结构钢的室温蠕变及其对疲劳裂纹扩展的影响

论文摘要

随着测量技术的发展和要求精度的提高,人们发现即使在较低的同系温度（T/Tm＜0.2）下,许多工程结构钢如不锈钢、管线钢、高强钢等在承受恒定载荷作用时,变形量也会随着时间的延长而增加,该现象被称为室温蠕变。而且这种时间相关的变形已经引发了一些技术问题,相应的研究工作逐渐被重视起来。尤其是对于存在应力集中的情况,即使在名义应力较低的条件下,在某些严重应力集中区域也可能会累积较大室温蠕变变形,而且室温蠕变的发生势必会改变材料原有的组织状态,进而会对其后的性能产生影响。许多工程结构部件常常处于波动载荷和恒定载荷随机交替的复杂载荷状态下服役,载荷和环境等因素共同作用诱发的裂纹萌生、扩展是最终导致构件失效的主要形式之一。如果在恒定载荷过程中裂纹尖端区域发生时间相关的变形,将会改变该区域内的应力应变状态,从而会对随后波动载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为产生影响。研究室温蠕变对疲劳裂纹扩展行为的影响对建立能够处理复杂服役条件的疲劳可靠寿命预测模型具有重要意义。本文选用X70管线钢（体心立方结构）和SUS304不锈钢（面心立方结构）两种工程结构钢,利用光滑试样、缺口试样和紧凑拉伸试样,以液压伺服疲劳试验机为主要设备研究了有无应力集中条件下的室温蠕变现象、影响因素,以及室温蠕变和单峰过载对疲劳裂纹扩展的影响,并结合光学显微镜、扫描电镜、X射线仪和透射电镜的试验结果,对微观机制进行了分析、讨论。1.在有无应力集中的条件下,X70管线钢和SUS304不锈钢在各种应力水平下,均存在室温蠕变现象。X70管线钢光滑试样和缺口试样中的室温蠕变呈现出较强的应力敏感性,在远低于抗拉强度的应力水平下只存在减速蠕变阶段,当接近抗拉强度时室温蠕变由减速的第一阶段蠕变逐渐向加速的第三阶段蠕变过渡,并伴随着试样的颈缩,最终导致材料发生断裂。对于SUS304不锈钢光滑试样,在各种应力水平下只存在减速的室温蠕变阶段,且这种时间相关的变形不会导致材料发生断裂。SUS304不锈钢缺口试样与X70管线钢相似,室温蠕变明显地依赖于应力水平,随着应力水平的提高蠕变变形逐渐由减速阶段向加速阶段过渡。对于存在严重应力集中的裂纹尖端区域,X70管线钢和SUS304不锈钢的室温蠕变明显依赖于应力强度因子的大小,且在各种应力强度因子水平下均呈现为速率递减的蠕变特征。2.当以材料的抗拉强度作为标准来衡量室温蠕变时,随着应力速率的增加X70管线钢和SUS304不锈钢中的室温蠕变量均明显增大:正火态较轧制态的X70管线钢具有更加明显的室温蠕变现象;SUS304不锈钢的室温蠕变量明显大于X70管线钢,此外室温蠕变也受加载历史条件的影响。由于缺口的存在限制了材料的变形,因此与光滑试样相比,缺口试样的室温蠕变量明显减小,且缺口角度对室温蠕变也有一定的影响,随着缺口角度的增加室温蠕变略有增加,但影响并不十分明显。3.X70管线钢和SUS304不锈钢减速阶段的蠕变呈现为典型的低温对数蠕变,变形量与时间的关系可用包含两个回归参数α和β的对数方程ε=αlog（βt+1）来描述。X70管线钢和SUS304不锈钢光滑试样和缺口试样室温蠕变回归参数α与应变硬化系数的倒数呈现相似的变化规律,基于室温蠕变变形的连续性和拉伸试验中应力应变行为分析,建立了能够定量描述室温蠕变的模型。对于紧凑拉伸试样,回归参数α与d（Vg/α）/dK的变化规律相似,仍可用上述模型对裂纹尖端的室温蠕变进行描述。