汽轮机转子低周疲劳与高
温蠕变的寿命计算及应用
前言
随着经济的快速发展，我国电力行业已经发展到历史上最为辉煌的时期。电力工业是现代化国家的基本工业，电力生产量更是一个国家家经济发展水平的重要指标。截止到2009年底，我国总装机容量达到87407万kw，超超临界压力1000mw机组已有数十台投入运行。与此同时，国家对于节能减排的重视，使得我们面临新的机遇，新设备，新技术的不断涌现，同时也给我们提出了更高的要求。目前各国都不同程度的遭遇或将遭遇的主要问题是电网发电量不足、电峰谷差逐渐增大及火电机组老化等[2][3]。因此，世界各主要发达国家都非常重视火电机组寿命管理的研究，尤其是研究汽轮机转子寿命评估。对此作了大量的工作，并取得不少成果。
目录
摘要 (1)
第一章绪言
1．1 课题意义 (2)
1．2 汽轮机转子寿命研究现状 (3)
1．3 目前存在的问题 (3)
第二章本文的研究内容
2．1 研究对象 (4)
2．2 研究内容 (5)
第三章转子热应力的计算模型
3. 1 转子温度场的数学模型 (7)
3. 2 应力场的数学模型 (10)
3. 3 有限元理论分析 (12)
第四章转子蠕变损耗寿命
4．1 金属疲劳机理及高温力学性能的研究 (14)
4．2 材料硬度和机组蠕变寿命损耗之间的关系 (16)
4. 3 蠕变寿命损耗计算 (18)
第五章转子低周疲劳寿命损耗计算
5 .1 汽轮机转子低周疲劳失效 (21)
5. 2 转子低周疲劳损伤及寿命计算 (23)
第六章疲劳——蠕变计算的应用及价值
6.1 疲劳——蠕变计算的应用及价值 (24)
结论 (25)
参考文献 (25)
摘要
现代化的电力系统，电力负荷峰谷差及总量逐渐增大，高参数、大容量的火电机组在今后必将参与调峰。这就对汽轮机组提出了更高的要求，为了满足电网的需求，从运行的经济方面说这样的快速启停可以降低机组的热量损失，从而使得机组运行更经济。与此相矛盾的是机组快速启停必将导致发电设备在此过程中遭遇热冲击，使得机组的寿命损耗增大，这又是非常不合理及不安全的。所以对汽轮机的预期寿命必须加强管理，保证热力发电机组的安全、经济运行。
本文从电厂汽轮机转子寿命管理的实际情况出发，以300MW汽轮机组为研究对象，进一步对转子的寿命损耗进行了计算，根据金属材料的疲劳机理，在计算中对材料老化造成的硬度变化值做了修正，研究了疲劳蠕变损耗间的耦合计算。经综合分析及计算结果，合理建议了汽轮机转子寿命管理。
关键词：汽轮机转子；硬度值；热应力场；高温蠕变；寿命损伤；
第一章绪言
1.1课题意义
电力工业是现代化国家的基本工业，电力生产量更是一个国家经济发展水平的重要指标。现阶段各国都呈现出能源短缺的局面，可是电力的生产及消费占据着能源领域中非常重要的地位。
汽轮机组可快速启停及负荷变动是调峰运行要达到的高度，这也是为了对电网负荷的要求及时响应。热力发电设备如汽轮发电机组的特点是工作在高速、高温、高压的环境，设备运行的安全性特别重要。因为汽轮机组运行在变工况模式下，设备部件承受的载荷，随工况变化程度的加剧而增大，对机组的寿命损害也必将更加严重。所以调峰运行会对电站运行的安全性及经济性影响重大。虽然机组工作年限平均设定在25～30年，可是电厂从节约成本及满足电力需求的角度考虑，还需尽量利用在役机组，所以既使机组已达到甚至超过服役年限也不会马上停产。因此，研究发电机组的寿命问题对发电设备是否在安全、经济的模式下工作非常重要。
汽机转子的寿命问题在发电设备寿命问题中比较突出[3]。因为转子长时间在高温、高压的恶劣环境下作业，温度在机组启停过程中剧烈的变化，非常容易产生裂纹。而出现转子上的裂纹难以修复，因此可以说转子的寿命可以代表整个汽轮机组的寿命。实际上，研究汽轮机转子的寿命管理，不管是对调峰机组还是对只承担基本负荷、中间负荷的汽轮发电机组都很具价值，且将产生巨大的经济、社会双重效益。
1.2汽轮机转子寿命研究现状
汽轮机转子运行在高温、高压的恶劣环境下，机组的长期运行必将产生寿命损耗：其一，低周疲劳损耗，是由机组在其启停过程中产生的热应力变化造成；其二，高温蠕变损耗，是由高温疲劳造成的。近年来，火电机组不断追求大容量、超临界，汽机研究者对转子的寿命损耗非常关注，进行了较为深入的研究。
1.3 目前存在的问题
世界各国尽管在理论上对汽轮机转子寿命评估的研究，取得很大的成绩，并
提出了许多的计算模型，如最大应变范围划分法、频率修正法、应力修正法等。因为现如今对于疲劳-蠕变交互作用机理并未透切，这些模型虽在一定程度上课解决疲劳蠕变引起的问题，但进行预测都不很精确，所以它的评价方法尚难确定。现今在这方面的研究仍存在的几个问题如下[3]:
(l) 材料老化对寿命的影响[4];
(2) 带裂纹转子可靠性研究[5];
(3) 热冲击问题的研究[6];
(4) 低周疲劳曲线的合理使用[7];
(5) 汽轮机强迫冷却安全分析[8];
(6) 无损诊断方法[3]。
本文着重对材料老化对寿命的影响进行了计算分析。
第二章本文的研究内容
2.1研究对象
本论文的研究对象为某电厂正在运行的汽轮机，该机组已运行十年，本论文的一些基本参数均出自该厂的实际运行数据。该汽轮机生产型号为N300-16.7/537/537，由上海汽轮机有限公司生产。高压转子是由整体合金钢锻件加工而成，转子带有中心孔，材料为30Cr1Mo1V。机组采用高中压合缸的方式布置，所以高中压汽缸中段是高温部分集中处。本文用于计算的转子简化模型见图1.1.
