压力容器用钢16MnR高温损伤后应变疲劳特性研究

论文摘要

工程实际中经常发生压力容器在超温事故工况下短时间运行的情况，这将会造成材料短时高温损伤，研究高温损伤对压力容器的安全运行造成的影响在工程上有着非常重要的意义。本文以我国压力容器行业最为广泛使用的低合金钢16MnR材料为研究对象，在理论分析研究的基础上进行了系统而全面的高温损伤后材料性能实验研究，对高温损伤后力学性能和应变疲劳特性的变化规律有了较为全面的认识，建立了16MnR材料高温损伤后应变疲劳研究方法。主要研究内容如下：系统地考察了短时高温损伤对16MnR材料短时拉伸性能、硬度的影响，并且进行了拉伸断口金相组织分析，得到了高温损伤后材料强度、塑性指标变化规律，并且给出了硬度与屈服强度关系式，进而建立起以硬度作为高温损伤参量的材料性能预测方法。通过对16MnR材料短时高温损伤后抗断裂性能的实验研究，发现了高温损伤对断裂韧性、低周疲劳寿命及应变疲劳裂纹扩展速率的影响。随着损伤温度的升高、加热时间的延长，起裂韧度J_i呈现出增加的趋势，低周疲劳寿命下降明显，应变疲劳扩展速率da／dN则呈现出增加的趋势。提出了基于J积分的与材料损伤温度、时间相关的裂纹扩展表达式。根据实验结果，还找到了所考察的各项力学性能受到相变转变温度的影响的本质特征。考虑了短时高温损伤对塑性应变能及其响应速率的影响，在实验的基础上建立了以塑性变形能作为疲劳扩展参量的疲劳寿命预测模型，分别给出了不同损伤温度、时间下的关系式，并且反映出滞后回线塑性应变能的变化规律。借用损伤机制描述裂纹扩展规律。在对低周疲劳模型进行改进的基础上，提出了借用损伤机制描述裂纹扩展规律的损伤模型，考虑了损伤温度、保温时间对应变疲劳损伤及其演化过程的影响。以累积残余塑性能定义的损伤变量较为正确地反映出疲劳损伤累积的物理特征，在实际测量中也是可行的。得到了不同损伤温度、时间的16MnR材料应变疲劳裂纹扩展损伤演化方程。建立以裂纹扩展塑性变形能为损伤变量的疲劳裂纹寿命表达式，它较好地反映了应变疲劳塑性变形功累积的本质特征，并考虑了高温损伤的影响。采用分形理论研究16MnR材料短时高温损伤后断口表面分形维数与材料性能的相互关系。得到了分形维数与损伤的变化规律。建立用分形维数分析材料力学性能的方法，进而预测材料的宏观力学性能。本文创新点为：①对16MnR材料短时高温损伤进行了系统而全面的实验研究，对高温损伤后力学性能和应变疲劳特性的变化规律有了较为全面的认识，建立了16MnR材料高温损伤后应变疲劳研究方法。②考虑了短时高温损伤对塑性应变能及其响应速率的影响，建立了以塑性变形能作为疲劳扩展参量的疲劳寿命预测模型，分别给出了不同损伤温度、时间下的关系式。③以累积残余塑性能定义损伤变量，得到不同损伤温度、时间的16MnR材料应变疲劳裂纹扩展损伤演化方程。建立以裂纹扩展塑性变形能为损伤变量的疲劳裂纹寿命表达式。④在分形研究中，利用图象处理技术获取三维坐标后，计算出断口的真实分形维数，扫描间距达到金属材料μm级精度的要求。与以前计算断口分形维数的小岛法、垂直剖面法和用图像灰度来代替高度的方法相比，具有无损断口表面且反映的是断口表面实际形貌特征的优点，在材料科学的研究领域有广阔应用价值。初步建立了以硬度为参量的采用分形维数来分析16MnR材料高温损伤后力学性能的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外研究概况
• 1.1.1 高温损伤后材料组织与性能变化
• 1.1.2 应变疲劳裂纹特性研究
• 1.1.3 损伤理论与损伤研究方法
• 1.1.4 分形理论与材料组织损伤研究
• 1.2 本文主要研究内容
• 1.2.1 研究内容
• 1.2.2 需要解决的技术关键
• 1.3 实验研究内容
• 1.3.1 16MnR材料的成分、机械性能
• 1.3.2 试样与实验内容
• 参考文献
