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科研进展
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基于断裂应变能模型的超低周疲劳失效研究
发表时间:2021-02-28 阅读次数:504次

背景简介

安全壳作为保护核设备和防止核泄漏的最后屏障,其结构完整性对于核电站的安全运行至关重要。近年来强震灾害频发,金属部件在强震工况下的失效越来越受到关注。在强震工况下,金属构件将遭受大的塑性变形并可能在很少的循环周次下发生断裂,这种失效模式被称为超低周疲劳(Ultra-low Cycle Fatigue, ULCF)失效。研究极端工况下金属材料的断裂失效并对其结构寿命做出合理的预测,对于防止核事故的发生具有重要意义。

目前关于金属材料循环断裂的研究主要集中在低周、高周以及超高周疲劳领域,而针对超低周疲劳的研究甚少。另外,目前也没有明确的指导超低周疲劳试验的标准。因此,探索超低周疲劳试验方法,阐释超低周疲劳载荷下金属材料的失效机理,并建立超低周疲劳载荷下结构的寿命预测模型和方法,是保证构件在强震等工况下安全运行的关键问题之一。

成果介绍

(1)研究了核电用钢SA738 Gr.B在超低周疲劳载荷下的失效机理。设计了两种加载模式,一种是循环至试样断裂(Cycle to Failure, CTF),另一种是首先在规定的位移范围内循环几个周次然后拉伸至断裂(Cycle and Pull to Failure, CPTF)。断口分析表明超低周疲劳载荷下其失效模式以延性断裂为主(如图1所示)。实验结果表明断裂位移随着循环周次的增加而减小(如图2所示)。

图1 超低周疲劳试样断裂面的SEM图像

图2 循环周次对断裂位移的影响:(a)缺口半径为r*=3.0mm的载荷位移曲线;(b)缺口半径为r*=6.0mm的载荷位移曲线

(2)建立了超低周疲劳载荷下的循环多轴断裂应变能(Cyclic Multiaxial Fracture Strain Energy, CMFSE)模型(如图3所示)。在该损伤模型中,同时考虑了循环载荷对断裂应变能的影响和负应力三轴度对孔洞的影响。循环载荷下的临界断裂应变能随着循环周次的增加而呈指数形式的减小。

图3循环多轴断裂应变能模型

(3)基于所建立的超低周疲劳损伤模型,结合有限元分析对试样的超低周疲劳寿命进行了预测。为比较起见,同时采用文献中的多轴断裂应变能(Multiaxial Fracture Strain Energy, MFSE)模型对实验结果进行预测。结果表明,文献中的MFSE模型对超低周实验结果的预测较粗糙,误差带约为4倍;而本文建立的CMFSE模型可以更合理地预测超低周疲劳寿命,预测结果在1.5倍误差带内(如图4所示)。

图4 不同损伤模型对超低周疲劳寿命的预测结果对比

 

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。

 

引文格式:

GB/T 7714

Wang T, Wen J F, Liao P P, et al. A study of ultra-low cycle fatigue failure based on a fracture strain energy model[J]. International Journal of Fatigue, 2021, 146: 106149.

MLA

Wang, Tao, et al. "A study of ultra-low cycle fatigue failure based on a fracture strain energy model." International Journal of Fatigue 146 (2021): 106149.

APA

Wang, T., Wen, J. F., Liao, P. P., Zhang, X. C., Kim, Y. J., & Tu, S. T. (2021). A study of ultra-low cycle fatigue failure based on a fracture strain energy model. International Journal of Fatigue, 146, 106149.

(图文供稿:华东理工大学 温建锋;

网络编辑:侯志伟,费嘉文,王涛)