关于高温蠕变裂纹扩展规律.pdf

1、武 汉 水 利 电 力 学 院 学 报 年 第 期关 于 高 温 蠕 变 裂 纹 扩 展 规 律王 文 安建 筑 力 学 教 研 室 断 裂 力 学 研 究 组本 文 扼 要 地 介 绍 了 国 内 外 关 于 高 温 构 件 的 蠕 变 裂 纹 扩 展 断 裂 的 实 验 研 究 与 理 论 研 究 的现 状 , 着 重 论 述 了 对 高 温 构 件 的 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 的 描 述 方 法 , 并 提 出 了 今 后 应 着 重 研 究的 课 题 。高 温 蠕 变 断 裂 问 题 的 研 究 , 对 于 电 力 工 业 中 的 汽 轮 机 组 燃 气 轮 机 组 , 锅 炉

2、 机 组 及 其 他热 动 力 装 置 的 一 些 重 要 零 部 件 的 合 理 设 计 与 安 全 运 行 , 促 进 电 力 工 业 的 大 发 展 , 均 具 有 重要 意 义 。一 引 论自 五 十 年 代 以 来 , 被 誉 为 固 体 力 学 发 展 前 沿 的 断 裂 力 学 , 由 于 它 在 发 展 形 成 过 程 中 ,紧 密 地 联 系 着 工 农 业 生 产 和 国 防 工 程 实 际 , 发 展 十 分 迅 速 , 在 断 裂 理 论 和 实 验 技 术 方 面 都已 初 具 规 模 。 因 此 , 对 带 裂 纹 的 构 件 , 在 定 显 地 予 计 构 件 的

3、 剩 余 强 度 , 疲 劳 裂 纹 扩 展 速率 , 耐 劳 寿 命 以 及 确 定 在 腐 蚀 条 件 下 构 件 的 承 载 能 力 等 方 面 , 断 裂 力 学 理 论 已 经 显 示 出 它的 卓 越 效 能 。 尽 管 断 裂 力 学 理 论 是 源 出 于 弹 性 力 学 , 塑 性 力 学 和 板 壳 理 论 等 传 统 的 强 度 科学 , 但 是 , 由 于 在 断 裂 力 学 中 发 现 和 引 进 了 材 料 的 断 裂 韧 性 如 工 、 , 、 , 。 、 。 及各 等 新 的 力 学 参 数 指 标 、 应 力 强 度 因 子 概 念 , 裂 坟 扩 展 力 概

4、 念 , 与 路 经 无 关 的能 量 线 积 分 概 念 , 应 变 能 密 度 因 子 概 念 以 及 裂 坟 张 开 位 移 概 念 等 , 极 大 地促 进 了 固 体 力 学 研 究 局 部 区 域 应 力 应 变 场 的 效 能 。在 断 裂 静 力 学 理 论 中 , 由 于 线 弹 性 祈 裂 力 学 是 建 立 在 线 弹 性 理 论 基 础 之 上 , 它 认 为 构件 材 料 是 带 裂 纹 的 具 有 理 想 弹 性 的 变 形 固 沐 , 在 外 邵 因 素 例 如 工 作 负 荷 , 温 度 变 化 或 腐 蚀性 介 质 影 响 等 作 用 下 , 其 裂 纹 尖

5、端 处 的 材 料 在 按 近 平 面 应 变 条 件 下 , 产 生 的 塑 性 变 形 范 围或 塑 性 区 域 与 试 样 宽 度 以 及 裂 纹一 民 度 相 比 都 是 作 常 小 的 , 这 时 裂 纹失 稳 扩 展 时 的 条 件基 本 上 可 以 由 裂 纹 尖 端 处 极 小 的 塑 性 变 形 区 或 以 外 的 广 大 弹 性 变 形 区 域 里 的 应 力 应 变 状 态所 决 定 。 基 于 这 个 观 点 求 得 了 用 应 力 场 强 度 因 子 这 个 力 学 新 参 数 来 描 述 裂 纹 尖 端 附 近的 应 力 应 变 场 状 况 的 表 达 式 。 在

6、垂 直 于 裂 纹 平 而 的 拉 应 力 作 用 下 , 裂 纹 扩 展 是 张 开型 , 此 时 渗 数 用 工 表 示 , 当 逐 渐 达 到 苗 界 值 , 。 作 为 应 力 场 强 度 断 裂 判 据 , 它 已 被较 多 的 工 程 实 际 证 明 。 对 于 强 度 高 而 断 裂 韧 性 较 低 的 材 料 制 作 的 带 裂 纹 构 件 的 低 应 力 脆 性断 裂 , 是 能 够 作 出 很 好 的 抗 断 裂 分 析 的 。通 过 分 析 一 些 高 温 构 件 的 断 裂 事 故 资 料 发 现 , 在 高 温 蠕 变 持 久 应 力 作 用 下 , 一 些 高 强度

