CN111879636A - 一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法 - Google Patents

一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111879636A
CN111879636A CN202010756192.4A CN202010756192A CN111879636A CN 111879636 A CN111879636 A CN 111879636A CN 202010756192 A CN202010756192 A CN 202010756192A CN 111879636 A CN111879636 A CN 111879636A
Authority
CN
China
Prior art keywords
damage
fatigue
creep
oxidation
target material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010756192.4A
Other languages
English (en)
Inventor
王润梓
王康康
张显程
涂善东
王一宁
施劲松
温建锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
East China University of Science and Technology
Original Assignee
East China University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by East China University of Science and Technology filed Critical East China University of Science and Technology
Priority to CN202010756192.4A priority Critical patent/CN111879636A/zh
Publication of CN111879636A publication Critical patent/CN111879636A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0001—Type of application of the stress
    • G01N2203/0005—Repeated or cyclic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0014—Type of force applied
    • G01N2203/0016—Tensile or compressive
    • G01N2203/0019—Compressive
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0071—Creep
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0073—Fatigue
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/0058—Kind of property studied
    • G01N2203/0069—Fatigue, creep, strain-stress relations or elastic constants
    • G01N2203/0075—Strain-stress relations or elastic constants
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/067—Parameter measured for estimating the property
    • G01N2203/0682—Spatial dimension, e.g. length, area, angle

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

本发明涉及一种材料的蠕变‑疲劳‑氧化实时损伤累积评估方法，包括对一目标材料进行多组试验，得到所需要的参数；获取目标材料每周次的蠕变损伤、每周次的疲劳损伤以及每周次的氧化损伤；计算目标材料第n周次的累积蠕变损伤、累积疲劳损伤和累积氧化损伤；绘制目标材料的蠕变‑疲劳‑氧化三维损伤交互图；根据三维损伤交互图，提供损伤累积法则，实时评估目标材料的损伤情况。本发明很好地表征了氧化损伤，得到了较为精确的预测结果，同时能够实时评估材料的累积损伤，也可以直观观察材料剩余的蠕变、疲劳、氧化持久性能。另外，本发明具有很强的灵活性和可靠性，可以实时评估目标材料的累积损伤，能够用于指导复杂载荷下的寿命设计。

Description

一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法
技术领域
本发明涉及材料损伤评估领域，更具体地涉及材料在压缩保载的蠕变疲劳工况下的一种虑及时间的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法。
背景技术
在能源动力、石油化工和航空航天等领域中，许多结构部件长期运行在高温条件下，受应变波形控制，循环失效寿命往往不足105周次，即在高温低周疲劳载荷下，这些结构部件往往受到蠕变、疲劳以及氧化交互作用等多种机制的影响。在蠕变疲劳氧化交互作用的条件下，实现材料的三维损伤实时评估是亟待突破的重点问题。
传统的蠕变-疲劳损伤交互图以及寿命设计准则仅适用于在拉应变处引入保载时间的蠕变疲劳加载类型下的工况，其对于压保载蠕变疲劳及拉、压蠕变疲劳共同加载类型的适用性无从知晓，且累积氧化损伤在其中无法被考虑。
Figure BDA0002611646510000011
