时间相关的断裂理论及应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2014-03-17,#,时间相关,的,的断裂理,论,论及应用,Time-dependent fracturemechanics and application,华東理工,大,大学,EastChina University ofScience& Technology,轩福贞,机械与动,力,力工程学,院,院,2014,年,3,月,17,日,主要内容,什么是蠕,变,变（时间,相,相关的断,裂,裂）,工程中的蠕变,现,现象,蠕变变形,及,及断裂理,论,论,高温结构的剩,余,余寿命分,析,析,目前的问,题,题及挑战,作业,2,2022/10/29,蠕变的定,义,义,蠕变定义,在服役温,度,度（,35-70%,熔点）下,，,，应力远,低,低于屈服,应,应力时结,构,构,/,材料中长,度,度（变形）,随,随时间增,长,长而增加，卸,载,载后变形,无,无回复；,破,破坏时无,明,明显颈缩,蠕变过程,及,及失效机,理,理,4,2022/10/29,Explanatorypictureof tensile testby Galileo,Testingbar,Weight,蠕变现,象,象,蠕变过,程,程不仅,表,表现为,外,外形尺,寸,寸的改,变,变，而,且,且内部,衍,衍生孔,洞,洞，聚,合,合长大,导,导致部,件,件,/,材料的,断,断裂,Pyzalla, Camin.SCIENCE 2005,308,高能束同步,辐,辐射,(HESR),观察下的铜,合,合金蠕变损,伤,伤过程,5,蠕变定义,与短时拉伸曲线,的,的区别：低,应,应力，时间,长,长,Creep strain,Stress rupture,creep rupture,Transient creep,Time,Steady-state creep,accelerating creep,6,2022/10/29,蠕变的特征,两面性：变,形,形与强度,变形随时间,温,温度增加而,增,增大,7,2022/10/29,蠕变的特征,两面性：变,形,形与强度,Creep temperature region;,Temperature region at which,Creep must be considered,Non-creep,temperature,region,Creep rupture strength,Short-term tensile strength,Temperature,破断强度,Creep design of structural component,强度随时间温度,增,增加而降低,8,2022/10/29,蠕变的特,征,征,2022/10/29,9,时间增加,强度下降,2022/10/29,10,Rupture stress,应力准则,Time,Failure point,0,des,t,des,蠕变的特,征,征,2022/10/29,11,发生蠕变,的,的温度,蠕变三要,素,素,温度、应,力,力,/,载荷、时,间,间,蠕变现象,三,三特征,failure,tertiary creep,d,/dt,primary creep,d,/dt,Andrade law,time,strain,secondary creep,d,/dt=constant,t,f,(,),stress,time,time,d,/dt,inelastic,elastic, reversible,应力恒定,应变三阶,段,段：增加,、,、稳定、,增,增加,应变速率,三,三阶段：,减,减速、稳,定,定、增速,蠕变的特,征,征,蠕变研究,的,的历史,2022/10/29,12,1830,年，法国,工,工程师,Louis-JosephVicat,最早报道,了,了桥梁绳,索,索蠕变超,过,过弹性变,形,形导致失,效,效的现象,1910,年，英国,伦,伦敦大学,Edward Andrade,教授最早,建,建议了描,述,述金属材,料,料的粘性,方,方程,1922,年，英格,兰,兰工程师,Dickenson,发现了高,温,温蠕变强,度,度低于短,时,时拉伸强,度,度的现象,Riedel,教授于,1977,年提出了,蠕,蠕变条件,下,下裂纹张,开,开与扩展,Dugdale,模型,Harper,同年提出,了,了,C,*断裂参,量,量用于蠕,变,变研究,美国西屋,公,公司最早,编,编制汽轮,机,机蠕变裂,纹,纹扩展寿,命,命评价标,准,准,2022/10/29,13,蠕变研究,的,的历史,航空工业,的,的发展出,尽,尽了高温,断,断裂问题,的,的研究,工程中的,蠕,蠕变现象,2022/10/29,14,完,美,美,结,结,构,构,产,产,品,品,三,三,要,要,素,素,：,：,需,需,体,体,现,现成本,效,效率、安全和经济,寿,寿命的理,想,想匹,配,配,产品,三,三要,素,素,服役,结,结构,的,的两,类,类非,正,正常,现,现象,Process