7、 低 韧 性 材 料 制 造 的 高 温 构 件 的 断 裂 , 是 由 于 构 件 上 的 裂 坟 源 扩 展 引 起 低 应 力 脆 性 断 裂的 。 因 此 , 把 上 述 线 弹 性 断 裂 力 学 中 分 析 解 决 问 题 的 思 路 , 运 用 于 高 温 构 件 的 抗 断 裂 分 析是 可 行 的 。但 是 , 对 于 电 力 工 业 巾 火 电 厂 汽 抡 发 电 机 组 的 一 些 重 要 零 部 件 , 例 如 汽 轮 机 转 子 轴 采用 犷 钢 或 叮 钢 , 叶 轮 采 用 钢 , 紧 固 件 采 用 犷钢 等 , 这 类 材 料 的 强 度 是 随 着 温 度

8、升 高 而 显 著 下 降 的 , 例 如 厂 钢 和 犷钢 , 在 时 的 屈 服 极 限 分 别 为 汀 烧 “ 和 汀 。 , 而 在 时 的 分别 为 。 “ 和 。 “ 。 同 时 这 类 材 料 的 断 裂 韧 性 也 是 随 着 温 度 升 降 而 变 化 的 ,由 于 目 前 尚 末 找 到 试 验 方 法 准 确 地 测 定 其 高 温 断 裂 韧 性 , 因 此 , 线 弹 性 断 裂 力 学 理 论 在 高温 构 件 设 计 中 的 应 用 就 暂 时 受 到 了 限 制 。众 所 周 知 , 高 温 构 件 在 其 断 裂 前 总 有 较 显 著 的 塑 性 变 形 ,

9、 那 么 将 其 列 入 弹 塑 性 断 裂 力学 研 究 范 畴 , 并 运 用 描 述 裂 纹 尖 端 产 生 大 范 围 屈 服 条 件 下 的 应 力 应 变 场 参 数 的 和 乙 建 立的 断 裂 判 据 , 对 高 温 构 件 的 设 计 是 否 可 行 呢 考 虑 到 由 于 汽 轮 机 转 子 轴 、 叶 轮 、 汽 缸 、 叶片 及 紧 固 件 , 燃 气 轮 机 的 热 端 部 件 , 涡 轮 盘 及 燃 烧 宝 等 , 在 运 行 过 程 中 必 将 发 生 高 温 蠕变 , 同 时 这 类 高 温 构 件 在 运 行 时 所 承 受 的 负 荷 并 非 简 单 加 我

10、 , 而 是 比 较 复 杂 的 , 从 一 些 断裂 事 故 的 断 口 状 况 可 以 看 出 , 它 并 非 单 纯 塑 性 断 裂 , 而 是 蠕 变 断 裂 。 在 一 些 断 裂 物 理 文 献中 指 出 , 塑 性 断 裂 的 特 征 是 晶 内 变 形 发 展 为 晶 内 破 裂 从 而 引 起 断 裂 , 是 比 较 均 匀 的 而 高温 蠕 变 断 裂 则 表 现 为 晶 界 滑 移 引 起 沿 晶 界 不 均 匀 的 蠕 变 变 形 而 造 成 断 裂 。 可 见 , 二 者 是 形态 完 全 不 同 的 两 种 断 裂 。 因 此 , 随 着 温 度 的 升 高 , 热

11、 力 学 过 程 对 于 构 件 上 裂 纹 源 的 形 成 和扩 展 都 将 起 到 显 著 作 用 。 所 以 说 , 基 于 塑 性 变 形 全 量 理 论 建 立 的 断 裂 判 据 和 各 断 裂 判 据能 较 好 的 解 决 塑 性 断 裂 问 题 , 那 么 , 在 分 析 高 温 蠕 变 断 裂 问 题 时 , 就 必 须 在 塑 性 变 形 全 量理 论 基 础 上 , 同 时 考 虑 到 热 力 学 过 程 的 影 响 , 这 将 是 一 个 边 缘 学 科 领 域 中 的 研 究 课 题 。由 上 可 知 , 在 当 前 , 对 于 高 温 构 件 蠕 变 断 裂 的 研

12、 究 , 现 有 断 裂 力 学 理 论 都 不 能 直 接 应用 , 因 此 , 要 从 理 论 上 研 究 解 决 是 困 难 的 。 但 是 , 在 实 际 工 程 中 不 断 发 生 的 蠕 变 断 裂 事故 例 如 郑 州 电 厂 四 号 汽 轮 机 第 十 级 叶 轮 的 断 裂 飞 逸 , 济 南 黄 台 电 厂 一 号 汽 轮 机 第 十 六 级叶 轮 在 进 汽 端 受 力 侧 产 生 轴 向 裂 纹 长 度 达 毫 米 , 而 径 向 深 度 达 毫 米 , 山 东 炜 庄 电 厂七 号 汽 轮 机 第 九 级 叶 轮 产 生 贯 穿 裂 纹 径 向 深 度 达 刊 毫 米