等发展了蠕变-疲劳-氧化三角损伤图，在传统蠕变-疲劳损伤交互图的基础上增加一个考虑氧化损伤效应的维度,蠕变-疲劳-氧化三角损伤交互图虽然成功增加了氧化损伤的维度，但是其缺点也显而易见：其一，蠕变-疲劳-氧化三角损伤交互图不能像传统蠕变-疲劳损伤交互图给出最直观的累积损伤的数值；其二，蠕变-疲劳-氧化三角损伤图的数据可读性很差；其三，蠕变-疲劳-氧化三角损伤图由于缺乏损伤准则等要素不能用于指导复杂载荷下的寿命设计。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提出了一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，能够直观地观察材料的累积损伤，具有较好的数据可读性，同时能够用于指导复杂载荷下的寿命设计。
本发明提供的一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，包括：
步骤S1，使用高温蠕变疲劳试验机对一目标材料进行多组试验，得到蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估所需要的参数；
步骤S2，根据所述参数获取目标材料每周次的蠕变损伤、每周次的疲劳损伤以及每周次的氧化损伤；
步骤S3，根据所述每周次的蠕变损伤、所述每周次的疲劳损伤和所述每周次的氧化损伤，计算目标材料第n周次的累积蠕变损伤、第n周次的累积疲劳损伤和第n周次的累积氧化损伤，其中，n为直到累积总损伤值达到1时的最大正整数；
步骤S4，以所述第n周次的累积氧化损伤为横坐标，所述第n周次的累积蠕变损伤为纵坐标，所述第n周次的累积疲劳损伤为竖坐标，绘制目标材料的蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图；
步骤S5，根据所述蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图，并提供一损伤累积法则，实时评估目标材料的损伤情况。
进一步地，所述步骤S1包括：
步骤S11，对目标材料进行应力水平不同的试验，得到目标材料的第一线性回归系数
Figure BDA0002611646510000021
第一线性回归幂指数n1以及非弹性应变能密度的平台值wf0；
步骤S12，保持温度不变，设计应变控制模式下应变幅不同的蠕变疲劳试验，获取不同周次下的应力应变数据，得到不同周次的平均应力σm和蠕变疲劳试验条件下不同周次的塑性应变范围Δεp；
步骤S13，对目标材料进行一系列温度不同的应力松弛试验，得到不同应变水平下应力与松弛时间的关系，根据应力与松弛时间的关系得到第一松弛参数A和第二松弛参数B；
步骤S14，保持温度不变，设计纯疲劳试验和在最大压应变处引入不同保载时间的蠕变疲劳试验，分别得到目标材料在相同应变幅下不同保载时间的纯疲劳寿命和蠕变疲劳寿命，计算目标材料的氧化损伤因子α。
进一步地，所述步骤S11还包括：绘制非弹性应变能密度和瞬时非弹性应变能密度耗散率的关系图，通过曲线拟合得到第一线性回归系数
Figure BDA0002611646510000036
和第一线性回归幂指数n1。
进一步地，所述步骤S13中计算第一松弛参数A和第二松弛参数B的公式为：
σ(t)＝σmin+(A·logΔεp+B)·log(1+t)
式中，t为松弛时间，σ(t)为t时的应力水平，σmin为半寿命周次的谷值压缩应力，Δεp为塑性应变范围。
进一步地，所述步骤S2中目标材料每周次的蠕变损伤dc按照下式计算：
Figure BDA0002611646510000031
式中，t为松弛时间，
Figure BDA0002611646510000032
为第一线性回归系数，n1为第一线性回归幂指数，wf0为非弹性应变能密度的平台值，
Figure BDA0002611646510000033
为非弹性应变能密度耗散率，σm为半寿命周次的平均应力，A为第一松弛参数，B为第二松弛参数，te为压缩保载的时间。
进一步地，所述步骤S2中目标材料每周次的疲劳损伤df按照下式计算：
Figure BDA0002611646510000034
式中，N0为步骤S14中得到的目标材料的纯疲劳寿命。
进一步地，所述步骤S2中目标材料每周次的疲劳损伤df按照下式计算：
Figure BDA0002611646510000035
式中，n2为第二线性回归幂指数，通过最小二乘法计算；b1为第三线性回归幂指数，通过纯疲劳试验数据拟合得到；te为压缩保载的时间；ψ为温度相关的参数；ψ＝Ωexp(-Q0/RT)，Ω为目标材料的模型参数，R为通用气体常数，Q0为激活能；σo为目标材料的半寿命周次的峰值拉伸应力，Δεp为塑性应变范围，α为氧化损伤因子。
进一步地，所述步骤S3中第n周次的累积蠕变损伤Dc(n)、第n周次的累积疲劳损伤Df(n)以及第n周次的累积氧化损伤Do(n)按照下式计算:
Figure BDA0002611646510000041
式中，dc(m)为第m周次的蠕变损伤，df(m)为第m周次的疲劳损伤，do(m)为第m周次的氧化损伤，m为大于零的自然数。
进一步地，所述步骤S5中的损伤累积法则为简化的非线性累积损伤法则。
进一步地，所述非线性累积损伤法则表示为：
Figure BDA0002611646510000042
式中，x为简化的非线性损伤累积法则系数，Dc表示目标材料的累积蠕变损伤，Df表示目标材料的累积疲劳损伤，Do表示目标材料的累积氧化损伤。
本发明根据压缩保载下特殊的蠕变损伤是由特殊的圆形孔洞长大导致的机理，以拉伸平均应力所致的增加的应变能密度为驱动力得出压缩保载下蠕变损伤表达式，同时引入了唯象的氧化损伤因子，很好地表征了氧化损伤，得到了较为精确的预测结果。本发明利用蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图，能够实时评估材料的累积损伤，也可以直观观察材料剩余的蠕变、疲劳、氧化持久性能。另外，本发明具有很强的灵活性和可靠性，可以根据提出的非线性损伤累积法则，实时评估目标材料的累积损伤，能够用于指导复杂载荷下的寿命设计。
附图说明
图1是按照本发明的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法的流程图。
图2是非弹性应变能密度与瞬时非弹性应变能密度耗散率关系图。
图3是压缩保载下驱动产生特殊蠕变损伤的示意图。
图4是按照本发明的三维坐标下损伤交互图中的非线性损伤累积法则示意图。
图5是氧化损伤因子与累积压缩保载时间关系图。
图6是按照本发明的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法的铬钼钢Grade 91材料在550℃下的蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图。
