能量法預測316L不銹鋼蠕變疲勞交互作用壽命

陳健飛 黃保科 解學方 蔣文春 王振波 李圣軍 張玉福 蘇厚德 裴二陽

（1.中國石油大學（華東）新能源學院；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司技術(shù)檢測中心；3.桐昆集團股份有限公司；4.甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司；5.中國機械工業(yè)聯(lián)合會）

隨著現(xiàn)代工業(yè)向高溫、高壓及高速等高參數(shù)方向發(fā)展，在石油化工、核能電力及航空航天等領(lǐng)域越來越多的設備長期在高溫、高壓及交變載荷等復雜工況下運行，此類設備的服役往往受疲勞、蠕變及腐蝕等多種因素的制約［1］。尤其是化工行業(yè)的高溫承壓設備，不僅承受設備本身工作的應力， 而且承受高溫致使的蠕變損傷與調(diào)峰、運停及溫度波動等致使的疲勞損傷，蠕變疲勞交互作用是此類設備失效的重要因素［2］。 疲勞載荷在高應力區(qū)產(chǎn)生塑性變形， 導致晶體內(nèi)部產(chǎn)生位錯、滑移等缺陷，從而產(chǎn)生穿晶的疲勞微裂紋。 蠕變使晶體在晶界處形成空穴，隨著時間的積累產(chǎn)生沿晶裂紋。 高溫下的循環(huán)載荷，疲勞穿晶裂紋與蠕變沿晶裂紋于晶間相遇，蠕變孔洞可以作為疲勞源促進疲勞裂紋的萌生和擴展，疲勞循環(huán)也可以加速蠕變孔洞的成核和長大，兩者間相互作用、相互促進，形成蠕變與疲勞間的交互作用［3，4］。

蠕變疲勞交互作用壽命預測方法多是基于準確的損傷評估， 根據(jù)損傷交互圖確定交互壽命，例如線性累積損傷法、連續(xù)損傷力學法等，其中時間數(shù)分法和延性耗竭法被廣泛應力于工程中。 由經(jīng)驗得出的交互圖顯然是種假設，理論依據(jù)不強，且此類規(guī)范包含較大的安全系數(shù)，偏于保守，遠低于最優(yōu)化的設計準則，可能會導致過度設計或者不可實現(xiàn)設計［5］。 筆者采用能量法預測蠕變疲勞交互作用壽命，并提出了一種新的滯回能密度計算方法，在經(jīng)典疲勞壽命與滯回能冪率關(guān)系的基礎上，添加蠕變和交互的時間影響因子，根據(jù)蠕變疲勞交互試驗半壽命周期穩(wěn)定的磁滯回線確定參量，擬合了壽命預測公式，該公式對參量的變化很敏感，能準確預測蠕變疲勞交互作用壽命。

1 基于能量法的疲勞壽命模型

金屬材料的疲勞是指在應力或者應變循環(huán)載荷的反復作用下引起損傷的過程［6］。 進行恒定應變幅的對稱循環(huán)疲勞試驗， 加載波形如圖1所示，可以得到應力與應變之間的加載過程（圖2），稱為磁滯回線。 部分金屬材料（例如316L不銹鋼）會出現(xiàn)隨著循環(huán)次數(shù)N的增多， 應力幅逐漸增大的循環(huán)硬化現(xiàn)象，在循環(huán)次數(shù)達到幾十次后即可形成穩(wěn)態(tài)磁滯回線，一般取半壽命周期為穩(wěn)定的磁滯回線［7］。

圖1 疲勞加載波形

圖2 循環(huán)應力應變曲線

不同應變幅的對稱循環(huán)疲勞試驗數(shù)據(jù)可以獲得一系列的半壽命周期穩(wěn)態(tài)的磁滯回線，在同一坐標系中將穩(wěn)態(tài)磁滯回線的循環(huán)應力幅Δσ和應變幅Δεt連線后可以得到如圖3所示的循環(huán)曲線，圖中σa、εa分別是當前循環(huán)的峰值應力、峰值應變。

圖3 循環(huán)應力幅與應變幅關(guān)系曲線

應變幅與循環(huán)應力幅之間的關(guān)系遵循Ramberg-Osgood方程［8］：

式中 E——彈性模量；

K′——循環(huán)硬化系數(shù)；

n′——循環(huán)硬化指數(shù)；

Δεe——彈性應變幅；

Δεp——塑性應變幅。

循環(huán)應力幅與塑性應變幅間的冪率關(guān)系為：

由試驗數(shù)據(jù)可以得到疲勞半壽命周期穩(wěn)定的磁滯回線， 從而可知循環(huán)應力幅與塑性應變幅，進行對數(shù)回歸分析后可以得到循環(huán)硬化系數(shù)K′與循環(huán)硬化指數(shù)n′。