of fracture,Low pressure,rotor,Middle pressure,rotor,美国,TVAGallatin,电站,转,转子,服,服役,早,早期,发,发生,断,断裂,美国,Sabine,热电,厂,厂,2,号机,组,组,(1979),主蒸,汽,汽管,道,道弯,头,头,5,万小,时,时蠕,变,变破,裂,裂,1.,结构,早,早于,设,设计,寿,寿命,发,发生,破,破坏,服役,结,结构,的,的两,类,类非,正,正常,现,现象,英国,1962,年建,造,造,Parsons,汽轮,机,机组,超,超过,20,万小,时,时设,计,计寿,命,命,10,余年,，,，目,前,前仍,然,然安,全,全服,役,役,大庆,石,石化,总,总厂,炼,炼油,厂,厂,F,401,加氢,反,反应,器,器,1966,年投,入,入运,行,行至,今,今，,超,超过,了,了设,计,计寿,命,命,30,余年,2,.,结构,安,安全,服,服役,超,超过,数,数倍,的,的设,计,计寿,命,命,原因,：,：材,料,料？,制,制造,工,工艺,？,？对,蠕变,问,问题,认识,不,不足,！,！,新技,术,术使,得,得温,度,度压,力,力日,益,益提,升,升,涂善,东,东，,高,高温,结,结构,完,完整,性,性原,理,理，,科,科学,出,出版,社,社，,2003,TuST,HighTemperatureStructuralIntegrity,SciencePublisher,2003,蠕变,失,失效,的,的宏,微,微观,表,表现,蠕变,失,失效,宏,宏观,形,形式,鱼骨状含,Nb,碳化物,骨架状含,Cr,碳化物,新材,料,料,使用,16,万小,时,时,航空,发,发动,机,机叶,片,片蠕,变,变断,裂,裂,2022/10/29,20,焊接,结,结构,的,的蠕,变,变,10,万小,时,时的,焊,焊缝,蠕,蠕变,强,强度,削,削弱,系,系数,不同,材,材料,，,，不,同,同温,度,度，,对,对应,不,不同,寿,寿命,下,下，,接,接头,的,的蠕,变,变强,度,度减,弱,弱,焊接,结,结构,的,的蠕,变,变断,裂,裂特,点,点,晶界,为,为蠕,变,变敏,感,感区,，,，低,应,应力,破,破坏,源,源于,热,热影,响,响区,的,的细,晶,晶粒,区,区,SchubertJ.,A.KlenkandK.Maile.IntConfCreepFractureinHighTemperatureComponents,ECCC),2005,传统,的,的低,合,合金,铁,铁素,体,体钢,WSRF=0.8,蠕变,强,强化,钢,钢,9-12%Cr,WSRF=0.6,蠕变,断,断裂,的,的复,杂,杂性,2022/10/29,23,蠕变,变,变形,及,及损,伤,伤理,论,论,2022/10/29,24,蠕变,研,研究,的,的任,务,务,蠕变,变,变形,的,的本,构,构方,程,程,蠕变,断,断裂,参,参量,及,及裂,纹,纹扩,展,展预,测,测,2022/10/29,25,蠕变,变,变形,的,的描,述,述方,程,程,26,Norton,，,1929,McVetty,，,1943,Dorn,，,1955,Evanset al,，,1985,投影法,Kachanov-Rabotnov,，蠕变损伤,，,，,1968,蠕变过程中,的,的内部变化,27,Grainelastic deformation,Subgrain formation,Grainboundaryslip,Grainplastic deformation,三种主要变,形,形过程：,晶粒变形、,晶,晶界滑移、,亚,亚晶粒形成,蠕变变形的,机,机理,28,位错蠕变,（,Dislocation creep,）或,Powerlawcreep,蠕变速率表,达,达式,D,eff,：,Effectivediffusioncoefficient,Stress index ;n,3,Dislocation,Climb,析出粒子, precipitate,平移,平移,上升,上升,蠕变变形的,机,机理,29,扩散蠕变,（,diffusion,creep,）,Latticediffusion (Nabarro-Herring)creep: Vacanciesmoveinthelattice,Grainboundarydiffusion (Coble)creep: Vacanciesmovealong the