时间相关的断裂理论及应用(2)

时间相关的断裂理论及应用Time-dependentfracturemechanicsandapplication华東理工大学EastChinaUniversityofScience&Technology轩福贞机械与动力工程学院2014年3月17日主要内容1.什么是蠕变（时间相关的断裂）2.工程中的蠕变现象3.蠕变变形及断裂理论4.高温结构的剩余寿命分析5.目前的问题及挑战6.作业22019/9/5蠕变的定义蠕变定义在服役温度（35-70%熔点）下，应力远低于屈服应力时结构/材料中长度（变形）随时间增长而增加，卸载后变形无回复；破坏时无明显颈缩蠕变过程及失效机理42019/9/5ExplanatorypictureoftensiletestbyGalileoTestingbarWeight蠕变现象蠕变过程不仅表现为外形尺寸的改变，而且内部衍生孔洞，聚合长大导致部件/材料的断裂Pyzalla,Camin.SCIENCE2005,308高能束同步辐射(HESR)观察下的铜合金蠕变损伤过程5蠕变定义与短时拉伸曲线的区别：低应力，时间长CreepstrainStressrupturecreepruptureTransientcreepTimeSteady-statecreepacceleratingcreep62019/9/5蠕变的特征两面性：变形与强度ABCDA:IndependentcreepcavityB:CreepcavitiesformedinaspecificdirectionC:CoalescenceofcreepcavitiesD:MacroscopiccracksTimeUsedtimeRemaininglife变形随时间温度增加而增大72019/9/5蠕变的特征两面性：变形与强度Creeptemperatureregion;TemperatureregionatwhichCreepmustbeconsideredNon-creeptemperatureregionCreeprupturestrengthShort-termtensilestrengthTemperature破断强度Creepdesignofstructuralcomponent强度随时间温度增加而降低82019/9/5蠕变的特征2019/9/59时间增加强度下降2019/9/510Rupturestress应力准则TimeFailurepointσ0σdestdes蠕变的特征2019/9/511发生蠕变的温度蠕变三要素温度、应力/载荷、时间蠕变现象三特征failuretertiarycreepd/dtprimarycreepd/dtAndradelawtimestrainsecondarycreepd/dt=constanttf()stresstimetimed/dtinelasticelastic,reversible应力恒定应变三阶段：增加、稳定、增加应变速率三阶段：减速、稳定、增速蠕变的特征蠕变研究的历史2019/9/5121830年，法国工程师Louis-JosephVicat最早报道了桥梁绳索蠕变超过弹性变形导致失效的现象1910年，英国伦敦大学EdwardAndrade教授最早建议了描述金属材料的粘性方程1922年，英格兰工程师Dickenson发现了高温蠕变强度低于短时拉伸强度的现象•Riedel教授于1977年提出了蠕变条件下裂纹张开与扩展Dugdale模型•Harper同年提出了C*断裂参量用于蠕变研究•美国西屋公司最早编制汽轮机蠕变裂纹扩展寿命评价标准2019/9/513蠕变研究的历史航空工业的发展出尽了高温断裂问题的研究工程中的蠕变现象2019/9/514完美结构产品三要素：需体现成本效率、安全和经济寿命的理想匹配￥BasicCost,EfficiencyEconomicLifetimeSafetyNILR产品三要素服役结构的两类非正常现象ProcessoffractureLowpressurerotorMiddlepressurerotor美国TVAGallatin电站转子服役早期发生断裂美国Sabine热电厂2号机组(1979)主蒸汽管道弯头5万小时蠕变破裂1.结构早于设计寿命发生破坏服役结构的两类非正常现象英国1962年建造Parsons汽轮机组超过20万小时设计寿命10余年，目前仍然安全服役大庆石化总厂炼油厂F－401加氢反应器1966年投入运行至今，超过了设计寿命30余年2.结构安全服役超过数倍的设计寿命原因：材料？制造工艺？对蠕变问题认识不足！新技术使得温度压力日益提升涂善东，高温结构完整性原理，科学出版社，2003TuST,HighTemperatureStructuralIntegrity,SciencePublisher,2003蠕变失效的宏微观表现蠕变失效宏观形式□鱼骨状含Nb碳化物骨架状含Cr碳化物新材料使用16万小时航空发动机叶片蠕变断裂2019/9/520焊接结构的蠕变10万小时的焊缝蠕变强度削弱系数不同材料，不同温度，对应不同寿命下，接头的蠕变强度减弱焊接结构的蠕变断裂特点晶界为蠕变敏感区，低应力破坏源于热影响区的细晶粒区SchubertJ.,A.KlenkandK.Maile.IntConfCreepFractureinHighTemperatureComponents,ECCC),2005传统的低合金铁素体钢WSRF=0.8蠕变强化钢9-12%CrWSRF=0.6蠕变断裂的复杂性2019/9/523蠕变变形及损伤理论2019/9/524蠕变研究的任务•蠕变变形的本构方程•蠕变断裂参量及裂纹扩展预测2019/9/525蠕变变形的描述方程26nBsinhAexpD1expexp14321ttmncDK)1(qpDAD)1(Norton，1929McVetty，1943Dorn，1955Evansetal，1985投影法Kachanov-Rabotnov，蠕变损伤，1968蠕变过程中的内部变化27d12345GrainelasticdeformationSubgrainformationGrainboundaryslipGrainplasticdeformation三种主要变形过程：晶粒变形、晶界滑移、亚晶粒形成蠕变变形的机理28位错蠕变（Dislocationcreep）或Powerlawcreep蠕变速率表达式2effnbobDGσTkGΩεεDeff：EffectivediffusioncoefficientStressindex;n≥3DislocationClimb析出粒子,precipitate平移平移上升上升蠕变变形的机理29扩散蠕变（diffusioncreep）Latticediffusion(Nabarro-Herring)creep:VacanciesmoveinthelatticeGrainboundarydiffusion(Coble)creep:Vacanciesmovealongthegrainboundary2glbdDTkΩσπ16εStressindex;n=1,Graindiameterindex;p=2gb3ggbboDdδTkΩσεεGraindiameterindex;p=300.10.20.30.40.50.60.70.80.91110-110-210-310-410-510-610-710-8-20002004006008001000120014001/s10-10/sPowerlawcreepIdealstrengthDiffusioncreepDislocationglide104103102101110-110-210-3Normalizedshearstress(τ/G)Shearstress(τ)Temperature(℃)Homologoustemperature(T/Tm)Coblecreep100/sNabarro-Herringcreep10-10/S10-910-810-610-410-2DislocationcreepTypicalturbineoperationCreepdeformationmechanismmapofNickel,Grainsize;1mm电厂多部件受到蠕变-疲劳交互作用的影响31超超临界汽轮机关键部件高温反应堆反应堆压力容器、管路系统、热交换器等火电设备锅炉、管路系统、汽轮机转子、汽缸、螺栓等联合循环设备燃气轮机的热部件何谓交互作用？二者叠加不等于线性之和32Creep-fatigueinteractionFatigueaftercreepPurefatigue载荷谱的简化330ExampleforloadspectrumTCTCCreepfatigue蠕变疲劳分析的基本要素34蠕变疲劳交互作用的影响因素•保载时间：会导致循环次数下降•加载速率效应、平均应力•控制模式：应力？应变？•热机疲劳效应（TMF）•多轴应力的影响•环境的影响（氧化、腐蚀等）35蠕变-疲劳交互作用导致独特的破坏机制断口裂纹扩展路径晶界316L600度疲劳蠕变-疲劳37蠕变-疲劳交互作用存在敏感窗口FatiguedominatedFatigue-creepinteractionCreepdominated蠕变-疲劳交互作用研究的历程基于Coffin-Manson方程的蠕变疲劳模型发展历程现有蠕变疲劳主要预测方法•DuctilityexhaustionapproachStrainsensitivematerialsLineardamagesummation•Definitionof“creepductility”TruerupturestrainReductionofareaRuptureelongation39Timefractionmethodassumption:twodamageprocessesareindependent:-CreepDamageisaninternalprocessdominatedbycavitationsatgrainboundaries-FatigueprocessisasurfacephenomenontdtfractiontimehtttTFseqcpeqfhcRAN012标准中的简化处理规则40多轴应力的影响2019/9/541应力状态对变形的影响NuclearEngineeringandDesign,2006,237:19690.000.400.801.20Misesequivalentstrain(%)0200400600800Misesequivalentstress(MPa)UniaxialcycleProportionalcycleTorsionalcycleUniaxialtensionCircularcycle产生同样变形所需应力更大多轴应力的影响2019/9/542marginεdesDesignlifemargin基于分析（FE）的蠕变强度设计结构几何与载荷参数（温度、压力）材料行为如NortonBalley方程nmAt,,()AnmfTFE蠕变分析蠕变强度校核危险点应力≤蠕变破断强度危险点应变≤蠕变破断韧度核心问题本构关系和材料参数核心问题失效判据高温结构的蠕变断裂理论44蠕变裂纹扩展45高温下裂纹扩展额特征裂尖蠕变区域及应力场蠕变区蠕变区蠕变区（b）瞬态蠕变c）稳态蠕变（a）小范围蠕变蠕变裂尖应力场),(~)1/(1000nrICijnnij),(~)1/(1000nrICijnnijnnIn6.4)113.0(3.102/1nnIn9.2)112.0(2.7