图7是按照本发明的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法的镍基合金IN738LC材料在850℃下蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图。
图8是按照本发明的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法的镍基合金GH4169材料在650℃下蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明的一种虑及时间的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法包括如下步骤：
步骤S1，使用高温蠕变疲劳试验机对一目标材料进行多组试验，得到蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估所需要的参数。具体包括：
步骤S11，对目标材料进行应力水平不同的试验，得到目标材料的第一线性回归系数
Figure BDA0002611646510000054
第一线性回归幂指数n1以及非弹性应变能密度的平台值wf0。
其中，计算第一线性回归系数
Figure BDA0002611646510000051
和第一线性回归幂指数n1的方法为：首先按照公式(1)建立压缩保载的蠕变疲劳工况下考虑拉伸平均应力效应的非弹性应变能密度win(MJ/m3)：
Figure BDA0002611646510000052
式中，E为弹性模量，σm为半寿命周次的平均应力，σmin为半寿命周次的谷值压缩应力。
其次，将公式(1)对压缩时间t进行求导，可得到在压缩保载下考虑平均应力效应的非弹性应变能密度耗散率
Figure BDA0002611646510000053
Figure BDA0002611646510000061
然后，得到550℃下的铬钼钢材料、850℃下的镍基合金材料以及650℃下的镍基合金材料的非弹性应变能密度和瞬时非弹性应变能密度耗散率的关系图，如图2所示，取横纵坐标的对数，通过对数坐标系的曲线截距可以得到第一线性回归系数
Figure BDA0002611646510000064
通过对数坐标系的曲线的斜率可以得到第一线性回归幂指数n1。
步骤S12，保持温度不变，设计应变控制模式下应变幅不同的蠕变疲劳试验，获取不同周次下的应力应变数据，得到不同周次的平均应力σm和蠕变疲劳试验条件下不同周次的塑性应变范围Δεp
步骤S13，对目标材料进行一系列温度不同的应力松弛试验，得到不同应变水平下应力与松弛时间的关系，如公式(3)，并根据该公式(3)得到第一松弛参数A和第二松弛参数B：
σ(t)＝σmin+(A·logΔεp+B)·log(1+t) (3)
式中，t为松弛时间，σ(t)为t时的应力水平，σmin为半寿命周次的谷值压缩应力。
将公式(3)对压缩保载时间t(即松弛时间)进行求导，可得压缩保载阶段的应力松弛率
Figure BDA0002611646510000062
利用该应力松弛率可计算公式(5)中的蠕变损伤：
Figure BDA0002611646510000063
步骤S14，保持温度不变，设计纯疲劳试验和在最大压应变处引入不同保载时间的蠕变疲劳试验，分别得到目标材料在相同应变幅下不同保载时间的纯疲劳寿命和蠕变疲劳寿命，计算目标材料的氧化损伤因子α。
步骤S2，根据步骤S11-S14得到的参数来推算获得目标材料在压缩保载的蠕变疲劳工况下每个周次的内部损伤和表面损伤。其中，内部损伤即蠕变损伤dc，表面损伤则包括疲劳损伤df和氧化损伤do。
根据压缩保载下特殊的蠕变损伤是由特殊的圆形孔洞长大导致的机理，如图3所示，以拉伸平均应力所致的增加的应变能密度为驱动力得出压缩保载下蠕变损伤表达式，即目标材料每周次的蠕变损伤dc按照公式(5)计算：
Figure BDA0002611646510000071
式中，t为松弛时间(即一个周次的保载时间)，
Figure BDA0002611646510000072
为第一线性回归系数，n1为第二线性回归幂指数，wf0为非弹性应变能密度的平台值，
Figure BDA0002611646510000073
为非弹性应变能密度耗散率，σm为半寿命周次的平均应力，A为第一松弛参数，B为第二松弛参数，te为压缩保载的时间。
目标材料每周次的疲劳损伤df按照公式(6)计算：
Figure BDA0002611646510000074
式中，N0为步骤S14中得到的目标材料在相同应变幅下不同保载时间的纯疲劳寿命。
与传统的拉伸保载相比，压缩保载的蠕变疲劳工况下，氧的作用加剧，表面二次裂纹的密度也随之增加，因此提出描述压缩保载的蠕变疲劳工况下的氧化损伤因子，则循环中每周次的氧化损伤do为：
do＝dS-df＝α·df-df (7)
式中，α为氧化损伤因子，ds为每周次的表面损伤，df为每周次的疲劳损伤。
氧化过程可分为前后两个阶段，随着时间增加，氧化层会在基体外侧逐渐累积，裂纹会先萌生于强度较低的氧化层表面，随着循环周次的增加，裂纹会逐渐扩展至氧化层和基体的内界面处。在氧化损伤的第一阶段，氧很难穿过致密的氧化膜，因此，氧化损伤基本可以忽略。当裂纹扩展至基体材料，进入氧化损伤的第二阶段，裂纹进一步扩展，形成了连续的氧化膜，引发晶界脆化，在脆化的晶界处因反复拉压产生的驻留滑移带撞击会产生微裂纹。
在氧化损伤的第一阶段，氧对基体材料的损伤可忽略不计，即αI＝0。在氧化损伤的第二阶段，不同温度下氧化损伤因子αII和累积压缩保载的时间Te之间的关系可以用阿伦尼斯方程来表示：
Figure BDA0002611646510000081
式中，αII为第二阶段氧化损伤因子，Ω和n2分别为目标材料相关的模型参数(模型参数是指依赖于温度、材料以及保载时间的参数，可以通过曲线取对数的斜率和截距得到)和第二线性回归幂指数(与保载时间相关)，R为通用气体常数，Q0为激活能，T是温度，Te是整个实验所有周次的压缩保载时间的总和，即失效周次乘以每周次的压缩保载时间(每周次的松弛时间)。
若温度保持不变，则两阶段的氧化损伤因子α为：
α＝max(1,αII) (9)
则每周次的氧化损伤do的最终表达式为：
Figure BDA0002611646510000082