图1.1 转子简化模型
2.2研究内容
在确保机组安全的基础上，寻求机组启动过程的最佳温升率，达到延长汽轮机转子使用寿命的目的，再而提高机组启停的经济性。本论文的主要研究工作如下：
（1）以热力发电机组及转子的工作原理为理论基础，把握汽轮机组在运行工况下的基本情况，熟悉火力发电厂的整个流程及各系统的运行机理;
（2）研究转子温度场、应力场的有限元计算原理，确定计算几何模型，简化模型并对其划分网格；
（3）学习ALGOR有限元软件，并运用该软件对转子进行有限元计算及热应
力分析。根据有限元的计算结果，研究转子在各工况下温度场及应力场的分布情况，考察转子基本热应力的变化规律；
（4）研究金属材料的疲劳机理，引入材料硬度这一特性参数，确定金属材料硬度计算方法及与机组运行时间之间存在的变化关系。机组正常运行时，因高温引起的蠕变寿命损耗占主导，基于金属材料硬度随时间变化的情况下，考虑其对转子高温蠕变损耗的影响；
（5）汽轮机转子在机组启动过程中因为承受交变热应力而产生低周疲劳，探讨低周疲劳的基本特征及影响因素，采用连续介质模型，并考虑转子材料硬度情况，对转子低周疲劳寿命损伤进行计算；
（6）机组的疲劳寿命损耗与蠕变寿命损耗并不是独立存在，疲劳中的蠕变成分随着温度的升高逐渐增加，这就必须以考虑疲劳-蠕变的相互作用为前提，计算总损耗。本文采用常用的线形与非线性累计理论进行计算，并对比计算结果；
（7）探讨温升率对机组寿命损耗的影响，并基于转子材料硬度变化时怎样调节机组启动温升率，以使得机组寿命损耗量低；
（8）计算结果综合分析，为转子寿命管理提出合理建议。
第三章有限元及转子热应力数值计算理论基础
3.1转子温度场的数学模型
由于汽轮机转子本身的对称性，在对转子不稳定的温度场进行计算时，可把转子材料视为各向同性的且分布均匀，整个转子无内热源。在可以满足较长的时间、较大计算机内存、较复杂的准备数据工作条件下，可以利用轴对称二级有限元法求解温度场。根据能量守衡定理和傅立叶定律，温度)(τ、、r z t 在D 区域中满足的偏微分方程如下式：
???
? ????+??+??=??22221r t r t r z t C t p ρλτ （2.1） 式中： r ——径向坐标；τ——时间间隔；λ——材料的导热率；
p C ——材料的比热；ρ——材料的密度。
对式（2.1）进行求解需要得知的物体边界上的边界条件和初始条件）（r ,z f t 0-=τ，对汽轮机转子而言，边界条件即传热学中第三类边界条件，也就是转子表面的换热速度，由介质与边界的换热条件得： )(-t t n t
f T +-=??αλ （2.2）
式中：α——转予表面与蒸汽的放热系数
f t ——接触转子表面的汽温
当放热系数α=0时，式(2.2)可以化为绝热边界条件，无交换热量，例如转子中心孔边界；若+∞→α时，被加热物体表面与介质的温度相等，第三类边界条件变成第一类边界条件[31]。
式(2.2)中的第三类边值问题由变分原理，转化成式（2.3）的极值问题：
222J[(,,)](){[()()]}22f p T D
t t t t z r t t t rds C t drdz r z αλρταργτ???=-+++??????
（2.3） 0t )],,([J =??τr z t
在求式（2.3）的极值时，离散区域D ，由于全部单元是整个区域D 分散成的，故有：
01=??∑=k E
i i
t J （2.4）
边界单元：
drdz r t z t t t C rds t t t D
p jm f ?????+??+??+-=]})()[(2{)2(J 222e λρτγραα （2.5）
内部单元如下：
drdz r
t z t t t C p ????+??+??=ελρτγ
ρ]})()[(2{J 22e （2.6） 假设温度),,(t τr z 在单元体中是线性分布的基础上，对单元体进行变分计算，得：
J J J e i i ii ij im i i ii ij im e j j ji jj jm j j ji jj jm e m mi
mj mm m m mi mj mm m T k k k p T n n n T k k k p T n n n T k k k p T n n n τττ??????????????????????????=-+????????????????????????????????????????
