CN113702204B - 一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法及系统，设计合理，操作简单，准确迅速，极大额提高持久强度的预测和测试。其包括，在650℃～750℃范围内，对合金试样进行拉伸性能测试和持久断裂试验，获得合金试样在相同测试温度T下对应的持久数据；建立持久强度σ、抗拉强度Rm、持久断裂时间t及测试温度T之间的关联模型，得到不同持久断裂时间得到的持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间的拟合曲线在线性坐标系中呈平行关系；根据关联模型获得当持久断裂时间t为t′时，不同测试温度条件对应的持久强度。

Description

一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法及系统
技术领域
本发明涉及电站用金属材料寿命评估领域，具体为一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法及系统。
背景技术
持久强度是指样品在规定温度下达到规定的试验时间而不发生断裂的最大应力，持久寿命是指样品从持久试验开始到最终断裂所用的总时间，也可以叫做持久断裂时间或断裂寿命。在温度一定时，外加应力越低，持久寿命越长。
金属材料的持久强度及持久寿命是通过持久试验测定得到的，这一试验是工程上评价材料高温性能最常用的方法之一，也是开展寿命预测的基础。火电机组相关部件的设计寿命一般为10万小时以上，要获得服役温度条件下10万小时持久断裂时间对应的持久强度，理论上需要将近12年的试验周期。虽然持久试验本身并不复杂，但受时间限制，需要经过很长一段时间后才能获取相关性能，这极大的增加了新材料开发及电站建设的时间成本、经济成本。对于目前拟建的高参数电站而言，关键部件用材料多为镍基及镍铁基新型合金，由于候选材料和处理参数众多，完全靠长时实测数据进行寿命预测和合金设计、优化是不现实的。
目前，对此类材料持久性能的预测多基于以下两种方法：一是根据高温/高应力/持久断裂试验结果，利用时间-温度参数法(如LM、OSD法等)、等温线法等外推性能；二是利用相应的蠕变曲线，通过建立参数法唯象模型描述蠕变全过程(如θ参数法)。上述两种方法分别是利用材料持久断裂数据或蠕变过程中的蠕变曲线数据，对其进行数学上的统计、拟合，通过建立数学模型从而完成对长时寿命的预测。其中，前者建模需要开展相对较多的持久试验，此外对试验温度选择非常敏感，当高温段与低温段蠕变机制发生变化时在很大程度上会导致对持久性能的错误估计；后者需要在不同温度、应力条件下开展大量的蠕变试验，蠕变试验本身对试验设备、试样加工及试验条件等均有较为严苛的要求。因此，如何快捷且较为准确的实现高参数电站用先进高温合金持久性能是目前该领域亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法及系统，设计合理，操作简单，准确迅速，极大额提高持久强度的预测和测试。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法，包括，
步骤1，在650℃～750℃范围内，对合金试样进行拉伸性能测试，获得合金试样在若干测试温度T下的抗拉强度Rm；
步骤2，在650℃～750℃范围内，对合金试样进行持久断裂试验，获得合金试样在相同测试温度T下对应的持久数据；其中，包括至少两个温度条件下的持久数据；所述持久数据包括持久强度σ和持久断裂时间t；
步骤3，建立持久强度σ、抗拉强度Rm、持久断裂时间t及测试温度T之间的关联模型，得到不同持久断裂时间得到的持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间的拟合曲线在线性坐标系中呈平行关系；
步骤4，根据关联模型获得当持久断裂时间t为t′时，不同测试温度条件对应的持久强度；
根据平行关系，联合持久断裂时间t为t″时对应的一个持久数据，求解对应关联模型的常数，进而结合抗拉强度获得当持久断裂时间为t″时，不同测试温度T条件下对应的持久强度。
优选的，当持久断裂时间t为一确定值t′时，持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间成线性关系，即得到关联模型Ⅰ：：其中，a′、b′均为常数项；
