行业、核电行业、航空航天等领域不断提高构件的工作温度。但是在提高工作温度的同时，高温构件所处环境发生了变化，蠕变性能也随之改变。这就导致高温构件在实际使用过程中发生蠕变失效的概率大大提高，从而影响生命财产安全和正常的生产生活。因此，如何精确对材料蠕变过程的寿命进行预测，使高温构件更加安全稳定的运行，是一项非常重要的任务，对其的使用和设计具有十分深远的现实意义。
目前，国内外研究人员针对高温材料蠕变寿命预测进行了大量的研究和分析，主要从微观组织演变，宏观断裂模式等方面着手进行，并开展了一系列相关试验进行解释说明。对于蠕变寿命的预测，国内外通常采用的有基于持久强度试验的数据外推得到的以时间温度参数法和Robinson断裂法的参数唯象模型，基于微观损伤机理的蠕变损伤力学模型和基于应变的连续损伤力学模型。通过不同的模型，研究人员提出了多种不同的预测寿命的方法，建立了多种蠕变损伤本构模型。但是由于不同模型所涉及的反应机理的差别，不同的蠕变损伤本构模型需要通过不同的方法进行参数拟合，且考虑因素越多，所拟合的参数就越多，进而导致拟合过程十分繁琐、材料参数对材料性质和结构等有所依赖的问题较为突出。这在很大程度上限制了实际生产生活过程中对高温构建蠕变寿命预测的发展。因此，研究和提出新的预测蠕变断裂寿命方法，对于拓展寿命预测的研究领域、寻找更加适合某类型钢材的寿命预测理论，具有十分重要的现实意义。近几年，从自然界事物普遍适用的热力学基本定律推导而出的蠕变断裂寿命解析计算方法越来越受到研究学者们的重视，此类模型具有材料参数拟合方法简单，且一般情况下预测精度较高的特点，为高温构件损伤评估和寿命预测提供了一个新的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于通过考虑蠕变激活能与应力相关性，解决由于蠕变机制转变引起的长期寿命预测精度降低的问题，为应用在高温高压环境中的大型重要设备上的承压构件的蠕变断裂寿命预测提供一种新的解析计算方法。为此，本发明提供一种通过计算材料的在各个应力下的蠕变激活能，结合中高应力范围内蠕变数据，揭示蠕变激活能与蠕变断裂时间的定量关系。
一种基于蠕变激活能理论的高温蠕变寿命预测解析计算方法，通过如下步骤实现：
步骤1，获取材料不同温度、不同应力水平下蠕变性能的数据，每个试验点包括材料的应力σ(单位为MPa)、温度T(单位为℃)、材料屈服强度σys(单位为MPa)、断裂时间tf(单位为h)、最小蠕变速率(单位为h-1)以及气体常数R(单位为J/(mol·K))；
步骤2，把试验数据按照式利用数学分析软件，按最小二乘法回归，求出待定系数α和M；
步骤3，根据最小蠕变速率与应力、温度和蠕变激活能的关系：
两边取对数：
利用试验数据，绘制曲线和并采用最小二乘数法的斜率求到材料常数n和蠕变激活能Q*(单位为kJ/mol)的值。
步骤4，利用步骤3求得不同应力水平σ下的蠕变激活能Q*，采用最小二乘数法获得Q*＝f(σ)＝D*σ+m的D和m参数。
步骤5，将步骤1得到的数据和步骤3得到的蠕变激活能Q*按照式3
进行最小二乘数法进行拟合试验数据，获得材料系数k1与μ的值。
步骤6，将步骤1-5得到的参数k1,μ,D,m代入寿命预测模型，如式4所示：
考虑蠕变激活能和应力相关性：
在上述技术方案中，所述高温蠕变寿命预测解析计算方法适用应力水平为0.2σys-σys，其中σys为材料屈服强度。
在上述技术方案中，所述高温蠕变寿命预测解析计算方法适用作业温度为400-1200℃。
本发明的优势有以下几点：
1.考虑蠕变应力变化引起的蠕变激活能的变化；
2.建立一种基于蠕变激活能的高温蠕变寿命预测模型；
3.解决短时试验数据预测长时寿命的预测；
4.提高了蠕变寿命预测的精度，扩大高温金属材料的适用范围；
5.预测方法简单，所需要的数据均可由常规的材料蠕变性能的测试获得。
发明内容
图1是拟合Monkman-Grant模型中的参数图。
图2是计算的斜率，从而求得应力指数n。
图3是计算的斜率，从而求得蠕变激活能Q*。
图4是蠕变激活能Q*与应力σ的关系。
图5是线性拟合得k1与μ的值。
图6是基于蠕变激活能理论的寿命预测曲线与试验值的比较。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明。
本发明提供一种更加精确地高温蠕变寿命预测解析计算方法，具体步骤如下：
第一步，基于700℃、725℃、750℃三个温度下不同应力水平下的材料单轴蠕变试验：
试验按照GB/T2039-2012《金属拉伸蠕变持久试验方法》进行。试样尺寸：直径为5mm的标准圆棒试样，标距为50mm。试验设备为高温蠕变持久强度试验机。该试验机的组成如下：主机；加热炉；温度测控系统；变形测量系统。其负荷范围为0.3-30KN，载荷误差小于等于±1％。蠕变自动记录仪的量程为：0-10mm，测量误差不超过±0.1％。首先将试样安装在试验机上，安装好引伸计，检查试样的同轴度在规定的范围内，若超出应当按要求调整。试样安装好之后，先施加预载荷200N，并开始升温加热到预定温度然后保持60min。最后施加总载荷，记录断裂时间。在此试验中，试验温度为700℃和750℃，应力水平为:87-240Mpa。试验结束，通过数据整理，获得材料不同温度、不同应力水平下的蠕变性能参数，如应力(σ)、温度(T)、材料屈服强度(σys)、断裂时间(tf)、最小蠕变速率