（2.7） 式（2.7）中i 、m 、j 分别为三角单元三个顶点处的编号。见图2.1。
图2.1 三角单元
由式（2.5）及式（2.4），可以联合求解节点处的温度，节点总数为n ，得到的变形式见下：
{}[]{}{}[]0t K P t N τ-+??= （2.8）
式（2.8）中[]N 是n n ?变温正定对称矩阵，[]K 是n n ?刚度正定对称矩阵；
用伽辽金格式对{}τ??t 项进行有限差分展开，则式（2.8）变为：
[][]{}{}[][]{}-23t t 3-P K N N K ττττ?+?=?+（）（）
（2.9） 式（2.9）稳定的条件：
[][]-+30K N τ?≥
（2.10） 在第一类边界条件下，τ?的限定条件为：
（2.11）
式中：ρ、λ、p c ——分别是转子材料的密度、导热率和比热；
x ?——三角形单元的平均边长。
3.2 应力场的数学模型
解出在非稳态温度变化下的单元上各节点位移，是求解转子应力场的关键。实际运行中，机组的温度场都是不稳定的，在该条件下求解单元内的应力及应变，系统中单元各节点的位移用列矩阵表示为：
{}[][]T
m m j j i i T r m r j r i w u w u w u ==δδδδe （2.12） 单元内的位移为：
{}[]{}[]
{}e e δδI N I N I N N w u f m j i ==??????= （2.13）
这里i N 、j N 、m N 为位移形函数，把上式代入下式几何方程中：
{}{}T
rz z u r w z w r u r u ??????????????==γεεεεθz r （2.14） 可知单元内的应变为：
{}[]{}[]{}e m j i B B B δδε==e B （2.15） 若考虑温度热载荷效应，则应变为： {}{}{}T
T o t t t t 01110ββββε== （2.16） 得到应变后，可以利用弹性力学求出应力：
λρτ4/)(2x c p ?≤?
{}{}[]{}{}[][]{}{})()(00εδεετσσσσθ
-=-==e rz z r B D D
（2.17） []()()?????????????
?-----+=221000*********μμμμμμμμμμμμE D （2.18） 其中[D]是弹性矩阵，在轴对称前提下，单元的虚功方程见下式：
{}{}{}{}dz rdrd R e T
e
T θεσδ???**=)( （2.19）
其中：
{}[][][]{}e T e rdrdz B D B R δπ??=2 （2.20）
单元节点位移列阵{}e δ与上式中右侧项相乘的矩阵即为单元
刚度矩阵：
[][][][]rdrdz B D B K T ??=π2
（2.21） 总体合成后，得到的载荷列矩阵是：
{}{}∑==E e e e
R R 1 （2.22） 整体刚度矩阵是：
[][][][][]112C C e T
c c K K D B B rdrdz π====∑∑?? （2.23） 求单元节点位移量的方程组：
{}[]{}K R δ= （2.24）
体积力的等效节点力：
{}{}[]rdrdz N p P T e ??=π2
（2.25） 集中力的等效节点力：
{}{}[]a 2g T
e F r N π= （2.26） 表面力的等效节点力：
{}[]{}2T
e Q N q rds π=?? （2.27） 温度变化引起的节点力：
{}[][]{}rdrdz D B H o T e επ??=2 （2.28） 单元上的等效节点力：
{}{}{}{}{}e e e e e F P H Q R +++= （2.29） 总等效载荷列阵可写成：
{}
{}{}{}{}{}F P H Q R R E
e e e +++==∑=1 （2.30） 求解方程（2-30），得到节点及单元的应力分量，再利用Von Mises 公式就可以得到节点的位移值：
22223)()()(2
2rz z Q Q r r z eq τσσσσσσσ+-+-+-= （2.31） 上面给出了三种元素法，但是为追求更高精确度，采用等参单元[32]可以满足
要求。不过相对而言，上机前的准备工作量会比较大，而且占机时间较长。
在机组启动过程中，蒸汽温度和放热系数即边界条件都是随时间变化而变化的，随着温度的变化，转子金属材料的物性也改变，因此转子温度场及应力场的计算是非线性瞬态分析。牛顿－拉普森迭代方法可以很好的解决非线性瞬态问题的刚度矩阵变化这个问题。
3.3有限元理论分析
3.3.1有限元的思想
现今，随着社会的进步，电子计算机发展迅速，有限元法普遍应用在各类工程计算及研究领域，此法的机理把连续的求解域分成相互间用点联系的有限个小单元。在这些单元体内假设成相似解的模式，单元的特性用这有限个节点上的未知参数表征，之后采取恰当的方法把各单元的关系式组合成方程组，这些方程组
包括这些位置参数，通过求解方程组得到各个节点的未知数，近似解由插值函数求得。计算步骤如下：
(1)划分单元：把结构分成有限个单元，以节点连接单元与单元；
(2) 单元刚度矩阵计算：形成结构总体刚度矩阵；
(3) 求结构总体载荷列阵：先要将非节点载荷等同转到节点上；
(4) 求节点结果；
(5) 综合以上各步的求解结果计算整个物体。
求解矩阵方面的问题是有限元求解问题的关键。实际应用中，有限元法都转换为非线性的方程组的求解。
3.3.2有限元的热分析
热分析用于分析如热梯度、热量的取舍流损、热流密度等某个部件或系统的热应力与热物理参数。以下几个方面是有限元进行的热分析。
(1)热分析的机理及热量的传导
ALGOR 热分析可求得如节点及单元的热梯度、热流密度等其他相关参数，进一步与结构分析结合求出结构的热位移和热应力等。其中，遵循热力学第一定律的热分析，其表达式为:
P K Q W E U E -=?+?+? （3.1） 流体与它所包围的固体间，因为温差的存在而产生热量的交换就是热对流。本文提出利用ALGOR 有限元分析软件中的热分析功能计算转子的热应力场，并以此为基础，分析疲劳、蠕变损伤。计算转子温度场时，转子表面温度和蒸汽流体温度不同将会产生温差，这属于热对流的问题范畴。
牛顿冷却方程：()n s b q h T T =- （3.2） 其中：h 、b T 、s T 分别为对流换热系数，周围流体温度，固体表面温度。 瞬态传热过程是指某个系统的加热或冷却过程。在此热量传替的过程中，系统中随时间变化存在明显变化的有系统的热流率、热边界条件、温度。由能量守恒原理，瞬态热平衡可以用矩阵形式表达为如下公式：
[]{}[]{}{}K T C T Q += （3.3）
其中，[]C、[]K、{}T、{}T、{}Q分别为比热矩阵，传导矩阵(包含对流系数、热辐射率、导热系数、形状系数)，温度对时间的导数，节点温度向量，节点热流向量。
（2） ALGOR软件计算流程及说明
ALGOR有限元分析计算，软件自动运行进行计算，不需人工操作，一般步骤如下:有限元的前处理阶段、求解阶段、后处理阶段。所需的数据由前处理定义求解，用户可定义材料特性和实常数、选择单元类型和坐标系统、实体模型建立并对其剖分网格、定义约束和耦合方程及控制单元和节点[37]。前处理阶段对要分析的几何体进行建模，之后有限元程序启动对模型进行求解。在求解阶段，用户可自行根据需要定义类型、确定载荷步及个参数的选取，再就是进行有限元的求解。最后进入到有限元的后处理阶段，查看计算结果并对其进行检查核对，对所计算得模型进行客观评价，保存数据以备下一步使用。有限元分析的过程见图3.1.