式中，do为每周次的氧化损伤；通过最小二乘法得到第二线性回归幂指数n2，通过纯疲劳试验数据拟合得到第三线性回归幂指数b1，具体地，第二线性回归幂指数n2通过第二阶段氧化损伤因子与累积压缩保载时间曲线取双对数坐标下曲线的斜率得到，第三线性回归幂指数b1通过纯疲劳试验失效周次与最大应力和塑性应变范围曲线取双对数下曲线的斜率得到；te为压缩保载的时间，ψ为温度相关的参数，ψ＝Ωexp(-Q0/RT)，σo为目标材料半寿命周次的峰值拉伸应力，即最大应力，Δεp为塑性应变范围，α为氧化损伤因子。
步骤S3，根据每周次的蠕变损伤dc、每周次的疲劳损伤df、每周次的氧化损伤do，计算第n周次的累积内部损伤和累积表面损伤，累积内部损伤即累积蠕变损伤Dc(n)，累积表面损伤包括累积疲劳损伤Df(n)和累积氧化损伤Do(n)，其中，n为直到累积总损伤的值达到1时的最大正整数。
具体地，根据公式(11)计算第n周次的累积蠕变损伤Dc(n)、累积疲劳损伤Df(n)以及累积氧化损伤Do(n):
Figure BDA0002611646510000091
其中，dc(m)为第m周次的蠕变损伤，df(m)为第m周次的疲劳损伤，do(m)为第m周次的氧化损伤，m为大于零的自然数。
步骤S4，以第n周次的累积氧化损伤Do(n)为横坐标，以第n周次的累积蠕变损伤Dc(n)为纵坐标，以第n周次的累积疲劳损伤Df(n)为竖坐标，绘制蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图。
步骤S5，根据绘制的蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图，并提供一损伤累积法则，实时评估材料的损伤情况。如图4所示，图中的损伤累积法则为一简化的非线性累积损伤法则，其数学表达式为：
Figure BDA0002611646510000092
其中，x为简化的非线性损伤累积法则系数，在本实施例中，取x＝0.576，Dc表示目标材料的累积蠕变损伤，Df表示目标材料的累积疲劳损伤，Do表示目标材料的累积氧化损伤。当公式(12)成立时判定目标材料失效。
本发明的一种处于压缩保载的蠕变疲劳工况下虑及时间的蠕变疲劳氧化损伤评定方法，基于非线性损伤累积准则，根据压缩保载下特殊的蠕变损伤是由特殊的圆形孔洞长大导致的机理，以拉伸平均应力所致的增加的应变能密度为驱动力，得出压缩保载下蠕变损伤表达式，同时引入了唯象的氧化损伤因子，很好地表征了氧化损伤，得到了较为精确的预测结果。本发明的蠕变-疲劳-氧化损伤交互图，可以直观地观察材料剩余的蠕变、疲劳、氧化持久性能。同时，本发明还具有很强的灵活性和可靠性，可以根据提出的非线性损伤累积法则，实时评估目标材料的累积损伤。
以下采用本发明虑及时间的蠕变-疲劳-氧化损伤评定方法对550℃下的铬钼钢材料(Grade 91)，850℃下的镍基合金材料(IN 738LC)，650℃下的镍基合金材料(GH4169)进行验证。
1、对550℃下的铬钼钢材料(Grade 91)的验证
首先，根据Takahashi，Taguchi和Asayama发表的四篇论文<Study on creep-fatigue evaluation procedures for high-chromium steels-Part I:Test resultsand life prediction based on measured stress relaxation,International Journalof Pressure Vessels and Piping.(2008),85(6):406-422.>、<Systematic evaluationof creep-fatigue life prediction methods for various alloys,In:Proceedings ofthe ASME 2009pressure vessels andpiping division conference,(2009):1461-1470.>、<Application of the overstress concept to inelastic behavior and evaluationof creep-fatigue damage for modified 9Cr-1Mo steel，International Journal ofPressure Vessels and Piping.(1990),44(1):99-115.>、<Update and ImproveSubsection NH-Alternative Simplified Creep-Fatigue Design Methods.ASMEStandards Technology,LLC.(2009)>中提供的试验数据以及疲劳试验和蠕变疲劳试验结果，可得出：550℃下Grade 91的总应变范围为0.35％～1.0％，蠕变疲劳失效周次为300周次～19150周次，第一松弛参数A＝26.9，第二松弛参数B＝96.4。通过最小二乘法拟合计算出第一线性回归系数
Figure BDA0002611646510000101
第一线性回归幂指数n1＝0.11，非弹性应变能密度的平台值wf0＝75MJ/m3。参照图5，通过最小二乘法拟合氧化因子α和累积压缩保载时间Te的曲线，得到第二线性回归幂指数n2＝0.22，ψ＝0.08。由此，得到了550℃压缩保载的蠕变疲劳工况下评估Grade 91材料蠕变-疲劳-氧化损伤的所有材料参数。
根据上述公式(5)、公式(6)、公式(10)计算得每周次蠕变损伤dc、每周次疲劳损伤df、每周次氧化损伤do，然后根据公式(11)计算循环至某个周次n的累积内、外部损伤，以第n周次的累积氧化损伤Do(n)为横坐标，以第n周次的累积蠕变损伤Dc(n)为纵坐标，以第n周次的累积疲劳损伤Df(n)为竖坐标，构建蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图。三维损伤图中采用非线性累积损伤法则
Figure BDA0002611646510000102
来实时评估损伤，x为简化的非线性损伤累计法则系数，取x＝0.576。
图6示出了本例中在蠕变疲劳氧化损伤交互途中实时损伤的累积评定结果，球体点表示选取的某个循环周次n的累积损伤(Do(n),Dc(n),Df(n))在空间直角坐标系中的位置。由图中可以看出，试验数据点均落在损伤累积法则的包络曲面之外，展现了该损伤累积法则良好的可行性。
2、对850℃下的镍基合金材料(IN 738LC)的验证