另外,回归参数α主要受应力水平的影响,应力速率对其影响较小,而β则显示出了较强的应力速率敏感性,对应力水平并不十分敏感。4.X70管线钢和SUS304不锈钢中的室温蠕变明显提高了屈服后材料的流变应力,并在一定程度上降低了屈服前材料的比例极限。基于已有的可动位错密度理论和应力帮助下的热激活理论,提出了局部可动位错密度理论,并据此解释了上述现象和屈服前的室温蠕变行为以及室温蠕变导致随后应变速率-应力曲线出现的瞬态突变。另外,在各种应力水平下,SUS304不锈钢光滑试样只存在减速阶段的蠕变行为是由于材料中发生了形变诱发马氏体相变。5.与单峰过载效应相似,X70管线钢和SUS304不锈钢裂纹尖端室温蠕变也会导致随后疲劳裂纹扩展出现延滞,只是在相同过载比下室温蠕变后的延滞现象更为明显,且提出了分段描述室温蠕变和单峰过载后疲劳裂纹扩展出现延滞的经验公式。通过与单峰过载效应的比较,并结合裂纹闭合效应的测试结果和疲劳裂纹及断口形貌的观察,分析了室温蠕变对疲劳裂纹扩展的影响机理,主要是由于裂纹尖端时间相关的变形加剧了塑性诱发的裂纹闭合所致。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 室温蠕变研究概况
• 1.1.1 室温蠕变现象与变形机制
• 1.1.2 室温蠕变的影响因素
• 1.2 疲劳裂纹扩展概述
• 1.2.1 疲劳裂纹扩展
• 1.2.2 疲劳裂纹扩展中的过载效应
• 1.3 本文的研究目的和内容
• 2 试验材料与方法
• 2.1 材料的选取与样品的制备
• 2.1.1 试验材料的选取
• 2.1.2 样品的制备
• 2.2 试验方法与现象的表征
• 2.2.1 试验方法
• 2.2.2 试验设备与试验现象的表征
• 3 结构钢的室温蠕变
• 3.1 光滑试样的室温蠕变
• 3.1.1 常温力学性能
• 3.1.2 室温蠕变
• 3.1.2.1 不同应力水平下的室温蠕变
• 3.1.2.2 不同应力速率下的室温蠕变
• 3.1.2.3 加载历史对室温蠕变的影响
• 3.1.2.4 热处理状态对室温蠕变的影响
• 3.1.2.4 材质对室温蠕变的影响
• 3.2 缺口试样的室温蠕变
• 3.2.1 常温力学性能
• 3.2.2 室温蠕变
• 3.3 裂纹尖端的室温蠕变
• 3.3.1 断裂韧度
• 3.3.2 室温蠕变
• 3.5 本章小结
• 4 室温蠕变变形机理
• 4.1 室温蠕变对随后性能的影响
• 4.1.1 室温蠕变对流变应力的影响
• 4.1.2 加载过程中的应力应变行为
• 4.1.3 相续室温蠕变
• 4.2 SUS304不锈钢中的形变诱发马氏体
• 4.3 室温蠕变后的微结构分析
• 4.3.1 室温蠕变后的位错组态
• 4.3.2 室温蠕变后的断口形貌分析
• 4.4 室温蠕变机理的提出
• 4.5 本章小结
• 5 室温蠕变的量化规律
• 5.1 无应力集中条件下的定量规律
• 5.2 存在应力集中条件下的定量规律
• 5.3 裂纹尖端室温蠕变的定量规律
• 5.4 本章小结
• 6 室温蠕变对疲劳裂纹扩展的影响
• 6.1 X70管线钢的疲劳裂纹扩展行为
• 6.2 室温蠕变对疲劳裂纹扩展的阻滞
• 6.3 疲劳裂纹扩展延迟的定量规律
• 6.4 室温蠕变对疲劳裂纹扩展的阻滞机理
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