图3.1 汽轮机转子热应力的有限元分析框图
第四章转子蠕变损耗寿命
现代大容量、高参数的汽轮机组为满足电力工业的需求，转子需要承受更大的交变热应力，这就意味着转子金属材料将面临蠕变损伤及破坏机制的双重考验。现阶段一般使用累积损伤理论对机组正常运行时转子材料的高温蠕变损伤进行分析，该法考虑问题简化，尤其是忽略了材料在经受复杂应力情况下的蠕变损伤，因此所得的结果与实际相差较大。损伤力学能从微观上全面分析材料的结构应力分布、机械性能及材料微观上的演变特性。因此，在研究金属材料微裂纹的发生到宏观裂纹出现直至机械构件发生破坏的整个过程[3]。目前，损伤力学广泛应用在金属材料疲劳、蠕变分析研究等领域。
汽轮机带负荷长期运行在高温、高压环境中，转子材料必将产生蠕变损伤。本章以第三章有限元热应力分析的结果为基础，接下来分别采用累积损伤理论与连续损伤力学模型进一步计算汽轮机高压转子的蠕变损伤 ,对比两种方法所得的计算结果,以此得出有利于机组运行的结论。
4.1金属疲劳机理及高温力学性能的研究
本节将分两部分进行讨论：一、金属疲劳破坏的特点与过程；二、高温疲劳和蠕变的机制，即高温力学性能。目的在于通过基础理论进行硬度和疲劳、蠕变间关系的分析，在分析过程中将引入“硬度”这一金属性能指标。
4.1.1金属的疲劳机理
疲劳破坏主要是由交变应力引起的，在该应力不断作用下发生损坏，与脆断的区别是，微观上也可看出是逐渐形成的疲劳裂纹，屈服强度一般高于造成疲劳断裂的应力。从局部薄弱的地区开始疲劳破坏，而这些地区也是造成应力集中的部位，它是由几何形状引起的。
看裂纹形成从微观上是集中在某一些晶粒内存在滑移带，位置不变，也称驻留滑移带。形成驻留滑移带后，就会造成材料的“软化”现象，这是因为整个材料的塑性变形大部分集聚在驻留滑移带内，它的位错结构与周围基体不同，比周
围的基体的软。在研究低周疲劳时，发现在循环加载时材料出现软化现象。显然，材料在循环加载的过程中出现软化现象非常不利。
4.1.2金属的高温力学性能
蠕变通常发生在承受持续载荷力和高温的相互作用下，金属材料就会产生塑性变形，这种变形随时间而发展。从上一节知，疲劳引起的塑性变形在较低温度下是由晶内的滑移机制进行，可在高温时，材料高温强度是由晶界强度决定的。由材料的基本特性可知，材料处在低温环境中其塑性较好。在高温作用下，环境介质的腐蚀性必将随温度升高而增加，这就使得高温下裂纹的生成和发展大大加速。断裂方式由晶内到晶界的变化，是因为随着温度的升高材料晶间强度和晶粒强度都下降，且因为晶界上的原子排列混乱，晶界强度下降加速。“高温强度”这一指标常用在高温下衡量金属材料发生塑性程度变形的能力，它对材料工作在高温下是非常重要的质量指标。可是在现有的计算转子高温蠕变时，并没有认为高温强度是重要指标。部件在高温、高压条件下工作，总是在交变应力的长期作用下会失效，所以对这些部件的安全高温低周疲劳性能非常重要。
4.2材料硬度和机组蠕变寿命损耗之间的关系
以上一节的理论为基础，本节将从材料的硬度出发，分析转子蠕变疲劳损耗和转子材料硬度之间的关系，在计算中引入硬度的修正，并对其与实际情况进行比较。
4.2.1转子材料的硬度
硬度是表征材料软硬程度的一种力学性能指标，本文采用维氏硬度（Vickers hardness），单位N/mm2。它是根据单位面积上压痕的载荷表征硬度的。
汽轮机转子材料质量因为长期工作在高温下，必定会发生改变，如金属材料因为疲劳、蠕变的作用就会造成材料脆化和软化，反过来材料抵抗疲劳和蠕变的能力也就会下降，在机组表面产生裂纹，这对机组安全运行显然是不利的。联合汽轮机转子工作的实际情况，金属材料在高温高应力作用下长期作业，材料定会
出现老化现象，宏观表现在材料的硬度逐渐下降，甚至出现裂纹。很多学者在这方面做了大量实验，并取得了较多成果，图4.1[40]是一某汽轮机为原型，该机组实际服役14万小时后，对其高中压段转子材料硬度进行测试，其结果在图中给出。
图4.1 汽轮机机组运行14 万小时的转子硬度从图4.1看出，转子再投入运行起始，金属材料具有相同的硬度，但转子的不同部件在运行一段时间之后的硬度却存在很大差异。明显可以看出，转子的高温运行段硬度虽然有波动，但硬度是最低段，此区间段也恰好是考察寿命损耗的重要部位。而联轴节处这些相对低温运行的区域却维持较高的硬度值。转子硬度在机组大修时可以直接测量，新材料的初始硬度就可用联轴节处的硬度。
影响转子硬度的具体性能指标是什么？从图 4.1看出重要影响因素是运行时间和环境高温，除此之外，由研究疲劳机理知疲劳（交变应力）同样是重要的影响因素。