13、 , 以 及 电 厂 中 常 用 的 犷钢 高 温 螺 检 断 裂 和 锅 炉 导 管 用 厂 钢 管 的 爆 裂 等 总 是 屡 有 所 见 , 迫 切 地 提 出 了必 须 研 究 解 决 能 够 防 止 高 温 构 件 发 生 蠕 变 断 裂 判 据 的 要 求 。 那 么 , 切 实 可 行 的 办 法 , 就 是依 靠 由 现 代 新 技 术 装 备 起 来 的 实 验 手 段 去 进 行 深 索 。 近 几 年 来 , 高 温 蠕 变 条 件 下 的 断 裂 力学 研 究 , 着 重 于 探 讨 静 蠕 变 、 动 蠕 变 、 高 温 应 劳 和 高 温 冲 击 疲 劳 状 态 下

14、 裂 纹 开 裂 扩 展 的 条件 、 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 与 断 裂 力 学 各 参 数 之 间 的 关 系 , 文 献 已 较 详 细 的 作 了 论 述 下 面我 们 结 合 一 些 热 强 钢 的 试 验 资 料 , 着 重 综 述 国 内 外 将 断 裂 力 学 的 一 些 慨 念 应 用 于 高 温 构 件的 蠕 变 裂 纹 扩 展 规 律 的 研 究 现 状 。二 高 温 蠕 变 裂 纹 扩 展 断 裂 过 程 的 分 析在 实 际 工 程 中 , 例 如 火 电 厂 的 高 温 高 压 下 的 燕 汽 俐 管 , 在 长 时 间 的 运 行 下 , 它 的 直 径会

15、 不 断 胀 大 , 管 壁 会 不 断 变 薄 , 当 管 壁 减薄 到 临 界 状 态 时 会 突 然 发 生 管 壁 爆 裂 。 这种 在 一 定 的 工 作 温 度 和 工 作 应 力 作 用 下 金属 材 料 随 着 时 间 的 推 移 而 缓 慢 地 产 生 不 能恢 复 的 塑 性 变 形 称 为 蠕 变 。 它 是 由 于 金 属内 部 晶 粒 之 间 缓 慢 地 滑 移 引 起 的 , 金 属 之所 以 产 生 并 积 累 塑 性 变 形 , 是 由 于 在 一 定温 度 如 超 过 金 属 再 结 晶 温 度 及 应 力例 如 超 过 金 属 弹 性 的 极 限 长 期 作

16、 用下 , 它 承 受 的 应 力 促 使 产 生 塑 性 变 形 并 使其 强 化 , 而 高 温 就 使 已 强 化 的 金 属 产 生 再遥 度 “ 伟 教龙 力 二 角 毅企 吐 仁 一 垦 也 投互 二 一 一 一 一 一 一 一 一厂 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一一已应力、月一 ,乡 习巴 一 熟 旅 钢 记 滑 试 样 峰 交 曲 线冬妥适 度 亡 “ 律 数立 力 魂 奴住裂纹长友价 一上初推攻口 岁 一习 毛图 二 如 虽 扔 带 有 切 口 侧 认 羊 啤 变 裂 倾 丈 扩 展 过 杜 必 托别税父长岌叹八奎采 茹肠计温 度 七 二 至 勿 飞待 锐 , 从

17、 夕了译创咖硼位移夕徽朱结 晶 , 促 使 强 化 消 失 强 化 消 失 后的 金 属 在 应 力 继 续 作 用 下 又 产 生 塑性 变 形 , 并 使 金 属 再 次 强 化 , 而 高温 就 使 再 次 强 化 的 金 属 产 生 再 结晶 , 促 使 金 属 强 化 再 次 消 失 这 样循 环 往 复 地 交 替 发 展 下 去 , 就 构 成金 属 不 断 产 生 并 积 累 起 不 能 恢 复 的塑 性 变 形 , 这 就 是 金 属 蠕 变 的 外 部条 件 与 内 部 晶 体 变 化 之 间 的 内 在 联系 。 基 于 这 种 观 点 来 研 究 在 高 温 持久 应

18、力 作 用 下 带 裂 纹 的 高 温 构 件 ,由 于 蠕 变 将 会 促 使 裂 纹 怎 样 扩 展 并导 致 断 裂 呢 通 过 热 强 钢 例 如八 , 犷 光 滑 试 样 及 切 口 裂纹 试 样 的 蠕 变 试 验 , 分 别 获 得 如 图一 和 图 二 那 样 的 比 较 典 型 的蠕 变 曲 线 , 它 们 都 大 致 分 三 个 阶段 , 曲 线 的 形 状 是 很 相 似 的 。 在 图二 中 还 示 出 了 裂 纹 长 度 及 其 扩 展 快慢 随 时 间 变 化 的 情 况 , 一 般 说 来 裂纹 长 度 愈 小 其 蠕 变 裂 纹 扩 展 也 愈 缓慢 , 蠕 变

