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1、时间相关的断裂理论及应用 Time-dependent fracture mechanics and application,华東理工大学,East China University of Science & Technology,轩福贞 机械与动力工程学院 2014年3月17日,2019/8/24,2,主要内容,什么是蠕变（时间相关的断裂） 工程中的蠕变现象 蠕变变形及断裂理论 高温结构的剩余寿命分析 目前的问题及挑战 作业,蠕变的定义,2019/8/24,4,蠕变定义,在服役温度（35-70%熔点）下，应力远低于屈服应力时结构/材料中长度（变形）随时间增长而增加，卸载后变形无回复；破坏时无
2、明显颈缩,蠕变过程及失效机理,Explanatory picture of tensile test by Galileo,Testing bar,Weight,5,蠕变现象,蠕变过程不仅表现为外形尺寸的改变，而且内部衍生孔洞，聚合长大导致部件/材料的断裂,Pyzalla, Camin. SCIENCE 2005,308,高能束同步辐射(HESR)观察下的铜合金蠕变损伤过程,2019/8/24,6,蠕变定义,与短时拉伸曲线的区别：低应力，时间长,2019/8/24,7,蠕变的特征,两面性：变形与强度,变形随时间温度增加而增大,2019/8/24,8,蠕变的特征,两面性：变形与强度,强度随时间温
3、度增加而降低,2019/8/24,9,蠕变的特征,时间增加,强度下降,2019/8/24,10,蠕变的特征,2019/8/24,11,发生蠕变的温度,蠕变三要素 温度、应力/载荷、时间,蠕变现象三特征,应力恒定 应变三阶段：增加、稳定、增加 应变速率三阶段：减速、稳定、增速,蠕变的特征,2019/8/24,12,蠕变研究的历史,1830年，法国工程师Louis-Joseph Vicat 最早报道了桥梁绳索蠕变超过弹性变形导致失效的现象,1910年，英国伦敦大学Edward Andrade 教授最早建议了描述金属材料的粘性方程,1922年，英格兰工程师Dickenson 发现了高温蠕变强度低于短
4、时拉伸强度的现象,2019/8/24,13,Riedel教授于1977年提出了蠕变条件下裂纹张开与扩展Dugdale模型 Harper同年提出了C*断裂参量用于蠕变研究 美国西屋公司最早编制汽轮机蠕变裂纹扩展寿命评价标准,蠕变研究的历史,航空工业的发展出尽了高温断裂问题的研究,工程中的蠕变现象,完美结构产品三要素：需体现成本效率、安全和经济寿命的理想匹配,产品三要素,服役结构的两类非正常现象,美国TVA Gallatin电站转子服役早期发生断裂,美国Sabine 热电厂2号机组(1979)主蒸汽管道弯头5万小时蠕变破裂,1. 结构早于设计寿命发生破坏,服役结构的两类非正常现象,英国1962年建
5、造Parsons 汽轮机组超过20万小时设计寿命10余年，目前仍然安全服役,大庆石化总厂炼油厂F401加氢反应器1966年投入运行至今，超过了设计寿命30余年,2. 结构安全服役超过数倍的设计寿命,原因：材料？制造工艺？对蠕变问题认识不足！,新技术使得温度压力日益提升,涂善东，高温结构完整性原理，科学出版社，2003 Tu ST, High Temperature Structural Integrity, Science Publisher, 2003,蠕变失效的宏微观表现,蠕变失效宏观形式,新材料,使用16万小时,2019/8/24,20,航空发动机叶片蠕变断裂,焊接结构的蠕变,10万小时
6、的焊缝蠕变强度削弱系数,不同材料，不同温度，对应不同寿命下，接头的蠕变强度减弱,焊接结构的蠕变断裂特点,晶界为蠕变敏感区，低应力破坏源于热影响区的细晶粒区,Schubert J., A. Klenk and K. Maile. Int Conf Creep Fracture in High Temperature Components, ECCC), 2005,传统的低合金铁素体钢,WSRF=0.8,蠕变强化钢 9-12%Cr,WSRF=0.6,2019/8/24,23,蠕变断裂的复杂性,蠕变变形及损伤理论,2019/8/24,25,蠕变研究的任务,蠕变变形的本构方程 蠕变断裂参量及裂纹扩展预
7、测,26,蠕变变形的描述方程,Norton，1929,McVetty，1943,Dorn，1955,Evans et al，1985 投影法,Kachanov-Rabotnov，蠕变损伤，1968,27,蠕变过程中的内部变化,Grain elastic deformation,Subgrain formation,Grain boundary slip,Grain plastic deformation,三种主要变形过程： 晶粒变形、晶界滑移、亚晶粒形成,28,蠕变变形的机理,位错蠕变（Dislocation creep）或Power law creep,蠕变速率表达式,Deff ： Effe
8、ctive diffusion coefficient,Stress index ; n3,Dislocation,Climb,析出粒子, precipitate,平移,平移,上升,上升,29,蠕变变形的机理,扩散蠕变（diffusion creep）,Lattice diffusion (Nabarro-Herring) creep: Vacancies move in the lattice,Grain boundary diffusion (Coble) creep: Vacancies move along the grain boundary,Stress index ; n=1,