Larson–Miller参数把两个影响因素时间和温度相结合[41]：
(20log)
=+（4.1）
P T t
T为运行温度，K；t为运行时间，h；文献[42]对运行时间、运行温度及转子硬度间的相互关系进行了相关实验，结果见图4.2。
图4.2 硬度下降与L-M参数P间的比例关系
从图4.2可知，硬度在L–M参数P为16时开始有下降的趋势，从19开始下降， 20开始急速降低。以后面计算转子工作温度为例，设定运行温度正常是537℃，在机组正常运行累计10a后，P参数为20132.48，硬度下降为原来的94%，假如初始硬度是260 N/mm2，此时则是242.98 N/mm2。
4..3蠕变寿命损耗计算
通过对金属疲劳机理的分析及对机组寿命损耗的计算，得知转子材料的硬度与机组寿命损耗息息相关，直接影响着机组运行的安全性。转子长期在高温及交变应力的共同作用下金属材料必将发生蠕变，机组从启动到正常运行，温差跨度很大，蠕变随着转子温度的上升而逐渐累积越发明显,这对金属材料蠕变要求也随之提高。
机组启动结束后，工况已经稳定，转子在该条件下运行，其断面上的温差已基本不存在，但因为转子在转动过程中受到离心力的作用，转子存在该力造成的切向拉应力[4]，轴面约为40MPa，中心孔处是106MPa, 弹性槽和叶轮根部为75Mpa，接下来对中心孔处的蠕变损耗进行计算。采用前面的公式，由CrMoV材料蠕变实验可知，一定的
工作应力σ下，维氏硬度HV 与L –M 参数P 的关系见下式：
()()20log j
j j j P a b HV σ==+∑ （4.5）
式中：j a ，j b 是材料常数；σ—蠕变应力,转子离心应力与残余热应力（少量）的合应力。
L –M 参数P 与金属材料蠕变断裂时间存在以下关系：
()log 20h P T t =+ （4.6） h
h t φ= （4.7） 式中： T —运行温度，单位 K ；φ—蠕变寿命损耗；h —运行时间；h t —蠕变断裂时间。
机组正常运行时具有较高的温度，在计算蠕变寿命损耗时，因为数据统计多，需要把数据分段，计算精度随温度分段变化，分段越细越准确。本章以每10℃为一段，共分为六段，为490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃。490℃以下视为490℃，540℃以上的视为540℃。现将机组运行10年来的数据统计，通过以上的计算公式，以年为单位计算每年的蠕变寿命损耗 ,计算结果详见4.3。
表4.3 机组正常运行时转子的高温蠕变年寿命消耗数 年
每计算段处于相同温度小时数 年运行时间 硬度 蠕变寿命消耗% 490
500 510 520 530 540 1
97
269 517 390 1987 520 3780 258.9 0.00036 2
187
364 436 550 2423 2732 6692 257.87 0.00324 3
208
357 520 610 2591 2593 6879 256.33 0.00596 4
219
417 452 650 2411 2755 6904 254.85 0.00784 5
236
372 384 463 2207 3339 7001 252.78 0.00906 6
213
300 398 427 1799 3709 6846 250.16 0.00957 7
194
310 403 576 1807 3517 6807 248.67 0.01008 8 1444236770 2460.010
87
13 41 32 109 188 .21 78 9
146
324 378 496 2221 2893 6458 244.86 0.01149 1
118 308 369 433 2157 3052 6437 242.98 0.01201 合
计 64830 0.08039
从表4.3可以看出，该运行机组10年来总蠕变寿命损耗为8.039%，显然比汽轮机寿命分配表中的6.67%大很多，这说明随着硬度的降低，转子蠕变损耗是个时间的变量，而且其损耗量不断增加，出于对机组安全运行的考虑，在计算蠕变寿命损耗时必须要基于材料硬度变化的考虑。
图4.5 蠕变寿命损耗随时间的变化曲线图
由表4.3的计算结果，利用origin7.5进行拟合，可得到蠕变寿命损耗与机组运行时间的变化曲线，见图4.5，从该图可以看出，蠕变寿命损耗与运行时间并不呈现简单的线性关系，拟合关系表达式为：
47122143
6.590710 4.837110
7.056310 3.967310c h h h φ----=-?+?-?+?