19、 断 裂 时 间 也 就 愈 长 , 反之 , 裂 纹 长 度 较 大 时 则 蠕 变 裂 纹 扩展 就 逐 渐 迅 速 增 快 , 蠕 变 断 裂 时 间。 二 孺 育 戴 蕊 丫 “图 三 位 移 丫 和 裂 纹 长度 与 时 可 的 关 杀 曲 线也 就 显 著 缩 短 , 有 的 研 究 者 认 为 , 可 以 近 似 地 将 图 二 中 第 二 阶 段 到 第 三 阶 段 的 转 折 点 确定 为 裂 纹 尖 端 在 高 温 蠕 变 情 况 下 的 起 始 开 裂 点 。 文 献 用 一 不 锈 热 强 钢 获 得 的蠕 变 裂 纹 试 验 结 果 如 图 三 所 示 , 从 第 二

20、 阶 段 到 第 三 阶 段 的 转 折 点 与 由 试 样 断 口 微 观分 析 发 现 的 从 沿 晶 界 滑 移 到 穿 晶 变 形 发 展 为 晶 内 破 裂 从 而 引 起 断 裂 的 过 渡 阶 段 是 基 本 一致 的 。在 文 献 仁 中 介 绍 了 用 转 子 钢 以 一 组 单 边 切 口 平 板 拉 伸蠕 变 试 样 , 在 不 同 的 应 力 作 用 下 所 求 得 的 裂 纹 长 度 随 时 间 变 化 的 曲 线 如 图 四 所 示 。 。沁 在 文 献 中 介 绍 了 对 运 行 七 万 二 千 小 时 后 的 犷 转 子 钢 中 心 切 口 平 板拉 伸 试 样

21、 测 得 的 试 验 结 果 如 图 五 所 示 。 综丁裂戈民性久八西来 合 上 述 图 示 试 验 结 果 可 以 看 出 , 高 温 蠕 变裂 纹 扩 展 的 过 程 大 致 是 金 属 内 部 晶 粒 之间 的 缓 慢 滑 移 在 经 历 相 当 长 一 段 时 间 后 ,逐 渐 发 展 为 裂 纹 成 该 , 开 始 微 观 裂 纹 扩 展阶 段 , 并 逐 渐 发 展 成 宏 观 裂 纹 扩 展 阶 段 , 最后 才 因 决 稳 扩 展 而 导 致 断 裂 , 这 个 过 程 总要 经 历 很 长 的 一 段 时 间 。 一 些 试 验 资 料 表明 , 随 着 试 验 应 力 的

22、 降 低 , 不 仅 裂 纹 成 核 的时 间 增 长 , 而 且 微 观 裂 纹 扩 展 也 变 得 很 缓慢 , 这 是 高 温 蠕 变 裂 纹 扩 展 的 特 点 。 由 试验 获 得 的 高 温 蠕 变 裂 纹 扩 展 的 这 个 特 点 ,就 为 在 工 程 上 对 高 温 构 件 断 裂 时 间 使用 寿 命 的 计 算 堤 供 了 基 础 有 裂退 度 公 二 万 川 泳 誓 夕 劝 呱 , 川 分吕 一 碧 八 、呱 石 一 下 石图 叱一一 一 弓 , 一 一 一一 卜 一 一 门一 的 以 均吕 岁 、司 七 乞以 洲 。 琳 刁 的 蛛 主 裂 纹 扩 展 曲 巧 尸纹

23、或 其 他 缺 陷 的 高 温 构 件 断 裂 时的 总 时 间 应 包 括 从 晶 粒 之 间 缓 慢滑 移 , 裂 纹 成 核 到 微 观 裂 纹 扩 展裂 纹 起 始 开 裂 时 间 , 和 宏 观裂 纹 扩 展 到 断 裂 的 时 间随 着 试 验 应 力 降 低 , 蠕 变 裂 纹 成核 的 时 间 廷 长 , 微 观 裂 纹 扩 展 变得 很 缓 慢 , 因 而 整 个 的 断 裂 时 间也 大 大 增 加 。 基 于 这 个 特 点 就 可以 设 想 如 果 使 应 力 降 低 到 某 一水 平 值 , 就 可 使 裂 纹 成 孩 到 微 裂纹 即 将 扩 展 的 时 期 廷 长

24、 到 恰 好 确保 裂 纹 几 乎 不 扩 展 即 乏 毫米 时 , 用 工 具 显 微 镜 能 观 测 到 ,假 若 通 过 试 验 求 得 这 个 高 温 持通 度 可 乞 、 ,。 了 川 险 二 , 歹 叼 批 吕介 从 凡 何朽加裂灸旋岌了 绍 协 、咖 亡仪遣米, 口 之 不图 五亨 习 乞 小 日 生运 打 七 万 二 千 小 时 声 嘴口 从 钢 的 嘛 豆 毅 纹 灯 展 曲 珑久 界 限 应 力 值 , 就 可 以 在 高 温 钩 件 的 设 计 中 预 先 估 计 其 安 全 寿 命 , 以 取 代 传 统 设 计 中 盲 目采 用 的 “ 强 度 储 备 ” 方 法 。