grainboundary,Stress index; n=1,Grain diameter index; p=2,Grain diameter index;p=3,Creep deformation mechanismmapof Nickel, Grainsize; 1mm,电厂多部,件,件受到蠕,变,变,-,疲劳交互,作,作用的影,响,响,31,超超临界,汽,汽轮机关,键,键部件,高温反应,堆,堆,反应堆压,力,力容器、,管,管路系统,、,、热交换,器,器等,火电设备,锅炉、管,路,路系统、,汽,汽轮机转,子,子、汽缸,、,、螺栓等,联合循环,设,设备,燃气轮机,的,的热部件,何谓交互,作,作用？二,者,者叠加不,等,等于线性,之,之和,32,Creep-fatigue interaction,Fatigueafter creep,Purefatigue,载荷谱的,简,简化,33,e,0,Example for load spectrum,T,C,T,C,Creep,fatigue,蠕变疲劳,分,分析的基,本,本要素,34,蠕,变,变,疲,疲,劳,劳,交,交,互,互,作,作,用,用,的,的,影,影,响,响,因,因,素,素,保,载,载,时,时,间,间,：,：,会,会,导,导,致,致,循,循,环,环,次,次,数,数,下,下,降,降,加,载,载,速,速,率,率,效,效,应,应,、,、,平,平,均,均,应,应,力,力,控,制,制,模,模,式,式,：,：,应,应,力,力,？,？,应,应,变,变,？,？,热,机,机,疲,疲,劳,劳,效,效,应,应,（,（,TMF,）,多,轴,轴,应,应,力,力,的,的,影,影,响,响,环,境,境,的,的,影,影,响,响,（,（,氧,氧,化,化,、,、,腐,腐,蚀,蚀,等,等,）,）,35,蠕,变,变,-,疲,劳,劳,交,交,互,互,作,作,用,用,导,导,致,致,独,独,特,特,的,的,破,破,坏,坏,机,机,制,制,断,口,口,裂,纹,纹,扩,扩,展,展,路,路,径,径,晶,界,界,316L600,度,疲劳,蠕变,-,疲劳,37,蠕变,-,疲劳交互作,用,用存在敏感,窗,窗口,Fatigue dominated,Fatigue-creep interaction,Creepdominated,蠕变,-,疲劳交互作,用,用研究的历,程,程,基于,Coffin-Manson,方程的蠕变,疲,疲劳模型发,展,展历程,现有蠕变疲,劳,劳主要预测,方,方法,Ductilityexhaustionapproach,Strain sensitive materials,Linear damage summation,Definitionof “creepductility,”,”,Truerupture strain,Reductionof area,Rupture elongation,39,Timefraction method,assumption: twodamage processes are independent:,- Creep Damageis aninternalprocess dominated bycavitations atgrain boundaries,- Fatigueprocess isa surfacephenomenon,标准中的简,化,化处理规则,40,多轴应力的,影,影响,2022/10/29,41,应力,状,状态,对,对变,形,形的,影,影响,NuclearEngineeringandDesign,2006,237,:1969,产生同样变形所需应力更大,Ds,多轴,应,应力,的,的影,响,响,2022/10/29,42,margin,des,Designlife,margin,基于,分,分析,（,（,FE,）的,蠕,蠕变,强,强度,设,设计,结构,几,几何,与,与载,荷,荷参,数,数（,温,温度,、,、压,力,力）,材料,行,行为,如,如,NortonBalley,方程,FE,蠕变,分,分析,蠕变,强,强度,校,校核,危险,点,点应,力,力,蠕,蠕变,破,破断,强,强度,危险,点,点应,变,变,蠕,蠕变,破,破断,韧,韧度,核心,问,问题,本构,关,关系,和,和材,料,料参,数,数,核心,问,问题,失效,判,判据,高温,结,结构,的,的蠕,变,变断,裂,裂理,论,论,44,蠕变,裂,裂纹,扩,扩展,45,高温,下,下裂纹,扩,扩展,额,额特,征,征,裂尖,蠕,蠕变,区,区域,及,及应,力,力场,蠕变区,蠕变区,蠕变区,（,b,）瞬,态,态蠕变,c,）稳态,蠕,蠕变,（,a,）小,范,范围,蠕,蠕变,蠕变,裂,裂尖,应,应力,场,场,平面,应,应变,平面,应,应力,Goldman,和,Hutchinson,指出,，,，在,按,按幂,指,指数,硬,硬化,的,的对,速,速率,不,不敏,感,感材,料,料中,，,，最,后,后得,到,到的,方,方程,与,与控,制,制渐,进,进特,性,性的,方,方程,具,具有,相,相同,的,的形,式,式，,即,即应,变,变与,应,应力,的,的奇,异,异性,是,是,HRR,型的,，,，相,应,应的,渐,渐进,场,场可,写,写为,裂尖强,度,度因子,随,随时间的,变,变化,2,a,x,y,o,C*,的定,义,义,式中,为应变能,速,速率的密,度,度,对服从,Norton,律的材料,：,：,稳态蠕变,下,下,C*,与路径无,关,关,蠕变裂纹,行,行为,Goldman,和,Hutchinson,指出，在,按,按幂指数,硬,硬化的对,速,速率不敏,感,感材料中,，,，最后得,到,到的方程,与,与控制渐,进,进特性的,方,方程具有,相,相同的形,式,式，即应,变,变与应力,的,的奇异性,是,是,HRR,型的，相,应,应的渐进,场,场可写为,C(t),的定义,注意：随,着,着时间的,增,增加，裂,尖,尖的小范,围,围蠕变也,逐,逐渐演变,成,成大范围,蠕,蠕变，,C(t),即等同于,C*,并与积分,路,路径无关,。,。,小范围蠕,变,变时裂尖,的,的应力应,变,变场,定义裂尖,蠕,蠕变区域,的,的尺寸：,(,s,),HRR,= (,s,),elastic,蠕变区域,的,的尺寸为,C(t),的另一表,示,示,在平面应,变,变条件下,从小范围,蠕,蠕变向大,范,范围蠕变,的,的过渡时,间,间可以表,示,示为,小范围蠕,变,变下的,Ct,载荷,蠕变位移,率,率,试样厚度,试样半宽,度,度,F,是,q,和,n,的函数，,具,具体变化,如,如图（,Riedel and Rice,1980,）,大范围蠕,变,变下的,Ct,与试样尺,寸,寸（,a/w,）以及蠕,变,变指数,n,有关。具,体,体数值可,参,参考,A. Saxena,等人的的,著,著作。,C*,的获取,当构件中,裂,裂纹前端,的,的韧带区,都,都进入稳,态,态蠕变阶,段,段（蠕变,第,第二阶段,）,）时，弹,性,性的应变,率,率将消失,，,，材料显,示,示出非线,性,性粘性流,的,的特性。,在,在这种情,况,况下，,C*,值与积分,路,路径无关,，,，并且可,用,用于裂尖,应,应力应变,场,场的表征,。,。因此如,何,何在理论,和,和实验中,获,获取该值,，,，对蠕变,断,断裂力学,具,具有重要,意,意义。,有限元求,C*,Shih,等人在虚,裂,裂纹闭合,研,研究的基,础,础上，发,展,展了所谓,的,的域积分,技,技术，并,且,且这一积,分,分格式已,在,在商用有,限,限元软件,（,（如,ABAQUS,）中得到,了,了应用,通过实验,求,求,C*,半经验法,求,求,C*,其中,P,为加载点,载,载荷，,为,为加载点,位,位移速率,，,，,B,、,W,分别为试,样,样的厚度,与,与宽度，,h,为,a,/,W,n,n,1,的函数,。,CT,试样的,值可用下,式,式表示,参考应力,法,法求,C*,Ainsworth,提出,P,L,为塑性破,坏,坏载荷,为参考应,力,力作用下,的,的蠕变应,变,变率，,R,为长度参,量,量，可通,过,过有限元,得,得到。,高温结构,安,安全评价,方法,问题,蠕变损,伤模型,试验,断裂力学参量,经验公,式,式的准,确,确性无,法,法保证,缺乏高,温,温下的,预,预测模,型,型,传统模,型,型参数,繁,繁多，,难,难以标,定,定,多轴应,力,力状态,对,对蠕变,本,本构和,损,损伤方,程,程的影,响,响亟待,修,修正,耗时费,力,力,观测困,难,难,全寿命,预,预测模,型,型,损 伤,断 裂,全寿命,预,预测模,型,型,高温结,构,构剩余,寿,寿命分,析,析,2022/10/29,63,实际结,构,构常见,的,的载荷,形,形式,2022/10/29,64,65,单纯疲,劳,劳载荷,下,下的裂,纹,纹扩展,数,数学模,型,型,大量的,金,金属疲,劳,劳裂纹,扩,扩展实,验,验表明,，,，裂纹,扩,扩展数,率,率与裂,纹,纹尖应,力,力应变,场,场的控,制,制参量,（,（应力,强,强度因,子,子波动,幅,幅度,K,）有关,。,描述疲,劳,劳裂纹,扩,扩展速,率,率的表,达,达式中,，,，最简,单,单、应,用,用最广,泛,泛的是,Paris,于,1961,年提出的表,达,达式：,C,0,和,n,0,分别被称为,裂,裂纹扩展系,数,数和裂纹扩,展,展指数，是,与,与材料有关,的,的常数。,K,表示应力强,度,度因子幅。