首先，根据Ostergren和Nazmy发表的两篇论文<A damage function andassociated failure equations for predicting hold time and frequency effectsin elevated temperature,low cycle fatigue,Journal ofTesting and Evaluation.(1976),4(5):327-339.>和<High temperature low cycle fatigue ofIN 738andapplication ofstrain range partitioning，Metallurgical TransactionsA.(1983),14(2):449-461.>中提供的试验数据以及疲劳试验和蠕变疲劳试验结果，可得出：850℃下IN738LC合金的总应变范围为0.3％～1.0％，蠕变疲劳失效周次为41周次～1320周次，第一松弛参数A＝18.2，第二松弛参数B＝104.9。通过最小二乘法拟合计算出可得出第一线性回归系数
Figure BDA0002611646510000111
第一线性回归幂指数n1＝0.41，非弹性应变能密度的平台值wf0＝60MJ/m3。参照图5，通过最小二乘法拟合氧化因子α和累积压缩保载时间Te的曲线，得到第二线性回归幂指数n2＝0.27，ψ＝0.16。由此，得到了850℃压缩保载的蠕变疲劳工况下评估IN 738LC合金蠕变-疲劳-氧化损伤的所有材料参数。
根据公式(5)、公式(6)、公式(10)计算得每周次蠕变损伤dc、每周次疲劳损伤df、每周次氧化损伤do，然后根据公式(11)计算循环至某个周次n的累积内、外部损伤，以第n周次的累积氧化损伤Do(n)为横坐标，以第n周次的累积蠕变损伤Dc(n)为纵坐标，以第n周次的累积疲劳损伤Df(n)为竖坐标，构建蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图。三维损伤图中采用非线性累积损伤法则
Figure BDA0002611646510000112
来实时评估损伤，x为简化的非线性损伤累计法则系数，取x＝0.576。
图7示出了本例中在蠕变疲劳氧化损伤交互途中实时损伤的累积评定结果，立方体点表示选取的某个循环周次n的累积损伤(Do(n),Dc(n),Df(n))在空间直角坐标系中的位置。由图中可以看出，试验数据点均落在损伤累积法则的包络曲面之外，展现了该损伤累积法则良好的可行性。
3、对650℃下的镍基合金材料(GH4169)的验证
首先，根据650℃下GH4169合金材料已经进行的蠕变疲劳试验数据结果，可得出：650℃下GH4169合金的试验数据，总应变范围为1.0％～2.0％，蠕变疲劳失效周次为162周次～4593周次，第一松弛参数A＝13.3，第二松弛参数B＝17.4。通过最小二乘法拟合计算出第一线性回归系数
Figure BDA0002611646510000113
第一线性回归幂指数n1＝0.14，非弹性应变能密度的平台值wf0＝46MJ/m3。参照图5，通过最小二乘法拟合氧化因子α和累积压缩保载时间Te的曲线，得到第二线性回归幂指数n2＝0.24，ψ＝0.06。由此，得到了650℃压缩保载的蠕变疲劳工况下评估GH4169合金蠕变-疲劳-氧化损伤的所有材料参数。
根据公式(5)、公式(6)、公式(10)计算得每周次蠕变损伤dc、每周次疲劳损伤df、每周次氧化损伤do；然后根据公式(11)计算循环至某个周次n的累积内、外部损伤，以第n周次的累积氧化损伤Do(n)为横坐标，以第n周次的累积蠕变损伤Dc(n)为纵坐标，以第n周次的累积疲劳损伤Df(n)为竖坐标，构建蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图。三维损伤图中采用非线性累积损伤法则
Figure BDA0002611646510000121
来实时评估损伤，x为简化的非线性损伤累计法则系数，取x＝0.576。
图8示出了本例中在蠕变疲劳氧化损伤交互途中实时损伤的累积评定结果，四面体点表示选取的某个循环周次n的累积损伤(Do(n),Dc(n),Df(n))在空间直角坐标系中的位置。由图中可以看出，试验数据点均落在损伤累积法则的包络曲面之外，展现了该损伤累积法则良好的可行性。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，包括：
步骤S1，使用高温蠕变疲劳试验机对一目标材料进行多组试验，得到蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估所需要的参数；
步骤S2，根据所述参数获取目标材料每周次的蠕变损伤、每周次的疲劳损伤以及每周次的氧化损伤；
步骤S3，根据所述每周次的蠕变损伤、所述每周次的疲劳损伤和所述每周次的氧化损伤，计算目标材料第n周次的累积蠕变损伤、第n周次的累积疲劳损伤和第n周次的累积氧化损伤，其中，n为直到累积总损伤值达到1时的最大正整数；
步骤S4，以所述第n周次的累积氧化损伤为横坐标，所述第n周次的累积蠕变损伤为纵坐标，所述第n周次的累积疲劳损伤为竖坐标，绘制目标材料的蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图；
步骤S5，根据所述蠕变-疲劳-氧化三维损伤交互图，并提供一损伤累积法则，实时评估目标材料的损伤情况。
2.根据权利要求1所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S11，对目标材料进行应力水平不同的试验，得到目标材料的第一线性回归系数
Figure FDA0002611646500000011
第一线性回归幂指数n1以及非弹性应变能密度的平台值wf0；
步骤S12，保持温度不变，设计应变控制模式下应变幅不同的蠕变疲劳试验，获取不同周次下的应力应变数据，得到不同周次的平均应力σm和蠕变疲劳试验条件下不同周次的塑性应变范围Δεp；
步骤S13，对目标材料进行一系列温度不同的应力松弛试验，得到不同应变水平下应力与松弛时间的关系，根据应力与松弛时间的关系得到第一松弛参数A和第二松弛参数B；
步骤S14，保持温度不变，设计纯疲劳试验和在最大压应变处引入不同保载时间的蠕变疲劳试验，分别得到目标材料在相同应变幅下不同保载时间的纯疲劳寿命和蠕变疲劳寿命，计算目标材料的氧化损伤因子α。