大量疲勞試驗結(jié)果表明［8，9］滯回能密度w與疲勞壽命Nf間存在冪率關(guān)系，即：

式中 β0、C0——取決于材料和溫度的參數(shù)。

2 基于能量法的蠕變疲勞交互作用壽命模型

2.1 蠕變疲勞交互作用壽命預測方程修正

當保載時間th=0時，式（4）即為式（3）所示的疲勞壽命公式。 當保載時間足夠大時，蠕變疲勞交互作用壽命可視為Ncf=1，式（4）可以看作蠕變壽命計算式［11］，轉(zhuǎn)化為蠕變斷裂時間與能量間的關(guān)系：

式中 tr——蠕變斷裂時間；

W——機械功。

2.2 蠕變疲勞交互滯回能密度計算

試驗或模擬得到圖3所示穩(wěn)定的磁滯回線的面積即為滯回能密度，疲勞的滯回能密度已有較為成熟的計算公式［9，12］：

蠕變疲勞交互的加載波形如圖4所示為梯形波，在最大應變處保載一段時間。 相對于純疲勞的穩(wěn)定磁滯回線， 在應力峰值處由于蠕變的存在，會產(chǎn)生應力松弛得到蠕變疲勞交互半壽命周期穩(wěn)定的磁滯回線（ABCEFA）如圖5所示。

圖4 蠕變疲勞交互加載波形

圖5 蠕變疲勞交互磁滯回線

筆者提出一種計算滯回能密度的方法，蠕變疲勞交互半壽命周期穩(wěn)定磁滯回線的面積可視為純疲勞磁滯回線面積SABCDEF減松弛應力所在三角形面積SCDE，即：

由于C、D兩點的應力值差別極小， 可以忽略不計，將SCDE視為直角三角形，其面積為：

由純疲勞滯回能密度計算公式可以得到SABCDEF為：

結(jié)合式（7）～（9）可得出蠕變疲勞交互半壽命周期穩(wěn)定的滯回能密度為：

式中 Δεp，BF——BF間的塑性應變；

σrelax——蠕變松弛應力。

3 結(jié)果與討論

3.1 循環(huán)硬化指數(shù)的確定

316L不銹鋼在600℃加載圖1所示波形的疲勞試驗［13］，控制應變幅分別為0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%， 由半壽命周期穩(wěn)定的疲勞磁滯回線獲得的塑性應變幅與應力幅見表1。

表1 疲勞試驗特征參量

采用表1所示數(shù)據(jù)用Origin擬合式（2），結(jié)果如圖6所示， 可得應力幅與塑性應變幅間的冪率關(guān)系為：

圖6 應力幅與塑性應變幅關(guān)系擬合

3.2 蠕變疲勞交互作用壽命預測

316L不銹鋼在600℃下進行蠕變疲勞交互試驗［13］，加載波形如圖4所示，控制應變幅為0.7%，保載時間分別為0（即疲勞試驗）、1、5、10、30min，由蠕變疲勞交互半壽命周期穩(wěn)定的磁滯回線可知其應力幅、 圖5所示BF間的塑性應變和蠕變致使的應力松弛量（表2）。 由式（2）、（11）可得n′=0.27，結(jié)合以上數(shù)據(jù)根據(jù)式（10）計算，可得出不同保載時間的蠕變疲勞交互半壽命周期穩(wěn)定的滯回能密度（表2）。

在雙對數(shù)坐標系中滯回能密度與疲勞、蠕變疲勞交互作用壽命呈線性關(guān)系（圖7），根據(jù)疲勞和蠕變疲勞交互試驗數(shù)據(jù)［13］得到循環(huán)次數(shù)和滯回能密度，使用軟件auto2fit5.5擬合式（4）可得：

圖7 滯回能密度與蠕變疲勞交互壽命關(guān)系擬合

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得到的蠕變疲勞交互作用壽命計算式，配置控制應變幅為0.7%，保載時間分別為0、1、5、10、30min， 根據(jù)試驗條件進行有限元計算，結(jié)合筆者提出的式（10）所示的新的滯回能密度計算方法，得到不同保載時間的滯回能密度，代入蠕變疲勞交互作用壽命計算公式（12）即可計算得出不同保載時間的蠕變疲勞交互作用壽命。衡量有限元模擬計算得出的蠕變疲勞交互作用壽命的準確性，可以用壽命預測因子LPF表示：

不同保載時間的蠕變疲勞交互作用壽命數(shù)值模擬值與試驗值的對比如圖8所示。 由圖可以看出通過文中的能量法，配置不同保載時間與試驗相同條件的有限元模擬，蠕變疲勞交互作用壽命預測結(jié)果LPF<1.15，準確程度較高。 而且此能量法對參量變化的敏感程度較高，易于計算節(jié)省成本的同時，保證了蠕變疲勞交互作用壽命預測的準確性，為材料的高溫設計提供了理論依據(jù)。

圖8 模擬計算壽命準確性檢測圖

4 結(jié)論

4.1 基于經(jīng)典疲勞理論和600℃下不同應變的316L不銹鋼純疲勞試驗，研究應力幅與塑性應變幅之間的冪率關(guān)系，確定了循環(huán)硬化指數(shù)n′。

4.4 配置相同條件的蠕變疲勞交互模擬，根據(jù)文中提出的滯回能計算方法和擬合出的壽命計算公式計算出壽命， 與試驗相比， 壽命預測因子LPF＜1.15。