,66,单纯疲劳载,荷,荷下的裂纹,扩,扩展数学模,型,型,应力强度因,子,子幅的表达,式,式为：,Q,为缺陷形状参数，包含了塑性引起的修正,Y,为几何结构修正系数，对于内部椭圆形裂纹（埋藏缺陷）,Y,=1,，对于表面椭圆裂纹（表面缺陷）,Y,=1.12,。,67,单纯疲劳载,荷,荷下的裂纹,扩,扩展数学模,型,型,裂纹的临界裂纹尺寸的计算公式为：,为转子材料的断裂韧性,为裂纹（或缺陷）尖端的公称应力,所以转子的疲劳寿命的表达式为：,68,在蠕变、疲,劳,劳交互作用,下,下裂纹扩展,模,模型为：,上式右边第,一,一项是由交变载荷引,起,起的裂纹扩,展,展率，第二项为,由,由蠕变及蠕变,、,、疲劳交互,作,作用引起的,裂,裂纹扩展率。考虑到汽,轮,轮机的启动,时,时间比带负,荷,荷时间要小,的,的多，可以,不,不计蠕变对,疲,疲劳裂纹扩,展,展的影响，,但,但交变载荷,对,对蠕变裂纹,扩,扩展的影响,需,需要考虑。,也,也就是说，,由,由于不计蠕,变,变对疲劳裂,纹,纹扩展的影,响,响，第一项,可,可以利用材,料,料的低,周,周,疲,疲,劳,劳结,果,果,进,进,行,行,计,计,算,算,。,。,蠕,变,变,疲,疲,劳,劳,交,交,互,互,作,作,用,用,下,下,的,的,裂,裂,纹,纹,扩,扩,展,展,数,数,学,学,模,模,型,型,69,蠕变,疲,疲劳交,互,互作用,下,下的裂,纹,纹扩展,数,数学模,型,型,(,C,t,),ave,参量可,利,利用下,式,式来表,示,示：,工程中,仅,仅考虑,稳,稳态蠕,变,变阶段,（,（第二,阶,阶段蠕,变,变）,下的计,算,算公式,70,蠕变,疲,疲劳交,互,互作用,下,下的裂,纹,纹扩展,数,数学模,型,型,B,和,q,为材料常数，对于,CrMoV,钢有：,B=0.071, q=0.75,对上式进行积分就可得出循环次数为：,71,多裂纹,情,情况的,干,干涉与,合,合并（,表,表面裂,纹,纹）,当,-0.1S/D0.4,且,h/a0.8,时，可,以,以将这,两,两个裂,纹,纹合并,为,为一个,裂,裂纹；,否,否则就,不,不合并,。,。,S=2b-4a ,s/2b=1-2a/b=s/D.,其中的,2a,表示的,表,表面裂,纹,纹,的长度,，,，也就,是,是简化,为,为半椭,圆,圆后的,2c,在这里,取,取两个,裂,裂纹中,较,较大的,那条裂,纹,纹长度,. D,表示这,两,两个裂,纹,纹总长,度,度,.,寿命评,定,定流程,2022/10/29,72,2022/10/29,73,状态栏,导航栏,菜单栏,工具栏,运行窗,口,口,寿命评,定,定流程,问题与,挑,挑战,74,超长寿,命,命预测,与,与外推,由短时,实,实验数,据,据外推,长,长时蠕,变,变按寿,命,命的问,题,题,Time to rupture, h,Stress, MPa,3 times,10 times,Low limit for extrapolation,High-stress conditions,Low stress conditions,inhomogeneous, recovered structure,Initial structure,Stress boundary to determine a metal structure,Time to creep rupture,( log t,R,),Stress,( log ),homogeneous, recovered structure,应力水,平,平导致,微,微结构,改,改变需,要,要考虑,Unexpectedlylargestrengthdegradation,构建基,于,于损伤,物,物理本,质,质的寿,命,命预测,模,模型,3.,先进压,水,水堆寿,命,命设计,新,新趋势,2007,年美国,NRC,的,RG1.207,新趋势,：,轻水堆,金,金属部,件,件疲劳,分,分析应,考,考虑环,境,境对金,属,属材料,疲,疲劳性,能,能的影,响,响,寿命设,计,计由,10,6,拓展到,10,11,增加环,境,境和温,度,度的影,响,响（,350,低氧水）,核心与,关,关键,作业及,问,问题,2022/10/29,80,2022/10/29,81,什么,是,是蠕,变,变，,有,有何,特,特点,？,？蠕,变,变应,变,变随,时,时间,的,的变,化,化中,一,一般,可,可划,分,分成,几,几个,阶,阶段,？,？,在材,料,料的,弹,弹塑,性,性行,为,为中,，,，存,在,在临,界,界应,力,力强,度,度因,子,子和,临,临界,J,积分,，,，它,们,们是,表,表征,裂,裂纹,是,是否,扩,扩展,的,的材,料,料参,数,数，,在,在材,料,料的,蠕,蠕变,行,行为,中,中是,否,否存,在,在这,样,样的,临,临界,C*,？为,什,什么,？,？,ThankYou!,衷心感谢,