3.根据权利要求2所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述步骤S11还包括：绘制非弹性应变能密度和瞬时非弹性应变能密度耗散率的关系图，通过曲线拟合得到第一线性回归系数
Figure FDA0002611646500000026
和第一线性回归幂指数n1。
4.根据权利要求2所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述步骤S13中计算第一松弛参数A和第二松弛参数B的公式为：
σ(t)＝σmin+(A·logΔεp+B)·log(1+t)；
式中，t为松弛时间，σ(t)为t时的应力水平，σmin为半寿命周次的谷值压缩应力，Δεp为塑性应变范围。
5.根据权利要求1所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述步骤S2中目标材料每周次的蠕变损伤dc按照下式计算：
Figure FDA0002611646500000021
式中，t为松弛时间，
Figure FDA0002611646500000022
为第一线性回归系数，n1为第一线性回归幂指数，wf0为非弹性应变能密度的平台值，
Figure FDA0002611646500000023
为非弹性应变能密度耗散率，σm为半寿命周次的平均应力，A为第一松弛参数，B为第二松弛参数，te为压缩保载的时间。
6.根据权利要求2所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述步骤S2中目标材料每周次的疲劳损伤df按照下式计算：
Figure FDA0002611646500000024
式中，N0为步骤S14中得到的目标材料的纯疲劳寿命。
7.根据权利要求1所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述步骤S2中目标材料每周次的疲劳损伤df按照下式计算：
Figure FDA0002611646500000025
式中，n2为第二线性回归幂指数，通过最小二乘法计算；b1为第三线性回归幂指数，通过纯疲劳试验数据拟合得到；te为压缩保载的时间；ψ为温度相关的参数；ψ＝Ωexp(-Q0/RT)，Ω为目标材料的模型参数，R为通用气体常数，Q0为激活能；σo为目标材料的半寿命周次的峰值拉伸应力，Δεp为塑性应变范围，α为氧化损伤因子。
8.根据权利要求1所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述步骤S3中第n周次的累积蠕变损伤Dc(n)、第n周次的累积疲劳损伤Df(n)以及第n周次的累积氧化损伤Do(n)按照下式计算:
Figure FDA0002611646500000031
式中，dc(m)为第m周次的蠕变损伤，df(m)为第m周次的疲劳损伤，do(m)为第m周次的氧化损伤，m为大于零的自然数。
9.根据权利要求1所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述步骤S5中的损伤累积法则为简化的非线性累积损伤法则。
10.根据权利要求9所述的材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法，其特征在于，所述非线性累积损伤法则表示为：
Figure FDA0002611646500000032
式中，x为简化的非线性损伤累积法则系数，Dc表示目标材料的累积蠕变损伤，Df表示目标材料的累积疲劳损伤，Do表示目标材料的累积氧化损伤。
CN202010756192.4A 2020-07-31 2020-07-31 一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法 Pending CN111879636A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010756192.4A CN111879636A (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010756192.4A CN111879636A (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111879636A true CN111879636A (zh) 2020-11-03

Family

ID=73204906

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010756192.4A Pending CN111879636A (zh) 2020-07-31 2020-07-31 一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111879636A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113049376A (zh) * 2021-03-10 2021-06-29 华东理工大学 一种用于过热器管板的蠕变疲劳损伤评估方法
CN113408165A (zh) * 2021-06-04 2021-09-17 西北工业大学 基于异方差回归的叶片蠕变-疲劳复合概率寿命分析方法
CN113514350A (zh) * 2021-03-26 2021-10-19 南京工业大学 适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法
CN114279944A (zh) * 2021-12-23 2022-04-05 苏州热工研究院有限公司 不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法
CN115017745A (zh) * 2022-08-09 2022-09-06 天津大学 一种用于火电机组结构件的蠕变疲劳寿命预测方法及系统
CN115691720A (zh) * 2022-11-14 2023-02-03 南京航空航天大学 一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法
CN115931532A (zh) * 2022-12-30 2023-04-07 南京工业大学 基于修正时间分数法的电力高温部件损伤状态判定方法