当改变持久断裂时间t为另一确定值t″时，上述关系式依然成立，即关联模型Ⅱ：其中a″、b″均为常数项，且b′＝b″或误差在限定阈值内相等。
进一步，所述根据平行关系，联合持久断裂时间t为t″时对应的一个持久数据，求解对应关联模型的常数，具体如下，
将利用关联模型Ⅰ得到的b′代入关联模型Ⅱ，联合持久断裂时间为t″时对应的一个持久数据求解出a″，进而结合抗拉强度获得当持久断裂时间为t″时不同测试温度T条件下对应的持久强度。
进一步，关联模型Ⅰ对应的持久断裂时间t′小于关联模型Ⅱ对应的持久断裂时间t″。
进一步，所述b′和b″的误差在限定阈值内相等的定义如下：
其中，abs表示绝对值。
优选的，步骤2中，所述至少两个温度条件下持久数据中的持久断裂时间相同或近似相同。
进一步，持久断裂时间近似相同的定义如下；
其中，abs表示绝对值。
优选的，步骤1中，在不同测试温度T条件下进行抗拉强度测试时采用的拉伸速率保持一致。
一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测系统，包括，
抗拉强度模块，用于在650℃～750℃范围内，对合金试样进行拉伸性能测试，获得合金试样在若干测试温度T下的抗拉强度Rm；
持久数据模块，用于在650℃～750℃范围内，对合金试样进行持久断裂试验，获得合金试样在相同测试温度T下对应的持久数据；其中，包括至少两个温度条件下的持久数据；所述持久数据包括持久强度σ和持久断裂时间t；
关联模型模块，用于建立持久强度σ、抗拉强度Rm、持久断裂时间t及测试温度T之间的关联模型，得到不同持久断裂时间得到的持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间的拟合曲线在线性坐标系中呈平行关系；
持久强度模块，用于根据关联模型获得当持久断裂时间t为t′时，不同测试温度条件对应的持久强度；
根据平行关系，联合持久断裂时间t为t″时对应的一个持久数据，求解对应关联模型的常数，进而结合抗拉强度获得当持久断裂时间为t″时，不同测试温度T条件下对应的持久强度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述方法通过建立不同测试温度及持久强度条件下具有相同或相近持久断裂时间的试样的抗拉强度、持久强度及测试温度的关联模型，利用该关联模型，仅需要测试少量高温拉伸试验及高持久强度/短时间的持久试验，即可获得不同温度条件对应的持久强度。利用该方法可大幅度缩短持久试验的数量、时长，实现快速、合理预测合金高温持久性能。
进一步的，本发明建立的抗拉强度、持久强度及测试温度之间关系的关联模型为线性函数，一方面，线性函数的建立需要的试验点较少，可以提高试验效率及经济效率，另一方面线性函数公式简单，便于使用及推广。
进一步的，本发明对持久试验温度的限定，保证了在所测试温度范围内合金晶粒尺寸及析出相等不会发生明显变化，避免因组织过度变化造成的持久性能异常。
进一步的，本发明对拉伸性能测试中拉伸速率做出了限定。鉴于抗拉强度除与材料本身、热处理制度等密切相关外，与实际测试中的拉伸速率也有一定关系。因此保证不同温度条件下拉伸速率一致，有利于提高关联模型的准确性。
进一步的，本发明对相近持久断裂时间的定义做出了限定。由于试样本身、设备及外在环境等方面的影响，持久断裂数据点往往具有很大的分散性，对相近持久断裂时间的限定可以在很大程度上保证关联模型的合理性及准确性，进而提高预测精度。
附图说明
图1为实施例1合金不同温度与抗拉强度、持久强度比值关系图。
图2为实施例2合金不同温度与抗拉强度、持久强度比值关系图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提供一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法，包括以下步骤：
1)在650℃～750℃范围内，对合金试样开展拉伸性能测试，获得合同在若干不同测试温度条件下的高温抗拉强度Rm；所需时间段，方便测量，能够满足各种需求。
2)在650℃～750℃范围内，对合金试样开展持久断裂试验，获得合金在不同温度条件下的持久数据，包括持久强度σ和持久断裂时间t。其中包括至少两个温度条件下的相同或近似相等的持久数据，即持久断裂时间t相同或近似相等。可以通过增加持久强度σ，也就是增加加载应力的方式，极大的缩短所需要的测试时间，并且需要的测试数据少，也极大的减少了试验时间，提高了效率和准确率。
3)建立持久强度σ、抗拉强度Rm、持久断裂时间t及测试温度T之间的关联模型如下，
关联模型Ⅰ：当持久断裂时间t为一确定值t′时，持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间成线性关系，即：其中a′、b′均为常数项，根据多元线性回归拟合获取；测试温度T的单位为摄氏度。
关联模型Ⅱ：当改变持久断裂时间t为另一确定值t″时，上述关系式依然成立，即：其中a″、b″均为常数项，且b′＝b″或b′≈b″(斜率相同或近似相同)，即根据不同持久断裂时间得到的/>与T之间的拟合曲线在线性坐标系中呈平行关系。
4)根据关联模型Ⅰ可以获得当持久断裂时间为t′时不同测试温度条件对应的持久强度；将利用关联模型Ⅰ得到的b′代入关联模型Ⅱ，联合断裂时间为t″时对应的一个持久数据点求解出a″，进而可以获得当持久断裂时间为t″时不同测试温度条件对应的持久强度。
其中，σ与Rm对应的测试温度一致；用于建立关联模型Ⅰ的持久数据点不少于2个，要求测试温度不同，断裂时间相同或近似相同；用于建立关联模型Ⅱ的持久数据点不少于1个，要求持久断裂时间t″与关联模型Ⅰ对应的持久断裂时间t′有所不同；关联模型Ⅰ对应的持久断裂时间t′小于关联模型Ⅱ对应的持久断裂时间t″；在不同温度条件下进行抗拉强度测试时采用的拉伸速率保持一致；持久断裂时间近似相同的定义为
斜率相同或近似相同的定义为其中，abs表示绝对值。
本发明通过建立的不同温度及持久强度条件下具有相同或相近持久断裂时间的试样的抗拉强度(此抗拉强度为与持久试验相同测试温度对应的抗拉强度)、持久强度及测试温度的关联模型，实现合金持久性能的快速、合理预测，无论是在材料研发设计上，还是在相关领域理论建设上，都具有非常重要的意义。
需要说明的是，以上建模用数据可以通过开展具体试验得到，亦可通过查阅文献资料获取。
实施例1
本实施例所涉及合金为一种镍基合金(以下简称为合金1)。合金1在650、675、700℃条件下的抗拉强度如表1所示，不同持久强度(此时即为加载应力)条件下的持久性能分别如表2及表3所示。其中，表2数据用于建立关联模型，表3数据用于和通过关联模型获得的持久强度预测值比较。通过表1中的抗拉数据及表2中持久断裂时间约为1000h的数据点建立关联模型Ⅰ：根据该关联模型预测得到的合金675℃/1000h对应的持久强度为386MPa，与实测值393MPa的相对误差约为3％。建立关联模型Ⅰ后，通过表1及表2中持久断裂时间约为3000h的数据点建立关联模型Ⅱ：/>根据该关联模型预测得到的合金700℃/3000h对应的持久强度为278MPa，与实测值260MPa的相对误差约为7％。
表1合金1不同温度条件下的抗拉强度
温度，℃ 抗拉强度，MPa
650 480
675 442
700 400
750 340
表2合金1建模用持久数据
温度，℃ 持久强度，MPa 持久断裂时间，h
650 450 984
700 310 1026
750 195 1100
650 393 3001
表3合金1预测用持久数据
温度，℃ 持久强度，MPa 持久断裂时间，h
675 376 990
700 260 3020
实施例2
本实施例所涉及合金为一种镍铁基合金(以下简称为合金2)。合金2在650、700、750℃条件下的抗拉强度如表4所示，不同持久强度(此时即为加载应力)条件下的持久性能分别如表5及表6所示。其中，表5数据用于建立关联模型，表6数据用于和通过关联模型获得的持久强度预测值比较。通过表4中的抗拉数据及表5中持久断裂时间约为500h的数据点建立关联模型Ⅰ：建立关联模型Ⅰ后，通过表4及表5中持久断裂时间约为5000h的数据点建立关联模型Ⅱ：/> 根据该关联模型预测得到的合金700℃/5000h对应的持久强度为256MPa，与实测值247MPa的相对误差约为4％。
表4合金2不同温度条件下的抗拉强度
温度，℃ 抗拉强度，MPa
650 845
700 805
750 685
表5合金2建模用持久数据
温度，℃ 持久强度，MPa 持久断裂时间，h
650 552 500
700 374 500
750 228 500
650 405 5000
表6合金2预测用持久数据
温度，℃ 持久强度，MPa 持久断裂时间，h
700 247 5000
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法，其特征在于，包括，
步骤1，在650℃～750℃范围内，对合金试样进行拉伸性能测试，获得合金试样在若干测试温度T下的抗拉强度Rm；
步骤2，在650℃～750℃范围内，对合金试样进行持久断裂试验，获得合金试样在相同测试温度T下对应的持久数据；其中，包括至少两个温度条件下的持久数据；所述持久数据包括持久强度σ和持久断裂时间t；
步骤3，建立持久强度σ、抗拉强度Rm、持久断裂时间t及测试温度T之间的关联模型，当持久断裂时间t为一确定值t′时，持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间成线性关系，即得到关联模型I：其中，a′、b′均为常数项；
当改变持久断裂时间t为另一确定值t″时，上述关系式依然成立，即关联模型Ⅱ：其中a″、b″均为常数项，且b′＝b″或误差在限定阈值内相等；
根据不同持久断裂时间得到的持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间的拟合曲线在线性坐标系中呈平行关系；
步骤4，根据关联模型获得当持久断裂时间t为t′时，不同测试温度条件对应的持久强度；
根据平行关系，联合持久断裂时间t为t″时对应的一个持久数据，求解对应关联模型的常数，将利用关联模型I得到的b′代入关联模型Ⅱ，联合持久断裂时间为t″时对应的一个持久数据求解出a″，进而结合抗拉强度获得当持久断裂时间为t″时，不同测试温度T条件下对应的持久强度。
2.根据权利要求1所述的一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法，其特征在于，关联模型I对应的持久断裂时间t′小于关联模型Ⅱ对应的持久断裂时间t″。
3.根据权利要求1所述的一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法，其特征在于，所述b′和b″的误差在限定阈值内相等的定义如下：
其中，abs表示绝对值。
4.根据权利要求1所述的一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法，其特征在于，步骤2中，所述至少两个温度条件下持久数据中的持久断裂时间相同或近似相同。
5.根据权利要求4所述的一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法，其特征在于，持久断裂时间近似相同的定义如下；
其中，abs表示绝对值。
6.根据权利要求1所述的一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测方法，其特征在于，步骤1中，在不同测试温度T条件下进行抗拉强度测试时采用的拉伸速率保持一致。
7.一种高参数电站用先进高温合金持久强度的预测系统，其特征在于，包括，
抗拉强度模块，用于在650℃～750℃范围内，对合金试样进行拉伸性能测试，获得合金试样在若干测试温度T下的抗拉强度Rm；
持久数据模块，用于在650℃～750℃范围内，对合金试样进行持久断裂试验，获得合金试样在相同测试温度T下对应的持久数据；其中，包括至少两个温度条件下的持久数据；所述持久数据包括持久强度σ和持久断裂时间t；
关联模型模块，用于建立持久强度σ、抗拉强度Rm、持久断裂时间t及测试温度T之间的关联模型，当持久断裂时间t为一确定值t′时，持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间成线性关系，即得到关联模型I： 其中，a′、b′均为常数项；
当改变持久断裂时间t为另一确定值t″时，上述关系式依然成立，即关联模型Ⅱ：其中a″、b″均为常数项，且b′＝b″或误差在限定阈值内相等；
根据不同持久断裂时间得到的持久强度与抗拉强度的比值与测试温度之间的拟合曲线在线性坐标系中呈平行关系；
持久强度模块，用于根据关联模型获得当持久断裂时间t为t′时，不同测试温度条件对应的持久强度；
根据平行关系，联合持久断裂时间t为t″时对应的一个持久数据，求解对应关联模型的常数，将利用关联模型I得到的b′代入关联模型Ⅱ，联合持久断裂时间为t″时对应的一个持久数据求解出a″，进而结合抗拉强度获得当持久断裂时间为t″时，不同测试温度T条件下对应的持久强度。
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