（4.8）
式中：c φ——高温蠕变寿命损耗；h ——运行时间。
高温蠕变疲劳试验机 一、主要技术参数 工作介质液压油 试验压力范围0.5-10MPa，,1-20Mpa，21-30 Mpa 试验环境温度室温 时间显示电脑显示 压力曲线显示数据采集软件实时显示 打印报告试验完毕可以打印试验报告并保存 试验数据 试验数据保存可以保存报告及试验过程记录 压力显示精度0.01MPa 控压精度1% 工作温度高温 电源380V 应用范围容器 二、产品介绍 高温蠕变疲劳试验机主要用于各种容器、管件、阀门、管道等的脉冲试验。可对试验压力，试验温度，试验次数等进行控制，最大试验压力30Mpa，支持断电自动保存数据。 试验机箱体是由液压系统和热交换系统，控制仪表等组成的一个有机体。在门都安装闭合检测开关，进行测量检测，以满足试验安全性。整个控制系统采用工业控制计算机＋二次控制仪表系统＋传感器开关控制模式，并对所有的开关量进行闭合PLC监控，采用逻辑关系，保证系统的安全和可靠，能够进行故障记录，
自动系统锁定逻辑，保证无人值班的试验安全。 三、典型应用： 换热器高温蠕变疲劳试验 热交换器高温蠕变持久松弛试验 四、特点 1.使用安全。工件自动检漏和停机； 2.可存储最近30万次循环的脉冲压力波形。 3.实验数据可回访，可以按照实验时间、实验次数等查询实验结果。 4.支持断电自动保存数据； 5.计算机数据采集处理，打印输出压力、疲劳次数和疲劳压力波形； 6.可实时显示脉冲压力波形(设定波形和实际波形)、压力值、循环次数、流体 温度、环境温度等参数； 7.拆卸被试管路后的泄漏介质自动回收； 8.试验压力-时间曲线能够在屏幕上显示并能打印或存储在存储器内，计算机 控制，存储器有USB接口，可打印实验压力曲线； 9.内部采用保温层，可以控制环境温度与液体温度。 五、高温蠕变疲劳试验机安全保护 1.回路中设有过滤装置，在过滤器的两端装有压差发讯报警器。 2.设备设有过压报警功能，试验回路中的压力发生突变时，设备自动报警，其 超过安全范围时，设备自动停机。 3.设备设有试验间内管道、工件失效的泄漏报警功能。 4.超温保护：设备设置了超温保护装置，当油温超过设定极限温度时，自动停
第２２卷一第３期２０１４年６月一 材一料一科一学一与一工一艺 ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 一 Ｖｏｌ ２２ Ｎｏ ３ Ｊｕｎ．２０１４ 一一一一一一 ７０５０铝合金蠕变时效成形本构模型研究 吕凤工１，黄一遐１，曾元松１，王永坤２，万一敏２ （１．北京航空制造工程研究所，北京１０００２４；２．北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京１００１９１） 摘一要：为研究７０５０Ｔ４５１铝合金蠕变时效本构模型，在１６０?二不同应力条件下进行单轴拉伸蠕变试验，分析了蠕变应变二屈服强度和微观组织随时间的变化规律．基于高强铝合金析出强化理论，建立了能描述蠕变时效成形宏观及微观变化的本构方程，并运用遗传算法对材料常数进行拟合优化．研究表明，该模型在不同应力水平下与试验结果吻合良好，能够用来模拟分析蠕变时效成形过程． 关键词：７０５０铝合金；蠕变时效成形；本构方程；时效强化；遗传算法中图分类号：ＴＧ３０６ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５－０２９９（２０１４）０３－００２８－０６ Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆ７０５０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｆｏｒｃｒｅｅｐａｇｅｆｏｒｍｉｎｇ ＬüＦｅｎｇｇｏｎｇ１，ＨＵＡＮＧＸｉａ１，ＺＥＮＧＹｕａｎｓｏｎｇ１，ＷＡＮＧＹｏｎｇｋｕｎ２，ＷＡＮＭｉｎ２ （１．ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２４，Ｃｈｉｎａ； ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＢｅｉｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｒｅｅｐａｇｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｍｏｄｅｌｏｆ７０５０Ｔ４５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ，ｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｃｒｅｅｐｔｅｓｔｓｗｅｒｅｏｐｅｒａｔｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｔ１６０?．Ｔｈｅｃｈａｎｇｉｎｇｔｅｎｄｅｎｃｙｏｆｃｒｅｅｐｓｔｒａｉｎ，ｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｈａｒｄｅｎｉｎｇｔｈｅｏｒｙｏｆｈｉｇｈｓｔｒｅｎｇｔｈａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ，ｔｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃａｎｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｆｏｒｃｒｅｅｐａｇｅｆｏｒｍｉｎｇｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｃｏｎｓｔａｎｔｓｗｅｒｅｆｉｔｔｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｍｏｄｅｌｆｉｔｓｗｅｌｌｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓｌｅｖｅｌｓ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｒｅｅｐａｇｅｆｏｒｍｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：７０５０ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｃｒｅｅｐａｇｅｆｏｒｍｉｎｇ；ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅｅｑｕａｔｉｏｎ；ａｇｅｈａｒｄｅｎｉｎｇ；ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ收稿日期：２０１２－１０－１７． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０９７５２６７）．作者简介：吕凤工（１９８８－），男，硕士研究生； 曾元松（１９７１－），男，研究员，博士生导师． 通信作者：吕凤工，Ｅ?ｍａｉｌ：ｌｖｆｅｎｇｇｏｎｇ＠１２６．ｃｏｍ． 一一蠕变时效成形是在一定温度和外力作用下材 料缓慢变形的过程，其中伴随着弹性变形二应力松弛和时效强化的综合作用［１］．与喷丸成形二拉伸成形技术相比，蠕变时效成形技术成形效率高二零件 内部残余应力低，可增强材料的耐应力腐蚀能力，延长零件的使用寿命［２］．蠕变时效成形技术受到材料本身时效周期的限制，且弯曲应力低二时效温度低，无法将试件内已有的弹性变形全部转变为塑性变形，成形后均存在一定的回弹［３－４］．另外，成 形后零件的力学性能直接影响其在工程上的应用．因此，进行蠕变时效成形回弹及屈服强度预测 以调整工艺流程二优化工艺参数二修整模具型面是成形出合格零件的关键． 针对铝合金蠕变时效成形回弹及时效强化现象，有关学者已做了大量研究［５－６］．Ｊ．Ｌｉｎ等［７］提出一种可描述析出相半径变化的本构模型，并应用于铝合金厚板时效成形的有限元分析．李超等［８－９］对７Ｂ０４铝合金时效成形中微观组织和性能变化进行研究，基于统一理论二长大动力学和析出强化理论，提出一个全新概念的等温蠕变－时效本构模型．Ｌ．Ｚｈａｎ等［１０］通过研究蠕变时效成形过程和强化机制，充分考虑了成形过程中应力二位错强化二固溶强化和时效强化对蠕变速率的影响，提出７０５５铝合金蠕变时效本构方程． 本文在总结前人经验的基础上，针对国内航空制造企业对高强铝合金整体壁板成形技术方面 的需求，从宏观与微观角度研究７０５０Ｔ４５１铝合金
材料的高温蠕变相关的理论解释和材料蠕变的因摘要：从蠕变的定义，金属材料在高温下蠕变的形成机理，陶瓷以及镁质耐火材料提高A1素等几个方面阐述了材料的 高温蠕变现象。其中也对多晶O3 2 抗蠕变性能给予介绍，解释。陶瓷；抗蠕变性能A1O关键词：高温蠕变；蠕变机理；多晶 32 1引言 材料具有许多的性能，有的性能在材料的使用时是有利的，但有的性能在材料的使用时是不利的。由于蠕变的产生我们就不能笼统的说材料在高温下的性质是如何的，材料在高温条件下的性能与在常温下的性能不同，在高温下材料发生蠕变，因此，材料的高温蠕变使得材料在高温条件下使用时性能变差，影响了材料在高温条件下的使用。如果能提高材料在高温条件下的抗蠕变性能，能够改善材料在高温条件下使用的品质，使得材料的使用寿命延长，可以节省材料，避免浪费。高温蠕变理论是在对多种金属所做的完整的蠕变实验的基础上建立起来的，因此介绍材料的蠕变机理也是根据金属的蠕变机理来进行解释的。 我们是这样定义材料蠕变这个现象的，材料在高温下长时间承受恒温、恒载荷作用，缓慢产生塑性变形的现象。所以，蠕变是在恒定压力作用下，随着时间的延长而材料持续形变的过程。在高温条件下，材料都有着与常温下不同的蠕变行为。借助于高温作用和外力作用，材料的形变障碍得到克服，内部质点发生迁移，晶界相对移动，于是蠕变现象产生了。 2.1 蠕变阶段 材料的高温蠕变分为几个阶段，几个区域有着不同的变化。 图1 图1表示在三个不同的恒定应力作用下，材料的应变ε随时间t变化的典型蠕变曲线。曲线的终端表示材料发生断裂。t=0时的应变表示加载结束时的即时应变，它包括弹性应变和塑性应变。蠕变曲线可分为三个阶段， 为定常蠕变所示：III为非定常蠕变阶段，应变率随时间的增加而减小；如图2t 阶段，应变率保持常值；在最末阶段Ⅲ，应变率随时间而增大，最后材料在r升高温度或增加应力会使蠕变加快并缩短达到断裂的时间。通常，时刻发生断裂。甚至不出现第三阶段则蠕变的第二阶段(Ⅱ)持续较久，若应力较小或温度较低，对应的蠕变曲线；相反，若应力较大或温度较高，则中1 （Ⅲ），如图 中对应的蠕变曲线。蠕变的第二阶段（Ⅱ）较短，甚至不出现，如图1
第45卷第2期2009年2月 机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.45N o.2 Feb. 2009 DOI：10.3901/JME.2009.02.081 复杂加载条件下压力容器典型用钢 疲劳蠕变寿命预测方法* 陈学东范志超江慧丰董杰 (合肥通用机械研究院国家压力容器与管道安全工程技术研究中心合肥 230031) 摘要：针对多轴应力状态，探讨压力容器典型用钢16MnR缺口试样的高温疲劳与循环蠕变交互作用行为，在延性耗竭理论和损伤力学基础上，建立一种半寿命平均位移速率寿命预测模型，采用该方法对不同缺口半径试样的高温疲劳寿命进行了较好的预测。针对多级加载条件，研究316L钢的循环变形行为，探讨疲劳蠕变与动态应变时效之间的耦合作用，在延性耗竭理论基础上，建立非线性损伤演化模型，考虑多级加载时的载荷历程效应，提出一种新的损伤累积准则，采用该方法对二级加载条件下的疲劳蠕变寿命进行了较好的预测。 关键词：多轴多级疲劳蠕变损伤寿命预测 中图分类号：O346.2 TG142.33 Creep-fatigue Life Prediction Methods of Pressure Vessel Typical Steels under Complicated Loading Conditions CHEN Xuedong FAN Zhichao JIANG Huifeng DONG Jie (National Engineering Technology Research Center on PVP Safety, Hefei General Machinery Research Institute, Hefei 230031) Abstract：With emphasis on complicated loading conditions, i.e. multi-axial loading condition and multi-step loading condition, creep-fatigue behavior and life prediction methods are investigated for typical steels of pressure vessels. As to multi-axial loading condition, the interaction behavior between high temperature fatigue and cyclic