CN116052813A (zh) * 2022-12-30 2023-05-02 南京工业大学 一种全数值驱动的实时蠕变疲劳损伤监测方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6301970B1 (en) * 1998-08-06 2001-10-16 The United States Of America The Secretary Of The Navy Cumulative damage model for structural analysis of filed polymeric materials
JP2005091029A (ja) * 2003-09-12 2005-04-07 Babcock Hitachi Kk 炭素鋼及び低合金鋼材料の硝酸塩応力腐食割れ損傷診断法
CN105043904A (zh) * 2015-07-01 2015-11-11 青岛文创科技有限公司 一种基于纳米压入测试技术的超薄铜膜疲劳失效预测方法
CN106202913A (zh) * 2016-07-07 2016-12-07 华东理工大学 时间相关的蠕变疲劳损伤评定方法
CN108170905A (zh) * 2017-12-08 2018-06-15 南昌航空大学 一种用于镍基高温合金叶片热机械疲劳载荷下的寿命预测方法
CN108931448A (zh) * 2018-05-07 2018-12-04 华南理工大学 一种高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法
CN109063238A (zh) * 2018-06-19 2018-12-21 北京工业大学 一种基于损伤机制的拉扭热机械疲劳寿命预测方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6301970B1 (en) * 1998-08-06 2001-10-16 The United States Of America The Secretary Of The Navy Cumulative damage model for structural analysis of filed polymeric materials
JP2005091029A (ja) * 2003-09-12 2005-04-07 Babcock Hitachi Kk 炭素鋼及び低合金鋼材料の硝酸塩応力腐食割れ損傷診断法
CN105043904A (zh) * 2015-07-01 2015-11-11 青岛文创科技有限公司 一种基于纳米压入测试技术的超薄铜膜疲劳失效预测方法
CN106202913A (zh) * 2016-07-07 2016-12-07 华东理工大学 时间相关的蠕变疲劳损伤评定方法
CN108170905A (zh) * 2017-12-08 2018-06-15 南昌航空大学 一种用于镍基高温合金叶片热机械疲劳载荷下的寿命预测方法
CN108931448A (zh) * 2018-05-07 2018-12-04 华南理工大学 一种高铬钢材料热力学响应及疲劳-蠕变损伤的预测方法
CN109063238A (zh) * 2018-06-19 2018-12-21 北京工业大学 一种基于损伤机制的拉扭热机械疲劳寿命预测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王润梓: "基于能量密度耗散准则的蠕变-疲劳寿命预测模型及应用", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技2辑》 *

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113049376A (zh) * 2021-03-10 2021-06-29 华东理工大学 一种用于过热器管板的蠕变疲劳损伤评估方法
CN113049376B (zh) * 2021-03-10 2022-05-17 华东理工大学 一种用于过热器管板的蠕变疲劳损伤评估方法
CN113514350B (zh) * 2021-03-26 2022-05-13 南京工业大学 适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法
CN113514350A (zh) * 2021-03-26 2021-10-19 南京工业大学 适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法
CN113408165B (zh) * 2021-06-04 2023-03-03 西北工业大学 基于异方差回归的叶片蠕变-疲劳复合概率寿命分析方法
CN113408165A (zh) * 2021-06-04 2021-09-17 西北工业大学 基于异方差回归的叶片蠕变-疲劳复合概率寿命分析方法
CN114279944A (zh) * 2021-12-23 2022-04-05 苏州热工研究院有限公司 不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法
CN114279944B (zh) * 2021-12-23 2023-05-30 苏州热工研究院有限公司 不锈钢焊材热老化-应力-腐蚀耦合作用的评价方法
CN115017745A (zh) * 2022-08-09 2022-09-06 天津大学 一种用于火电机组结构件的蠕变疲劳寿命预测方法及系统
US11847387B1 (en) * 2022-08-09 2023-12-19 Tianjin University Method and system for predicting creep-fatigue life of structural part of thermal power unit
CN115691720A (zh) * 2022-11-14 2023-02-03 南京航空航天大学 一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法
CN115691720B (zh) * 2022-11-14 2023-08-18 南京航空航天大学 一种变载荷历程下的蠕变疲劳损伤计算方法
