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科研进展
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新型应力应变混合控制蠕变疲劳载荷下的变形行为和寿命预测模型
发表时间:2021-01-07 阅读次数:98次

背景简介

        在航空和电力领域中,众多关键高温核心部件往往承受着复杂的蠕变、疲劳以及蠕变疲劳交互的损伤作用。通常,频繁开停车产生的温度变化使得这些部件处于应变控制的疲劳载荷中,而装备持续稳定运行过程中的恒定内压或者离心力,使高温部件承受恒应力控制的蠕变载荷作用。因此,目前实验室采用的传统应变控蠕变疲劳试验很难反映真实复杂的运行工况。另外,由于传统应变控蠕变疲劳载荷是通过应变保载期间的应力松弛引入蠕变损伤,导致蠕变损伤容易饱和,难以形成蠕变损伤主导的蠕变疲劳失效模式。然而,新型应力应变混合控制的蠕变疲劳载荷,既符合实际运行工况,又可通过调节疲劳应变幅值以及保载应力和保载时间获得宽范围的蠕变损伤或疲劳损伤。因此,开展高温材料在应力应变混合控制条件下的蠕变疲劳研究具有更重要的实际工程意义。

        目前,针对传统应变控蠕变疲劳载荷,基于线性损伤累积的寿命预测方法应用最为广泛。该方法重点关注应变保载期间应力松弛产生的蠕变损伤计算,对于疲劳损伤则使用简单的寿命分数表示。然而,新型应力应变混合控制蠕变疲劳载荷正好与之相反,在应力保载阶段并不存在应力松弛现象,但是疲劳损伤随循环周次产生复杂演化,导致常用的基于线性损伤累积的寿命预测方法并不适用。因此,如何建立既适用于传统应变控又适用于新型应力应变混合控的统一蠕变疲劳寿命预测模型是目前亟需解决的关键科学问题之一。

成果介绍

        近年来,传统应变控蠕变疲劳变形行为及其寿命预测的研究已经得到广泛关注,但针对应力应变混合控制蠕变疲劳载荷的相关研究却鲜有报道。因此,澄清部分高温材料在混合控蠕变疲劳载荷下的变形行为,并建立统一的寿命预测模型是目前亟待解决的问题。

        本研究发展了一种新型的应力应变混合控制蠕变疲劳载荷,并提出了基于材料粘性的统一寿命预测模型,最后利用P92马氏体耐热钢和GH4169镍基合金的蠕变疲劳试验数据验证了该模型的有效性。本文发展的应力应变混合控制的蠕变疲劳加载波形及其滞回曲线如图1所示,主要结论如下:

图1 (a) 应力应变混合控制的蠕变疲劳加载波形;(b) 对应的滞回曲线;(c) 试验过程中滞回曲线演化

        (1) 混合控蠕变疲劳载荷下,每周的蠕变应变随周次增大而增大,不存在传统应变控蠕变疲劳载荷中产生的蠕变应变逐渐饱和的现象。另外,混合控蠕变疲劳寿命随保载应力和保载时间的增大而减小,如图2所示。

图2 (a) 每周蠕变应变随循环周次的演化;(b) 不同保载条件下的循环寿命

 

        (2) 提出了一种基于材料粘性的统一寿命预测模型。预测的应变控和混合控蠕变疲劳载荷的循环寿命与试验数据相吻合,所有预测值均在±2.0倍误差带内,并且该模型与已有的寿命预测模型相比,具有明显优势,如图3所示。

图3 预测结果和试验数据的对比:(a) P92钢;(b) GH4169合金;(c) 平均相对误差对比

 

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学青年基金和江苏省自然科学基金青年以及江苏省研究生科研创新计划项目的支持。

 

论文信息:Tian-Yu Zhang, Xiao-Wei Wang*, Yun-Nan Ji, Wei Zhang, Tasnim Hassan, Jian-Ming Gong*. P92 steel creep-fatigue interaction responses under hybrid stress-strain controlled loading and a life prediction model[J]. International Journal of Fatigue, 2020(140): 105837. 

(图文供稿:南京工业大学 王小威;网络编辑:侯志伟,费嘉文,温建锋)