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科研进展
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蠕变-疲劳载荷下多晶材料蠕变孔洞形核行为的理论研究
发表时间:2021-02-28 阅读次数:427次

背景简介

金属多晶材料在一定条件的蠕变-疲劳载荷作用下,将产生损伤累积加速的现象,威胁高温材料的结构完整性。为解决材料的蠕变-疲劳交互损伤及长时寿命预测问题,以往的研究多侧重于晶界蠕变损伤对疲劳裂纹的萌生及扩展速率的影响,而对循环载荷如何加速蠕变损伤(特别是低应力水平下蠕变孔洞类损伤的形核)的研究则有所欠缺。由于蠕变-疲劳载荷下晶界蠕变孔洞损伤的尺度一般较小(~1 μm),且形核位置随机,一般的原位实验观察手段难以实现对晶界蠕变损伤行为的实时观测。同时,高精度的蠕变损伤原位观察实验(如中子散射技术,原位透射电镜观察)成本昂贵,试错代价高。为此,有必要在开展蠕变-疲劳载荷下的蠕变损伤原位观测实验前,通过理论方法厘清影响蠕变孔洞损伤形成的主要因素,高效的指导实验设计,确保后续实验能有效观测到蠕变孔洞损伤演化行为。

成果介绍

(1) 基于经典的孔洞形核热力学判断准则,结合Min-Raj形核动力学模型,并考虑了晶粒内蠕变变形对局部法向应力σn(孔洞形核的最主要驱动力)的影响,建立了基于英国现役高温气冷堆核级316H牌号奥氏体不锈钢(即存在稳定的晶界析出物)孔洞形核率预测的Chen-Hu模型,如图1(a)所示。Chen-Hu模型具有理论自洽性,其揭示了在外载荷(σs)变化后引起材料内孔洞形核速率激增的本质:晶粒内应力(σsa)的再平衡滞后于瞬时晶界滑移产生的粘壶滑移力(σsb=σn/fb, fb为析出物晶界占比),如图1(b)所示。

图1 (a) 外剪切循环载荷(σs)作用下晶粒内蠕变及弹性变形与晶界滑移的动态平衡关系示意图;(b) Chen-Hu模型预测在外载荷变化后,晶粒内应力(σsa)的变化滞后于晶界滑移力(σsb),从而引起的孔洞形核速率激增现象。

(2)提出了针对服役后316H牌号奥氏体不锈钢材料的形核机理图,并研究了不同温度(图2(a))及不同拉保载时间(图2(b))对形核机理的影响。利用该图的瞬时形核机理区(红色Transient区域),可设计一个特殊的单周次循环,实现在该周次内高效地产生最大数量蠕变孔洞形核的目的,从而有效地提高蠕变孔洞损伤被后续实验表征手段观测到的可能性。后续研究将试图揭示出,孔洞在多周次蠕变疲劳加载条件下的形核,长大,消亡的行为和机制。

图2 压应力幅(Δσc)与拉应力幅(Δσt)空间中的蠕变孔洞形核机理图:(a) 温度(T)的影响;(b)拉保载时间(tt)的影响。

 

本研究得到英国工程与物理科学研究委员会EPSRC计划、教育部“111”计划及国家留学基金委项目的支持。

 

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引文格式:

GB/T 7714

Hu J D, Xuan F Z, Liu C J, et al. Modelling of cavity nucleation under creep-fatigue interaction[J]. Mechanics of Materials, 2021: 103799.

MLA

Hu, J-D., et al. "Modelling of cavity nucleation under creep-fatigue interaction." Mechanics of Materials (2021): 103799.

APA

Hu, J. D., Xuan, F. Z., Liu, C. J., & Chen, B. (2021). Modelling of cavity nucleation under creep-fatigue interaction. Mechanics of Materials, 103799.

 

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons CC-BY license, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

 

(图文供稿:华东理工大学胡靖东;

网络编辑:侯志伟,费嘉文,温建锋)