25、三 高 温 蠕 变 裂 纹 起 始 开 裂 点 的 确 定目 前 , 在 带 裂 纹 试 祥 的 蠕 变 裂 纹 扩 展 断 裂 试 验 研 究 中 , 用 来 描 述 蠕 变 裂 蠕 扩 展 断 裂 过程 的 主 要 特 征 参 量 是 蠕 变 裂 纹 起 始 开 裂 时 间 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 粤 。 在一 比 叼 上 万 ” 可 件 罗 儿 、 上 了 胡 人 以 叭 匕 产 州 “ ” ” , “ 、 一 四 人 夕 践 一 一 “ 认这 里 先 探 讨 一 下 关 于 蠕 变 裂 纹 起 始 开 裂 时 间 的 确 定 问 题 。 从 图 三 至 图 五 中 可 以 看

26、出 , 如 果在 原 始 裂 纹 扩 展 方 向 的 前 沿 处 由 于 高 温 蠕 变 而 萌 生 出 新 裂 纹 , 需 要 经 历 一 段 时 间 后 才 达 到开 裂 时 间 。 文 献 提 出 的 对 缺 口 材 料 试 样 的 蠕 变 裂 纹 起 始 开 裂 时 间 的 估 算 公 式 为。 。 一式 中 的 , 为 试 样 原 始 缺 口 形 状 的 弹 性 应 力 系 数 , 。 为 试 释 持 久 强 度 曲 线 的 斜 率 , 、 为裂 纹 试 样 在 裂 纹 尖 端 处 裂 纹 开 裂 时 间 为 在 一 定 应 力 作 用 下 光 滑 试 样 持 久 断 裂 时 间 。

27、 例如 对 招 钢 , 实 验 结 果 为 , 二 、 。 。 二 高 应 力 侧 、 。 。 二 低 应 力侧 。 由 此 可 知 蠕 变 裂 纹 起 始 开 裂 时 间 与 光 滑 试 样 持 久 强 度 断 裂 时 间 具 有 密 切 联 系 。 在文 献 中 对 于 。 厂 钢 在 下 用 单 边 缺 口 平 板 拉 伸 试 样 获 得 的 试 验 结 果 表 明 ,随 着 工 作 应 力 的 降 低 , 蠕 变 裂 纹 起 始 开 裂 时 间 将 与 初 始 裂 坟 尖 端 的 应 力 强 度 因 子 呈 下述 经 验 关 系“ 。 “ 这 里 还 须 指 出 , 关 于 确 定 蠕

28、 变 裂 纹 起 始 开 裂 时 间 的 理 论 研 究 和 实 验 研 究 的 资 料 都 比 较 少 ,探 讨 建 立 具 有 更 普 遍 意 义 的 表 达 式 , 特 别 是 建 立 与 厂 、 乙 等 之 间 的 关 系 式 , 将 具 有很 大 的 实 用 意 义 , 是 值 得 今 后 大 力 作 进 一 步 研 究 的 。四 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 的 描 述在 研 究 高 温 构 件 蠕 变 裂 纹 扩 展 断 裂 问 题 时 , 都 非 常 重 视 探 讨 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 这 个 特征 参 数 , 它 究 竟 与 断 裂 力 学 有 关 参 量 之

29、间 有 什 么 关 系 , 也 就 是 需 要 选 择 适 当 的 断 裂 力 学 参量 来 描 述 蠕 变 裂 纹 扩 展 规 律 , 这 里 就 现 今 提 出 的 几 种 见 解 综 述 如 下关 于 用 应 力 强 度 因 子 描 述 姗 变 裂 纹 扩 展 速 率 问 题 附 与 次 为 , 由 在 一 定 的 工 作 温 度 和 工 作 应 力 作 用 下 , 带有 裂 纹 试 样 做 的 蠕 变 试 验 求 得 的 蠕 变 裂 纹 扩 展 曲 线 即 裂 纹 扩 展 长 度 、 应 变 与 时 间 二的 关 系 曲 线 中 , 在 稳 定 扩 展 的 第 二 阶 段 时 的 裂

30、纹 扩 展 速 率 , 参 照 帕 尔 斯 尸 经 验定 律 , 可 以 表 示 成 如 下 形 式奈 “ “ “式 中 的 是 张 开 型 应 力 强 度 因 子 的 初 始 值 , 刁 和 是 与 试 验 温 度 、 材 料 有 关 的 常 数 。 试验 资 料 表 明 , 是 取 决 于 裂 纹 长 度 和 应 力 水 平 的 参 量 , 例 如 对 今 淬 火 钢 单 边 缺一 , 一 一 护 一 了 一 一 铲 、 叨 冲 、 、 , , 一 “ 一 “ 产 曰 动 “ 几 一 “ 、 扩 , “ 一 叭口 平 板 拉 伸 试 样 , 在 时 测 得 的 一 “ 、 二 , 对 厂