CN115931532A (zh) * 2022-12-30 2023-04-07 南京工业大学 基于修正时间分数法的电力高温部件损伤状态判定方法
CN116052813A (zh) * 2022-12-30 2023-05-02 南京工业大学 一种全数值驱动的实时蠕变疲劳损伤监测方法
CN116052813B (zh) * 2022-12-30 2023-10-13 南京工业大学 一种全数值驱动的实时蠕变疲劳损伤监测方法
CN115931532B (zh) * 2022-12-30 2023-10-13 南京工业大学 基于修正时间分数法的电力高温部件损伤状态判定方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111879636A (zh) 一种材料的蠕变-疲劳-氧化实时损伤累积评估方法
CN109388878A (zh) 一种综合考虑喷丸强化效果的疲劳寿命预测方法
Yanase et al. Multiaxial high cycle fatigue threshold with small defects and cracks
Abbasi et al. An investigation into the effect of elevated temperatures on fretting fatigue response under cyclic normal contact loading
CN115017745B (zh) 一种用于火电机组结构件的蠕变疲劳寿命预测方法及系统
Führer et al. Modeling the cyclic softening and lifetime of ferritic-martensitic steels under creep-fatigue loading
JP2012118059A (ja) 部品の疲労破壊評価装置、部品の疲労破壊評価方法、及びコンピュータプログラム
Hassan et al. Optimal design of failure step stress partially accelerated life tests with type II censored inverted Weibull data
Li et al. Residual fatigue life prediction based on a novel damage accumulation model considering loading history
CN114186444A (zh) 航空发动机高温部件的载荷谱编制方法、介质、终端、应用
Pribe et al. Transient creep‐fatigue crack growth in creep‐brittle materials: Application to Alloy 718
Bouchenot et al. Application of Ramberg-Osgood plasticity to determine cyclic hardening parameters
Roy et al. A stochastic model for evolution of creep damage in engineering materials
Mazur et al. Evaluation of Creep Damage in a Gas Turbine First Stage Blade
Singh et al. Assessing Useful Life Of Turbomachinery Components.
Bruyneel et al. Damage modeling of laminated composites: validation of the inter-laminar damage law of SAMCEF at the coupon level for UD plies
Cashman A mathematical model for competing failure modes in strain cycle fatigue
Dourado et al. A Bayesian framework for estimation of strain life lower bounds and its application to IN617
Wei et al. Hold-Time Effect on Thermo-Mechanical Fatigue Life and Its Implications in Durability Analysis of Components and Systems
JP2009198481A (ja) 応力解析装置及び方法
Saltsman et al. Procedures for characterizing an alloy and predicting cyclic life with the total strain version of strainrange partitioning
Shen et al. An energy-based framework to determine the fatigue strength and fatigue ductility parameters for LCF/HCF life assessment of turbine materials
Wu et al. Challenges in life prediction of gas turbine critical components
Green et al. A Mean Stress Correction to a Ductility Exhaustion Approach for Gas Turbine Component Life Assessment
Wei et al. A New Linear Superposition Theory and its Application in Creep Fatigue-Oxidation Crack Growth Modeling

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20201103

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication