CN113866008B - 一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的公开了一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：步骤1，进行不同温度T下的材料高温拉伸试验，得到对应温度下的抗拉强度σb；步骤2，在不同温度下分别开展多组不同应力条件下的高温蠕变试验，获得对应温度应力条件下的最小蠕变速率以及蠕变寿命tf；步骤3，根据最小蠕变速率得到不同温度对应的阈值应力σth；步骤4，基于不同温度下的阈值应力σth，建立阈值应力与温度之间的函数关系；步骤5，在阈值应力、抗拉强度基础上，建立蠕变寿命预测公式；通过蠕变寿命预测公式，对不同应力温度条件下的蠕变寿命进行预测。本发明考虑了阈值应力和抗拉强度的共同影响，寿命预测精度高，并具有较强的外推能力。

Description

一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法
技术领域
本发明涉及一种蠕变寿命预测方法，尤其涉及一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法。
背景技术
随着低碳排放以及高燃烧效率要求的不断提高，高温部件承受着日益严重的蠕变载荷影响，准确预测其蠕变寿命至关重要。由于高温合金优异的抗蠕变性能，使得高温合金被广泛应用于高温部件。高温合金优异的抗蠕变性能主要来源于大量的沉淀强化相与位错的相互作用，通过强化相阻碍位错的运动，以限制蠕变变形的进一步发展。强化相的存在使得沉淀强化类以及固溶强化类等合金存在阈值应力特征，当外加应力小于该阈值应力时，位错难以克服强化相的阻碍继续运动，所以难以产生蠕变变形，此时可以认为蠕变寿命为无穷大。而当应力趋向于抗拉强度时，蠕变寿命趋近于0。可以看出，蠕变寿命与阈值应力与抗拉强度之间存在的固有的联系。然而，目前却没有研究将阈值应力和抗拉强度相结合以实现对蠕变寿命的准确预测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，以实现对蠕变寿命的准确预测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤1，进行不同温度T下的材料高温拉伸试验，得到对应温度下的抗拉强度σb；
步骤2，在不同温度下分别开展多组不同应力条件下的高温蠕变试验，获得对应温度应力条件下的最小蠕变速率以及蠕变寿命tf；
步骤3，根据步骤2获得的最小蠕变速率得到不同温度对应的阈值应力σth；
步骤4，基于步骤3获得的不同温度下的阈值应力σth，建立阈值应力与温度之间的函数关系；
步骤5，在步骤4得到的阈值应力、步骤1得到的抗拉强度基础上，建立蠕变寿命预测公式；通过蠕变寿命预测公式，对不同应力温度条件下的蠕变寿命进行预测。
所述步骤3中，根据步骤2中高温蠕变试验获得的最小蠕变速率利用公式建立同一温度下最小蠕变速率/>应力σ与阈值应力σth之间的关系，从而求解该温度下对应的阈值应力σth，式中，Am为常数；对不同温度进行同样操作，进而得到不同温度对应的阈值应力水平。
所述步骤4中，基于步骤3获得的不同温度下的阈值应力水平σth，利用多项式形式进行拟合，从而建立阈值应力与温度之间的函数关系，即：式中，m为多项式项数，ai为拟合参数，i＝0,1,2···,m，一般可取m≤3。
所述步骤5中，建立的蠕变寿命预测公式为：
式中，A、n为常数，σth为阈值应力，σb为抗拉强度，σ为施加的应力，T为施加的温度，R为气体常数，为表观激活能。
所述步骤5中，表观激活能由以下方法得到：在同一/>值下，由试验蠕变速率的对数/>与温度的倒数1/T之间的线性拟合直线斜率确定表观激活能/>
所述步骤5中，常数A、n由以下方法得到：对蠕变寿命预测公式进行转换，两边取对数，有：
因此，常数A、n通过的线性拟合直线的斜率与截距获得。
所述步骤5中，通过蠕变寿命预测公式，对不同应力温度条件下的蠕变寿命进行预测时，应当保证当应力趋向于阈值应力σth时，蠕变寿命趋近于无穷大，当应力趋向于抗拉强度σb时，蠕变寿命趋近于0。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、本发明提出的一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，只需进行高温拉伸试验与高温蠕变试验，获得相应温度下的抗拉强度以及阈值应力，所需参数少，试验简单，成本低；
2、本发明建立了阈值应力、抗拉强度以及蠕变寿命之间的关系，将蠕变寿命限制在阈值应力和抗拉强度所对应的应力区间之内，当应力趋向于阈值应力时，蠕变寿命趋近于无穷大，当应力趋向于抗拉强度时，蠕变寿命趋近于0，该方法对蠕变寿命预测精度高，更具有理论依据；
3、本发明可适用于工程中常见的沉淀强化合金、固溶强化合金等材料，具有广泛的应用能力。
附图说明
图1是阈值应力计算方法图；
图2是对数最小蠕变速率与温度的倒数关系图；
图3是线性拟合求解常数A、n图；
图4是蠕变寿命预测值随应力温度的变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明的一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：
步骤1，首先开展在不同温度T下的材料高温拉伸试验，得到对应温度下的抗拉强度σb。
步骤2，在不同温度下进行多组应力下的高温蠕变试验，一般可开展2-4个温度，每个温度下5-7组不同应力的高温蠕变试验；获得对应温度应力条件下的最小蠕变速率以及蠕变寿命tf。
步骤3，基于上述步骤2获得的最小蠕变速率数据，在相同温度下，利用最小蠕变速率/>施加的应力σ以及阈值应力σth之间的关系公式：/>将上式方程两边同乘以1/5次幂，得到：/>对同一温度下获得的试验数据/>进行线性拟合，拟合直线与X轴截距即为该温度下对应的阈值应力；对不同的温度条件重复上述过程，即可得到不同温度对应的阈值应力。
步骤4，基于步骤3获得的不同温度下的阈值应力水平σth，利用多项式形式进行拟合，从而建立阈值应力与温度之间的函数关系，即：式中，m为多项式项数，ai为拟合参数，i＝0,1,2···,m，一般可取m≤3。
步骤5，通过上述步骤得到了阈值应力、抗拉强度之后，建立蠕变寿命预测公式：
式中，A、n为常数，σth为阈值应力，σb为抗拉强度，σ为施加的应力，T为施加的温度，单位为开尔文K，R为气体常数(R＝8.314J/(mol·K))，为表观激活能，可以在相同的值下由试验最小蠕变速率的对数与温度的倒数之间的关系确定。具体为当/>值相同时，/>与1/T数据的线性拟合直线的斜率即为/>进而可以获得表观激活能/>数值。
对蠕变寿命预测公式两边进行相应数学变换，并同时取对数，得到
A与n可通过试验数据的最佳线性拟合直线的斜率与截距结果获得。
因此，可以通过步骤5建立的蠕变寿命预测公式，以对任意不同应力温度条件下的蠕变寿命进行准确的预测。保证当应力趋向于阈值应力σth时，蠕变寿命趋近于无穷大，当应力趋向于抗拉强度σb时，蠕变寿命趋近于0。
下面，结合具体实施例对本发明做进一步说明，根据实施例可以更好地理解本发明。实施例所描述的具体物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例
在本实施例中，将本发明的蠕变寿命预测方法应用到镍基高温合金GH4169材料的蠕变寿命预测中，包括以下步骤：
(1)在600℃和650℃下进行GH4169材料高温拉伸试验，得到对应的抗拉强度分别为1440MPa和1255MPa。
(2)在600℃和650℃下分别开展6个不同应力值下的GH4169材料高温蠕变试验，得到对应的最小蠕变速率以及蠕变寿命tf。具体试验方案与获得的试验数据如表1所示。
表1 GH4169材料蠕变试验方案与数据
(3)利用公式分别在600℃和650℃下线性拟合/>数据，拟合直线与X轴交点所对应的应力值即为该温度下的阈值应力。所计算的阈值应力如图1所示，进而得到600℃下的阈值应力为593MPa，650℃下的阈值应力为309MPa。利用该两个温度下的阈值应力，其他温度下的阈值应力可通过线性内插或者外推的方法计算得到。
(4)基于上述获得的600℃和650℃下的阈值应力水平σth，可利用多项式形式进行拟合，从而建立阈值应力与温度之间的函数关系。由于试验仅开展了两个温度，因此采用了线性拟合方式，即取多项式形式的前两项。得到阈值应力与温度之间的函数关系式为：σth＝-5.68*T+5551.64，其中T为开尔文温度。
(5)在相同的值下，利用函数/>线性拟合试验数据，斜率即为/>进而求得/>如图2所示。随后，线性拟合/>试验数据，相应拟合直线斜率与截距即为未知参数n与lnA值。拟合直线如图3所示，确定系数为0.9296。拟合得到n＝-2.3563，A＝4.2769。于是，得到蠕变寿命预测公式为：
因此，对于任意温度应力下的蠕变寿命预测，可通过试验得到的抗拉强度与阈值应力，利用多项式拟合方法得到相应温度下的抗拉强度以及阈值应力后，将温度应力条件代入上式即可获得对应的蠕变寿命预测结果。在600℃和650℃下所预测的蠕变寿命与应力之间的关系如图4所示。从图中可以看出，蠕变寿命预测结果与试验结果吻合程度较高，展现出了令人满意的预测精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，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 (4)

1.一种基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，进行不同温度T下的材料高温拉伸试验，得到对应温度下的抗拉强度σb；
步骤2，在不同温度下分别开展多组不同应力条件下的高温蠕变试验，获得对应温度应力条件下的最小蠕变速率以及蠕变寿命tf；
步骤3，根据步骤2获得的最小蠕变速率得到不同温度对应的阈值应力σth；
所述步骤3中，根据步骤2中高温蠕变试验获得的最小蠕变速率利用公式建立同一温度下最小蠕变速率/>应力σ与阈值应力σth之间的关系，从而求解该温度下对应的阈值应力σth，式中，Am为常数；对不同温度进行同样操作，进而得到不同温度对应的阈值应力水平；
步骤4，基于步骤3获得的不同温度下的阈值应力σth，建立阈值应力与温度之间的函数关系；
所述步骤4中，基于步骤3获得的不同温度下的阈值应力水平σth，利用多项式形式进行拟合，从而建立阈值应力与温度之间的函数关系，即：式中，m为多项式项数，ai为拟合参数，i＝0,1,2···,m，m≤3；
步骤5，在步骤4得到的阈值应力、步骤1得到的抗拉强度基础上，建立蠕变寿命预测公式；通过蠕变寿命预测公式，对不同应力温度条件下的蠕变寿命进行预测；
所述步骤5中，建立的蠕变寿命预测公式为：
式中，A、n为常数，σth为阈值应力，σb为抗拉强度，σ为施加的应力，T为施加的温度，R为气体常数，为表观激活能。
2.根据权利要求1所述的基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，其特征在于：所述步骤5中，表观激活能由以下方法得到：在同一/>值下，由试验蠕变速率的对数与温度的倒数1/T之间的线性拟合直线斜率确定表观激活能/>
3.根据权利要求1所述的基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，其特征在于：所述步骤5中，常数A、n由以下方法得到：对蠕变寿命预测公式进行转换，两边取对数，有：
因此，常数A、n通过的线性拟合直线的斜率与截距获得。
4.根据权利要求1所述的基于阈值应力和抗拉强度的蠕变寿命预测方法，其特征在于：所述步骤5中，通过蠕变寿命预测公式，对不同应力温度条件下的蠕变寿命进行预测时，应当保证当应力趋向于阈值应力σth时，蠕变寿命趋近于无穷大，当应力趋向于抗拉强度σb时，蠕变寿命趋近于0。
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