31、锻 钢 , 在吧 时 采 用 单 边 弯 曲 试 样 , 当 应 力 强 度 因 子 尤 切 军 时 , 而 当 ,。 一 。 叮 。 , 时 。 , 对 冬 粗 晶 钢 存 下 夹 用 单 边 弯 两 试 样 当 尤 二一 一 ” “ ” 一 “ 矛 一 一 一 几 只 口 协 “ 一 甘 、 ” 一 卜 沪 谷 勺 四 份 ” 曰 , 司 一 “ 立 , , 、 , , 。 , , 一 、 , , , 一 一 一 , 、 , ,一 、时 , 而 令 。 犷 细 晶 钢 在 前 述 同 样 情 况 下 , 当 ,一 一 ” “ 一 一 一 ” , 切 一 一 一 内 只 “ 护 切 协 一

32、, ” 门 司 一 “ “ 一 一脚 时 二 这 些 实 验 数 据 表 明 , 在 高 温 蠕 变 条 件 下 , 裂 纹 尖 端 处 的 应 力 特 性 , 仍 可 用应 力 强 度 因 子 来 描 述 。 对 于 式 中 值 的 确 定 , 有 的 资 料 建 议 采 用 , 二 了 万表 达 式 进 行 计 算 , 式 中 的 为 工 作 应 力 “ 、 为 裂 纹 长 度 、 为 修 正 系数 , 文 献 中 介 绍 了 不 同 形 状 试 样 的 的 表 达 式 , 例 如 对 于 边 缺 口 平 板 拉 伸 试 样 , 其为二 , 。 卜 。 , 令 , 了 省 一 一 会 。

33、令 这 样 , 从 式 可 以 看 出 , 根 据 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 就 可 以 估 算 出 当 蠕 变 裂 纹 扩 展 达 到 断裂 时 的 时 间 或 高 温 构 件 的 使 用 寿 命 。 当 工 作 应 力 恒 定 时 , 按 , 二 了 万 可 知 ,随 时 间 的 变 化 率 为一 刃 飞 一 飞 瓦 一十 口 挤 万 一 二 会 一将 式 代 入 式 , 并 经 过 一 定 的 数 学 演 算 变 换 可 得一 么 么 ,一 工 二 对 于 初 始 裂 纹 较 长 , 比 如 口才 夕 时 的 试 验 结 果 表 明 , 的 变 化 对 于 裂 纹 扩 展 的 影

34、响 很小 , 可 以 忽 略 不 计 。 因 此 , 式 可 改 写 为, ,布 轰 了 了 爹 一“ 一 若 名 “ , 产 “ “ 式 中 的 。 是 初 始 裂 纹 长 度 。 。 时 的 值 。 将 式 进 行 定 积 分 , 得 出 断 裂 时 间 为一 若 “ 会 六一 一 一 兰 一 一 一 廷 一 一 一 公 匕 一一 。 “ 一 尤 。 一 “ 尤 “ 一 名式 中 的 为 断 裂 时 间 小 时 , , 为 初 始 应 力 强 度 因 子 , 。 为材 料 的 平 面 应 变 断 裂 韧 性 叮 。 式 及 所 表 达 的 关 系 , 只 有 强 度 较高 、 韧 性 较

35、低 的 脆 性 显 著 的 材 料 适 用 , 对 于 具 有 高 持 久 塑 性 的 材 料 , 这 种 处 理 方 法 就 不 可靠 了 。关 于 门 裂 纹 张 开 位 移 来 描 述 蠕 变 裂 坟 扩 展 速 率 问 题 。有 人 利 用 标 准 矩 形 紧 凑 拉 伸 试 样 , 按 非 线 性 弹 性 休 来 考 虑 , 认 为 沿 加 荷 载 方 向 的 张 开位 移 , 与 所 加 荷 载 及 系 统 的 柔 度 有 关 , 同 时 又 与 试 样 的 裂 纹 长 度 有 关 系 。 将它 们 之 间 的 关 系 取 如 下 形 式。 尸将 式 对 时 间 取 徽 分 , 即

36、犷 尸一 下 丁 一 一 下 丁 一 尸 一 一 万 一 一 万 丁 一 不一 般 在 一 定 工 作 应 力 下 , 试 验 时 取 尸 二 常 数 , 则一 尸二为 了 求 得 系 统 的 柔 度 对 于 裂 纹 长 度 变 化 的 依 赖 关 系 斋一 ,在 常 温 下 进 行 交 变 应 力 试 验时 , 在 加 荷 载 系 统 中 设 法 增 加 一 个 附 加 装 置 仁 , 可 以 收 到 较 好 效 果 。 近 年 来 有 人 采 用 裂纹 跟 踪 技 术 , 但 这 些 技 术 在 高 温 条 件 下 尚 难 很 好 实 现 。 实 验 表 明 , 对 于 一 些 材 料 当

37、 大、 , 二 、 、 、 , 、 , 、 、 , 、 , 一体 上 能 保 持 值 为 常 数 时 , 的 变 化 率 箭 将 与 裂 纹 扩 展 速 率 甫 一 大 致 成 正 比 关 系 。 而 将 二 者 的 关 系 表 达 为 如 下 的 形 式于 几以 咨式 中 的 、 。 为 与 试 验 温 度 、 材 料 有 关 的 常 数 。 但 是 在 很 多 情 况 下 , 二 者 的 关 系 并 不 总 是成 正 比 的 也 就 是 说 要 偏 离 正 比 关 系 , 其 原 因 可 能 有 二 , 第 一 可 能 是 随 着 裂 纹 长 度 的变 化 而 改 变 的 系 统 的 柔

