壓力容器用鋼16MnR高溫損傷后應變疲勞特性研究.pdf

1、工程實際中經(jīng)常發(fā)生壓力容器在超溫事故工況下短時間運行的情況,這將會造成材料短時高溫損傷,研究高溫損傷對壓力容器的安全運行造成的影響在工程上有著非常重要的意義.本文以我國壓力容器行業(yè)最為廣泛使用的低合金鋼16MnR材料為研究對象,在理論分析研究的基礎上進行了系統(tǒng)而全面的高溫損傷后材料性能實驗研究,對高溫損傷后力學性能和應變疲勞特性的變化規(guī)律有了較為全面的認識,建立了16MnR材料高溫損傷后應變疲勞研究方法.主要研究內(nèi)容如下: 系統(tǒng)

2、地考察了短時高溫損傷對16MnR材料短時拉伸性能、硬度的影響,并且進行了拉伸斷口金相組織分析,得到了高溫損傷后材料強度、塑性指標變化規(guī)律,并且給出了硬度與屈服強度關系式,進而建立起以硬度作為高溫損傷參量的材料性能預測方法. 通過對16MnR材料短時高溫損傷后抗斷裂性能的實驗研究,發(fā)現(xiàn)了高溫損傷對斷裂韌性、低周疲勞壽命及應變疲勞裂紋擴展速率的影響.隨著損傷溫度的升高、加熱時間的延長,起裂韌度J<,i>呈現(xiàn)出增加的趨勢,低周疲勞壽命

3、下降明顯,應變疲勞擴展速率da/dN則呈現(xiàn)出增加的趨勢.提出了基于J積分的與材料損傷溫度、時間相關的裂紋擴展表達式. 根據(jù)實驗結果,還找到了所考察的各項力學性能受到相變轉變溫度的影響的本質特征. 考慮了短時高溫損傷對塑性應變能及其響應速率的影響,在實驗的基礎上建立了以塑性變形能作為疲勞擴展參量的疲勞壽命預測模型,分別給出了不同損傷溫度、時間下的關系式,并且反映出滯后回線塑性應變能的變化規(guī)律. 借用損傷機制描述裂紋

4、擴展規(guī)律.在對低周疲勞模型進行改進的基礎上,提出了借用損傷機制描述裂紋擴展規(guī)律的損傷模型,考慮了損傷溫度、保溫時間對應變疲勞損傷及其演化過程的影響.以累積殘余塑性能定義的損傷變量較為正確地反映出疲勞損傷累積的物理特征,在實際測量中也是可行的.得到了不同損傷溫度、時間的16MnR材料應變疲勞裂紋擴展損傷演化方程.建立以裂紋擴展塑性變形能為損傷變量的疲勞裂紋壽命表達式,它較好地反映了應變疲勞塑性變形功累積的本質特征,并考慮了高溫損傷的影響.

5、 采用分形理論研究16MnR材料短時高溫損傷后斷口表面分形維數(shù)與材料性能的相互關系.得到了分形維數(shù)與損傷的變化規(guī)律.建立用分形維數(shù)分析材料力學性能的方法,進而預測材料的宏觀力學性能. 本文創(chuàng)新點為:①對16MnR材料短時高溫損傷進行了系統(tǒng)而全面的實驗研究,對高溫損傷后力學性能和應變疲勞特性的變化規(guī)律有了較為全面的認識,建立了16MnR材料高溫損傷后應變疲勞研究方法.②考慮了短時高溫損傷對塑性應變能及其響應速率的影響,建立

6、了以塑性變形能作為疲勞擴展參量的疲勞壽命預測模型,分別給出了不同損傷溫度、時間下的關系式.③以累積殘余塑性能定義損傷變量,得到不同損傷溫度、時間的16MnR材料應變疲勞裂紋擴展損傷演化方程.建立以裂紋擴展塑性變形能為損傷變量的疲勞裂紋壽命表達式.④在分形研究中,利用圖象處理技術獲取三維坐標后,計算出斷口的真實分形維數(shù),掃描間距達到金屬材料μm級精度的要求.與以前計算斷口分形維數(shù)的小島法、垂直剖面法和用圖像灰度來代替高度的方法相比,具有無