表1 材料的最小蠕变应变速率数据表。
表1中，E-06是指×10-6，E-05是指×10-5，E-04是指×10-4
第二步，将所得到的蠕变性能参数，按照Monkman-Grant模型，如式(1)所示，通过最小二乘法进行回归拟合：
700℃、725℃、750℃三个温度下的参数的拟合过程图如图1所示。由表1所示的试验数据，通过最小二乘法拟合(可采用Matlab，Origin等软件)得到待定系数α和M，如表2所示。
表2 Monkman-Grant模型拟合的参数
第三步，根据最小蠕变速率与温度、蠕变激活能和应力的关系：
式中：为最小蠕变应变速率，A为与材料有关的常数，n为应力指数，Q*为蠕变激活能，R为气体常数(R＝8.314，单位为J/(mol·K))，T为温度。
将式(2)两边均取对数，可得：
利用试验数据，绘制式(3)中的和曲线，采用最小二乘数法拟合获得的斜率(可采用Matlab，Origin等软件)，即可得到材料常数n和蠕变激活能Q*的值。如图2和图3所示。
700℃时n值为7.7465，725℃时n值为6.043，750℃时n值为5.009。各个应力值对应的激活能Q*，如表3所示。
表3 计算得到的各个应力值对应的蠕变激活能Q*
第四步：利用第三步求得不同应力水平σ下的蠕变激活能Q*，采用最小二乘数法(可采用Matlab，Origin等软件)获得Q*＝f(σ)＝D*σ+m的D和m参数，如图4所示。
两者之间的线性方程Q*＝f(σ)，如式(4)所示：
Q*＝-2.9712σ+1140.89
第五步：基于蠕变破断时间与应力、蠕变激活能之间的关系式，如式(5)所示。
式中：Q*是蠕变激活能，tf是断裂时间，R是气体常数，T为温度值，k1、μ是材料常数。
对式(5)进行取对数变换，可以得到下式：
ln[-ln(σ/σys)]＝lnk1+μln[tf·exp(-Q*/RT)] (6)
做出700℃、725℃、750℃三个温度下ln[tf·exp(-Q*/RT)]与ln[-ln(σ/σTS)]的关系点图，线性拟合即可得出k1与μ的值，如图5所示。
至此可获得式(4)与(5)中的所有需要的参数值，如表4所示。
表4 基于激活能法蠕变寿命预测方法的所需参数值。
第六步：为寻找蠕变激活能的应力相关性，建立一种蠕变寿命预测方法，将式(5)进行变换，可以得出断裂时间与应力、蠕变激活能、温度等参量的公式，如式(7)所示。
将式(4)以及表4中的参数值代入式(7)中，即可得到断裂时间与应力的关系式，如式(8)所示。代入各个温度下的屈服强度σys、k1、μ的值，即可得到不同温度下不同应力下的蠕变断裂寿命预测解析模型。
利用以上得到的基于蠕变激活能理论推导得到的蠕变断裂寿命解析模型预测的寿命预测曲线，如图6所示，图中散点是文献(Chai G,Hernblom J,Peltola T,et al.Creepbehavior in a newly developed heat resistant austenitic stainless steel[J].BHM Berg-undMonatshefte,2015,160(9):400-405.)报道的蠕变寿命数值，曲线是利用本发明的预测方法模拟出的曲线。可以发现本发明的基于蠕变激活能理论的高温蠕变寿命预测解析计算方法，考虑蠕变激活能与应力相关性，解决蠕变机制变化引起长期寿命预测精度偏低的难题，能够简便并且较高精度地计算得到蠕变寿命，使应用具有更强的操作性和说服力。

Claims (3)

1.一种基于蠕变激活能理论的高温蠕变寿命预测解析计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取材料不同温度、不同应力水平下蠕变性能的数据，每个试验点包括材料的应力σ、温度T、材料屈服强度σys、断裂时间tf、最小蠕变速率以及气体常数R；
步骤2，把试验数据按照式按最小二乘法回归，求出待定系数α和M；
步骤3，根据最小蠕变速率与应力、温度和蠕变激活能的关系：
两边取对数：
利用试验数据，绘制曲线和并采用最小二乘数法的斜率求到材料常数n和蠕变激活能Q*的值；
步骤4，利用步骤3求得不同应力水平σ下的蠕变激活能Q*，采用最小二乘数法获得Q*＝f(σ)＝D*σ+m的D和m参数；
步骤5，将步骤1得到的数据和步骤3得到的蠕变激活能Q*按照式3
进行最小二乘数法进行拟合试验数据，获得材料系数k1与μ的值；
步骤6，将步骤1-5得到的参数k1，μ，D，m代入寿命预测模型，如式4所示：
2.如权利要求1所述的一种基于蠕变激活能理论的高温蠕变寿命预测解析计算方法，其特征在于，所述高温蠕变寿命预测解析计算方法适用应力水平为0.2σys-σys，其中σys为材料屈服强度。
3.如权利要求1所述的一种基于蠕变激活能理论的高温蠕变寿命预测解析计算方法，其特征在于，所述高温蠕变寿命预测解析计算方法适用作业温度为400-1200℃。
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