38、度 是 个 变 量 第 二 可 能 是 在 高 温 下 材 料 本 身 所 具 有 的 塑 性 的 大小 将 随 着 时 间 的 廷 长 转 化 为 相 对 地 蠕 变 量 。 因 此 , 裂 纹 嘴 位 移 对 时 间 的 依 从 关 系 与 裂纹 长 度 对 时 间 的 依 从 关 系 是 截 然 不 同 的 , 也 就 是 说 还 不 能 简 单 地 根 据 式 由 试 验 测定 的 奈 来 计 算 奈 。由 于 决 定 裂 纹 扩 展 的 是 裂 纹 尖 端 的 应 力 应 变 关 系 , 因 此 作 为 揭 示 这 种 关 系 的 参 数 , 最好 是 采 用 裂 纹 尖 端 的 张

39、 开 位 移 , 而 不 用 裂 纹 嘴 张 开 位 移 。在 文 献 中 报 导 了 用 热 强 钢 厂 获 得 的 试 验 结 果 表 明 , 蠕 变 裂 纹 扩 展 与 裂纹 尖 端 张 开 位 移 增 加 是 同 时 发 生 的 , 它 们 之 间 具 有 良 好 的 线 性 关 系 。 山 此 提 出 了 蠕 变 裂 坟, 二 、 、 , , , 、 、 、 , 、扩 展 速 率 , 丁 与 裂 汉 天 端 张 升 位 移 扩 张 速 率以 咨 令之 问 的 经 验 关 系 为己一 芍 芯 一 月 一 芍 万 宁口 式 中 的 、材 料 的 门 价二 而 又。 为 与 试 验 温 度

40、 、 材 料 有 关 的 材 料 常 数 , 。 值 约 在 之 间 , 值 则 随状 而 定 。 司 如 了 一 下 , 对 于 持 久 塑 性 较 好 的 万 厂 钢 , , 。具 有 回 火 贝 茵 休 组 织 的 持 久 塑 性 差 的 厂 钢 , , 二 。由 于 通 过 试 验 测 定 裂 纹 尖 端 张 开 位 移 齐 要 比 测 定 裂 纹 嘴 张 开 位 移 更 困 难 , 目 前 尚 无 好 的办 法 。 在 文 献 中 报 导 了 利 用 蠕 变 裂 纹 开 裂 后 从 金 相 断 口 上 测 定 乙 , 再 根 据 所 测 得 的 乙与 同 。 、 、 。 得 的 夕

41、的 关 求 得 弓 导 一 。 我 国 电 力 工 业 部 西 安 热 工 所 在 文 献 中 也 报 导 了类 似 的 试 验 成 果 。 文 献 的 作 者 建 议 根 据 “ 塑 性 铰 ” 原 理 , 假 设 在 紧 凑 拉 仲 试 样 的 未 被劈 张 开 的 韧 带 巾 某 处 存 在 一 个 “ 塑 性 铰 ” 结 点 , 这 样 就 可 以 在 由 裂 纹 嘴 位 移 算 出 裂 纹尖 端 方 移 各 以 后 得 一登 。关 于 用 琳 积 分 来 描 述 蟠 变 裂 纹 扩 展 速 率 问 题由 于 高 温 蠕 变 和 塑 性 变 形 在 一 定 条 件 下 具 有 类 似

42、性 , 年 以 来 , 有 些 人 曾 尝 试 把积 分 应 用 到 分 析 蠕 变 裂 纹 扩 展 规 律 的 研 究 中 。耐 。 和 。 在 文 献 中 报 导 了 按 照 二 维 问 题 的 积 分 定 义 , 又 重新 定 义 了 一 个 新 的 参 数 积 分 为一 研 、 夕 一 、 认 ,一 、 式 中 的 研 二 互 一 “ 昌在 这 里 必 须 注 意 , 积 分 与 彩 飞 分 的 差 异 , 仅 在 于 用 应 变 率 和 位 移 率 替 换 了 应 变 和 位 移 ,这 就 更 接 近 于 塑 性 增 几 理 论 , 而 克 服 了 墓 于 弹 塑 性 理 论 的 全

43、 量 理 论 建 立 起 来 的 积 分 只 适川 于 “ 小 范 围 属 服 ” 和 “ 简 单 加 载 ” 的 不 足 。同 理 , 根 据 积 分 的 另 一 定 义 , 即 形 变 功 率 定 义刀二 一 一 , 于式 中 的 为 试 样 所 接 受 的 变 形 功 , 也 可 以 提 出 供 试 验 测 定 的 积 分 的 定 义 为关, 一 一 二 ,万“ 以式 中 的 寮 是 形 变 功 率 或 能 量 变 化 率一 凡 艺 , “ “所 以 , 积 分 如 同 积 分 一 样 , 也 可 以 通 过 实 验 方 法 进 行 标 定 。关 于 用 净 截 面 应 力 描 述 蠕