9、Grain diameter index ; p=2,Grain diameter index ; p=3,Creep deformation mechanism map of Nickel, Grain size; 1mm,31,电厂多部件受到蠕变-疲劳交互作用的影响,超超临界汽轮机关键部件,高温反应堆 反应堆压力容器、管路系统、热交换器等 火电设备 锅炉、管路系统、汽轮机转子、汽缸、螺栓等 联合循环设备 燃气轮机的热部件,32,何谓交互作用？二者叠加不等于线性之和,Creep-fatigue interaction,Fatigue after creep,Pure fatigue,33,载
10、荷谱的简化,T,C,T,C,Creep,fatigue,34,蠕变疲劳分析的基本要素,35,蠕变疲劳交互作用的影响因素,保载时间：会导致循环次数下降 加载速率效应、平均应力 控制模式：应力？应变？ 热机疲劳效应（TMF） 多轴应力的影响 环境的影响（氧化、腐蚀等）,蠕变-疲劳交互作用导致独特的破坏机制,断口,裂纹扩展路径,晶界,316L 600度,疲劳,蠕变-疲劳,37,蠕变-疲劳交互作用存在敏感窗口,Fatigue dominated,Fatigue-creep interaction,Creep dominated,蠕变-疲劳交互作用研究的历程,基于Coffin-Manson方程的蠕变疲劳
11、模型发展历程,39,现有蠕变疲劳主要预测方法,Ductility exhaustion approach Strain sensitive materials Linear damage summation Definition of “creep ductility” True rupture strain Reduction of area Rupture elongation,Time fraction method assumption: two damage processes are independent: - Creep Damage is an internal proces
12、s dominated by cavitations at grain boundaries - Fatigue process is a surface phenomenon,40,标准中的简化处理规则,2019/8/24,41,多轴应力的影响,应力状态对变形的影响,Nuclear Engineering and Design, 2006, 237: 1969,2019/8/24,42,多轴应力的影响,margin,des,Design life,margin,基于分析（FE）的蠕变强度设计,结构几何与载荷参数（温度、压力）,材料行为如Norton Balley方程,FE 蠕变分析,蠕变强度
13、校核,危险点应力蠕变破断强度,危险点应变蠕变破断韧度,核心问题 本构关系和材料参数,核心问题 失效判据,高温结构的蠕变断裂理论,45,蠕变裂纹扩展,高温下裂纹扩展额特征,裂尖蠕变区域及应力场,（b）瞬态蠕变c）稳态蠕变,（a）小范围蠕变,蠕变裂尖应力场,平面应变,平面应力,Goldman和Hutchinson指出，在按幂指数硬化的对速率不敏感材料中，最后得到的方程与控制渐进特性的方程具有相同的形式，即应变与应力的奇异性是HRR型的，相应的渐进场可写为,裂尖强度因子随时间的变化,2a,x,y,o,C*的定义,式中,为应变能速率的密度,对服从Norton律的材料：,稳态蠕变下C*与路径无关,蠕变裂
14、纹行为,Goldman和Hutchinson指出，在按幂指数硬化的对速率不敏感材料中，最后得到的方程与控制渐进特性的方程具有相同的形式，即应变与应力的奇异性是HRR型的，相应的渐进场可写为,C(t)的定义,注意：随着时间的增加，裂尖的小范围蠕变也逐渐演变成大范围蠕变，C(t)即等同于C*并与积分路径无关。,小范围蠕变时裂尖的应力应变场,定义裂尖蠕变区域的尺寸：(s)HRR = (s)elastic,蠕变区域的尺寸为,C(t)的另一表示,在平面应变条件下,从小范围蠕变向大范围蠕变的过渡时间可以表示为,小范围蠕变下的Ct,载荷,蠕变位移率,试样厚度,试样半宽度,F是q和n的函数，具体变化如图（Ri
15、edel and Rice, 1980）,大范围蠕变下的Ct,与试样尺寸（a/w）以及蠕变指数n有关。具体数值可参考A. Saxena等人的的著作。,C*的获取,当构件中裂纹前端的韧带区都进入稳态蠕变阶段（蠕变第二阶段）时，弹性的应变率将消失，材料显示出非线性粘性流的特性。在这种情况下，C*值与积分路径无关，并且可用于裂尖应力应变场的表征。因此如何在理论和实验中获取该值，对蠕变断裂力学具有重要意义。,有限元求C*,Shih等人在虚裂纹闭合研究的基础上，发展了所谓的域积分技术，并且这一积分格式已在商用有限元软件（如ABAQUS）中得到了应用,通过实验求C*,半经验法求C*,其中 P为加载点载荷，
16、 为加载点位移速率，B、W分别为试样的厚度与宽度，h为a/W , n , n1的函数。 CT试样的值可用下式表示,参考应力法求C*,Ainsworth提出,PL为塑性破坏载荷,为参考应力作用下的蠕变应变率，R为长度参量，可通过有限元得到。,高温结构安全评价方法,经验公式的准确性无法保证 缺乏高温下的预测模型,传统模型参数繁多，难以标定 多轴应力状态对蠕变本构和损伤方程的影响亟待修正,耗时费力 观测困难,全寿命预测模型,损 伤,断 裂,全寿命预测模型,高温结构剩余寿命分析,2019/8/24,64,实际结构常见的载荷形式,65,单纯疲劳载荷下的裂纹扩展数学模型,大量的金属疲劳裂纹扩展实验表明，裂纹扩展数率与裂纹尖应力应变场的控制参量（应力强度因子波动幅度K）有关 。描述疲劳裂纹扩展
