常見的金屬材料高溫疲勞-蠕變壽命估算方法介紹

常見的金屬材料高溫疲勞-蠕變壽命估算方法介紹，在工程上，許多結(jié)構(gòu)部件長期運(yùn)行在高溫條件下，如火力發(fā)電設(shè)備中的汽輪機(jī)、鍋爐和主蒸汽管道，石油化工系統(tǒng)中的高溫高壓反應(yīng)容器和管道，它們除了受到正常的工作應(yīng)力外，還需承受其它的附加應(yīng)力以及循環(huán)應(yīng)力和快速較大范圍內(nèi)的溫度波動(dòng)等作用，因此其壽命往往受到蠕變、疲勞和蠕變-疲勞交互作用等多種機(jī)制的制約。

疲勞-蠕變交互作用是高溫環(huán)境下承受循環(huán)載荷的設(shè)備失效的主要機(jī)理，其壽命預(yù)測對高溫設(shè)備的選材、設(shè)計(jì)和安全評估有十分重大的意義，一直是工程界和學(xué)術(shù)界比較關(guān)心的問題，很多學(xué)者提出了相應(yīng)的壽命預(yù)測模型。本文對常見的壽命估算方法進(jìn)行簡單的介紹。

壽命-時(shí)間分?jǐn)?shù)法

對于疲勞-蠕變交互作用的壽命估算問題主要采用線性累積損傷法，又叫壽命-時(shí)間分?jǐn)?shù)法。壽命時(shí)間分?jǐn)?shù)法認(rèn)為材料疲勞蠕變交互作用的損傷為疲勞損傷和蠕變損傷的線性累積，如下式所示：

其中Nf為疲勞壽命，從ni為疲勞循環(huán)周次，tr為蠕變破壞時(shí)間，t為蠕變保持時(shí)間。該方法將分別計(jì)算得到的疲勞損傷量和蠕變損傷量進(jìn)行簡單的相加，得到總的損傷量，計(jì)算十分簡單，不過需要獲得相應(yīng)溫度環(huán)境下純?nèi)渥兒图兤诘脑囼?yàn)數(shù)據(jù)。

由于該方法沒有考慮疲勞和蠕變的交互作用，其計(jì)算結(jié)果和精度較差。為了克服不足，提高計(jì)算精度，研究人員提出了多種改進(jìn)形式。例如謝錫善的修正式如下：

Lagneborg提出的修正式如下：

上述式子中，n為交互蠕變損傷指數(shù)，1/n為交互疲勞損傷指數(shù)，A、B為交互作用系數(shù)。兩個(gè)修正表達(dá)式均增加了交互項(xiàng)，可以用來調(diào)整累積損傷法的預(yù)測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間誤差，極大地提高了預(yù)測結(jié)果的可靠性。

頻率修正法(FM法)及頻率分離法(FS法)

目前，工程上廣泛使用的疲勞-蠕變壽命估算方法大多數(shù)都是基于應(yīng)變控制模式的估算方法。頻率修正法是Coffin提出來的，認(rèn)為低周疲勞中主要損傷是由塑性應(yīng)變所引起的，Eckel在此基礎(chǔ)上提出以下公式：

式中：tf為破壞時(shí)間，K為依賴溫度的材料常數(shù)，?為頻率，?εp為塑性應(yīng)變范圍。將上式代入Manson-Coffin公式可得考慮頻率修正的表達(dá)式如下：

頻率分離法是在頻率修正法基礎(chǔ)上的又一次改進(jìn)，方法假設(shè)疲勞損傷是由非彈性應(yīng)變引起的并且考慮高溫下保載時(shí)間對壽命的影響，引入了拉伸保載頻率和壓縮保載頻率，將疲勞壽命用非彈性應(yīng)變和保載頻率的指數(shù)形式表示，使加載頻率對疲勞壽命的影響更加顯著。如式：

式中，?c為壓縮保載的頻率，?t為拉伸保載的頻率，?εin為非彈性應(yīng)變。

頻率修正法和頻率分離法進(jìn)行壽命估算時(shí)所用的均是疲勞壽命估算模型但是它們成功的利用加載頻率將蠕變因素引入到疲勞壽命估算模型中，使新的模型適用于進(jìn)行疲勞蠕變交互作用的壽命估算。

應(yīng)變范圍劃分法(SRP)和應(yīng)變能劃分法(SEP)

應(yīng)變范圍劃分法由Manson提出，基本觀點(diǎn)是：對于與時(shí)間相關(guān)和時(shí)間無關(guān)兩類應(yīng)變，即使應(yīng)變的量相同，但所引起的損傷并不相同。考慮蠕變與疲勞的交互作用，把一個(gè)應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)中的非彈性應(yīng)變范圍，按質(zhì)不同分成純機(jī)械的應(yīng)變范圍分量和與時(shí)間有關(guān)的應(yīng)變范圍分量組合，然后確定每一部分所引起的損傷，求和得出總的損傷。其有如下表達(dá)式，cij、βij為材料常數(shù)。

應(yīng)變范圍劃分法的應(yīng)用比較廣泛，但是的獲得需要不同類型的循環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。應(yīng)變能劃分法是在應(yīng)變范圍劃分法的基礎(chǔ)上建立起來的，應(yīng)用各個(gè)應(yīng)變的應(yīng)變能建立起與壽命之間的關(guān)系：

式中，cij、βij為試驗(yàn)確定的材料常數(shù)；