44、变 裂 纹 扩 一 展 速 率 问 题有 不 少 人 在 用 软 钢 类 低 张 度 高 塑 性 材 料 做 缺 口 试 样 的 剩 余 强 度 试 验 时 发 现 , 在 裂 纹 实际 上 扩 展 前 , 就 出 现 了 净 截 面 上 应 力 达 到 屈 服 极 限 的 情 况 , 这 时 裂 纹 的 扩 展 将 直 接 与 净 截面 上 应 力 的 增 加 有 关 , 在 高 温 蠕 变 条 件 下 也 有 类 似 情 况 。 这 时 若 用 断 裂 力 学 参 数 、 积 分 等 , 显 然 就 不 合 适 了 。 因 此 , 考 虑 到 由 于 高 温 蠕 变 时 裂 纹 尖 端 应

45、 力 场 会 因 屈服 而 松 驰 所 造 成 的 明 显 影 响 , 所 以 用 净 截 面 应 力 。 。 。 的 某 种 函 数 来 描 述 蠕 变 裂 纹 扩 展 速率 将 会 更 可 靠 些 。 文 献 报 导 了 用 奥 氏 体 不 锈 钢 在 到 范 围 内 蠕变 裂 纹 扩 展 速 率 随 净 截 面 应 力 变 化 的 情 形 , 并 提 出 经 验 公 式 为。 日一 ,万 一 工 上不 召 式 中 的 。 。 , 为 缺 口 试 样 的 净 截 面 应 力 对 。 “ 、 日 为 与 试 验 温 度 、 材 料 有 关 的 材料 常 数 。 对 于 月 奥 氏 体 不 诱

46、 钢 , 在 下 材 料 常 数 方 一 , 日 二 对于 汽 机 转 子 钢 , 在 下 , 板 试 样 的 “ 火 ” 、 日 二 , 棒 试 样 时“ 一 ” 、 日 。 不 少 试 验 结 果 证 明 式 表 达 的 直 线 关 系 是 成 立 的 。试 验 表 明 , 随 着 蠕 变 裂 纹 的 扩 展 , 净 截 面 应 力 。 , 就 不 可 能 保 持 为 定 值 。 因 此 式中 存 在 一 个 如 何 确 定 。 。 的 问 题 , 文 献 巨 在 采 用 双 悬 臂 梁 试 样 试 验 讨 , 引 入 了一 个 “ 参 考 应 力 ” 的 慨 念 来 解 决 这 个 问

47、题 。 其 参 考 应 力 。 按 如 下 正 比 关 系 来 确 定 , 即尸 场 巧式 中 的 为 材 料 的 屈 服 应 力 或 屈 服 极 限 尸 为 所 加 实 际 荷 载 尸 为 出 现 塑 性 失 稳时 的 荷 载 。 由 此 来 间 接 的 确 定 出 净 截 而 应 力 。 从 已 见 到 的 资 料 可 以 看 出 , 用 净 截 面 应 力。 。 , 来 描 述 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 是 有 效 的 它 对 予 测 蠕 变 断 裂 将 是 一 个 成 功 的 指 标 。五 影 响 高 温 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 的 主 要 因 素厂泞了温 度 对 蟠 变

48、 裂 纹 扩 展 速 率 的 影 晌在 文 献 中 报 导 的 试 验 资 料 表 明 , 温 度对 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 有 明 显 的 影 响 , 如 图 六 所示 , 随 着 温 度 的 升 高 蠕 变 裂 纹 扩 展 速 率 也 显 著加 快 , 例 如 厂 钢 , 当 应 力 强 度 因 子值 一 定 时 , 在 时 的 裂 纹 扩 展 速 率 约为 。 。 时 的 责 , 而 在 。 。 。 。 时 的 懦 变 裂 、扩 展 速 率 约 为 时 的 倍 。蠕 变 速 度 对 姗 变 裂 纹 扩 展 速 率 的影 响由 前 述 光 滑 试 样 蠕 变 曲 线 如 图 一 可

49、知 , 在 蠕 变 曲 线 中 第 二 阶 段 的 蠕 变 速 度 与 工 作万 叹。 了 海沪手不吮 了了里牛 ,卞了 砚。护,众了、中尤 护由界,、舀旅 云 乃 牛 咬 了国 厂 、 班 之 温 度 对刃 展 速分 琢 主紊 。 影 。 句应 力 之 间 关 系 的 表 达 式 为匕 二式 中 的 为 蠕 变 速 度 。 为 工 作 应 力 为 与 试 验 有 关 的 材 料 常 数 为 蠕 变 指 数 。 文 献 报 导 了 对 刃 钢 的 试 验 结 果 , 摘 于 下 表 , 由 表 可 见 , 在 到 的 。 时 , 式中 的 常 数 日 与 蠕 变 指 数 值 很 相 近 , 基 于 这 种 情 况 , 可 将 式 与 式 合并 , 则