• 第二章 高温损伤对16MnR材料力学性能和低周疲劳寿命影响
• 2.1 高温损伤后16MnR材料组织与力学性能变化
• 2.1.1 16MnR材料在即时高温条件下的力学性能
• 2.1.2 高温损伤后16MnR材料力学性能实验
• 2.1.3 高温损伤后16MnR材料硬度与温度和强度关系变化规律
• 2.2 高温损伤后16MnR材料试样断口金相分析
• 2.3 高温损伤后16MnR材料断裂韧性
• 2.3.1 实验数据处理
• 2.3.2 16MnR材料断裂韧性
• 2.3.3 去与温度和时间的关系
• 2.4 高温损伤后16MnR材料低周疲劳寿命变化规律
• T'>2.4.1 过渡疲劳寿命N_T
• 2.4.2 16MnR材料高温损伤后低周疲劳寿命
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 16MnR材料高温损伤后应变疲劳裂纹扩展速率研究
• 3.1 即时高温疲劳条件下的裂纹扩展
• 3.2 16MnR材料经受高温损伤后应变疲劳裂纹扩展速率实验
• 3.2.1 基于ΔJ的应变疲劳裂纹寿命计算方法
• 3.2.2 实验结果
• 3.3 高温损伤后应变疲劳裂纹扩展速率规律
• 3.3.1 裂纹扩展速率与损伤温度、时间的关系
• 3.2.2 裂纹扩展速率和裂纹扩展阻力与温度关系比较
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 16MnR材料应变疲劳裂纹扩展塑性应变能
• 4.1 材料的塑性变形
• 4.1.1 16MnR材料塑性变形的金属学特征
• 4.1.2 16MnR材料塑拉伸损伤过程的能量特征
• 4.1.3 16MnR材料疲劳的塑性变形特征与能量分析
• 4.2 16MnR材料应变疲劳裂纹扩展滞后回线塑性能
• 4.2.1 应变疲劳裂纹扩展滞后回线塑性能
• 4.2.2 应变疲劳裂纹扩展滞后回线塑性能与疲劳寿命关系
• 4.3 载荷控制和位移控制裂纹扩展速率比较
• 4.3.1 载荷控制下裂纹疲劳扩展速率
• 4.3.2 载荷控制与位移控制下裂纹疲劳扩展速率比较
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于损伤力学的16MnR材料应变疲劳裂纹扩展研究
• 5.1 损伤力学方法概述
• 5.1.1 损伤力学的概念
• 5.1.2 损伤力学的基本方法
• 5.2 应变疲劳的损伤模型与损伤变量
• 5.2.1 应变疲劳的损伤模型
• 5.2.2 损伤变量及其演化方程
• 5.2.3 实验验证及损伤变化规律
• 5.3 16MnR材料应变疲劳裂纹扩展损伤力学分析
• 5.3.1 含损伤参量的裂纹扩展规律
• *确定及其变化规律'>5.3.2 材料常数η^*确定及其变化规律
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 16MnR材料高温损伤后断口分形研究
• 6.1 分形理论的发展及应用
• 6.1.1 分形理论的产生与发展
• 6.1.2 分形学在材料科学上的广泛应用
• 6.1.3 分形的定义
• 6.2 分形维数的测算
• 6.2.1 断面分形维数的测定计算方法
• 6.2.2 分形测量技术及图形处理技术的进展
• 6.2.3 共聚焦激光扫描显微镜
• 6.3 高温损伤后16MnR材料断口分形分析
• 6.3.1 试样断口聚焦扫描显微形貌、三维图像还原及分形维数计算
• 6.3.2 16MnR材料断口分形维数与高温损伤相关性分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 主要研究结论与展望
• 7.1 主要研究结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 附录 攻读博士学位期间发表论文及获奖情况