creep is discussed for 16MnR notched specimens and a mean displacement rate life prediction method is proposed on the basis of ductility exhaustion theory and damage mechanics. By this method, high temperature fatigue lives are well predicted for specimens with different notch radiuses. As to multi-step loading condition, cyclic deformation behavior is investigated for 316L steel and creep-fatigue interaction coupled with dynamic strain aging effect is also discussed. Based on the ductility exhaustion theory, a nonlinear damage evolution model is developed. Moreover, a new damage cumulated rule is proposed with the load history effect taken into account. By using this model, 2-step creep-fatigue lives are well predicted. Key words：Multi-axis Multi-step Creep-fatigue Damage Life prediction 0 前言 高温环境下长期服役的压力容器在设计和安全评定时除了要考虑疲劳损伤、蠕变损伤及疲劳蠕变交互作用损伤外，还要考虑多轴载荷、多级载荷 * “十一五”国家科技支撑计划专题(2006BAK02B02-02)和安徽省优秀青年基金(08040106827)资助项目。20081118收到初稿，20081225收到修改稿等复杂条件对承压设备寿命的影响。 本课题组在“十五”科技攻关期间，主要针对压力容器典型材料开展了高温疲劳及疲劳蠕变交互作用行为研究[1-3]，分别从能量、韧性、延性角度提出了几种高温疲劳蠕变寿命预测和损伤评估方法[4]。但前期研究并没有考虑复杂应力状态和复杂加载历史对疲劳及疲劳蠕变行为的影响，而实际承压设备的缺口或应力集中部位始终是整个结构的薄
蠕变分析流程(针对初学者) 1.1蠕变分析流程 蠕变主要是利用实验配合数值方法获的材料参数后，再将所获的的参数使用于有限元素的分析中，以求获得其应力、应变、蠕应力、蠕应变等等…内部结构经外力、时间或温度所造成的效应。 ABAQUS软件包蠕变分析模式，可以采用三种蠕变定律描述粘塑(visco-plastic)材料行为，ABAQUS软件包蠕变分析模式通常采用三种蠕变定律描述粘塑(visco-plastic)材料行为，幂次法则模式(Power-law model)可应用于仿真等温与固定负载下之蠕变行为，其所采用之定律分别为时间硬化率(time hardening)及应变硬化率(strain hardening)关系式。变动温度状况下则使用Garofalo-Arrhenius双曲正弦法则模式(Hyperbolic-sine law model)仿真温度相依之稳态蠕变行为。以下将就时间硬化率及双曲正弦法则说明蠕变材料参数确认方式。为判断蠕变参数与参考文献实验数据曲线嵌合(这是为取得材料参数所使用的数学分析方法)结果之良好与否，采 用回归分析之决定系数2R(Coefficient of Determination，R Square)为判断依据，2R值介于0-1，当2R越接近1表示嵌合结果之结果越好。 2.1蠕变理论 材料受到低于降服或抗拉应力作用时，造成长时间粘塑性变形之现象称为蠕变(Creep)。金属材料蠕变行为通常发生于高温，在常温时之蠕变效应极小通常视为无蠕变现象发生。然而，高分子材料与金属材料蠕变现象不同，高分子材料在常温时便有明显蠕变现象发生，当应力及温度增加其蠕变现象愈显著。蠕变为材料重要机械特性之一，当材料产生蠕变时，其应变与时间关系可由图2.1说明。图中，P1> P2> P3其负载大小明显对其蠕变行为有明显影响，当负载愈大其蠕变变形愈快。一般蠕变曲线可分成三阶段，第一阶段为应变率随时间减少之瞬时蠕变期(Primary or Transient Creep)、第二阶段为常数应变率之稳态蠕变期(Secondary or Steady-state Creep)，以及试件断面颈缩造成应变率随时间快速增加之第三蠕变期(tertiary creep)，蠕应变率与时间关系如图2.2所示。
金属疲劳寿命的预测 摘要 当一个金属样品受到循环载荷时，大量的起始裂纹将在它的体内出现。样品形成了有初始裂纹的样本：样品越大，样本也越大。在作者先前的研究中表明，在极值统计的帮助下，通过估计最大预期裂纹深度能够预测疲劳极限。本来表明，在一个类似的方式下，疲劳极限以上的疲劳裂纹萌生时间是可以预测的。用最小的分布可得到最短预期初始时间的预测，代替了用最大分布估计最大裂纹尺寸，并以广泛的实验数据获得了好的赞同。 本文为构件的总的疲劳寿命估计提供了一种新的方法。当得知了预计的裂纹萌生寿命和临界裂纹尺寸时，稳定的裂纹扩展就能通过Paris law计算出来。总的疲劳寿命的估算值是裂纹萌生和裂纹扩展的总和。本文介绍的是：为发现任何一种材料裂纹萌生寿命而相应的构建设计曲线的方法。 1、介绍 估计金属构件疲劳寿命的最古老和最常用的方法是S-N曲线，尽管它的缺点众所周知。其中之一是，因观察试样缺口的光滑程度不同而使得疲劳寿命有很大的不同。有些手册尝试通过为不同的应力值浓度的因素单独设计曲线解决这个问题，如Buch。其被当时看作是避免这一问题的局部应变方法。在这种方法中，提出了无论试样的形状如何，相同的应变振幅总是相同的疲劳寿命。 一个构件的总疲劳寿命可以分为3个阶段：裂纹产生、裂纹稳定扩展和裂纹失稳生长。最后一个阶段很迅速，在估计总的疲劳寿命时可以在实际工作中忽略。利用LEFM可获得裂纹稳定生长的可靠样本。不同几何的应力强度因子和所收录例子的大量的公式都可在文献中找到，并且权函数的使用为扩展这种方法的使用提供了可能性。 用类似LEFM的方式对裂纹初始相位的建模，或裂纹的扩展做了很多的尝试，例如：Miller，Austen，Cameron and Smith。另一种方法是用局部应变方法仅对初始寿命进行估计，然后用LEFM和一个合适的计算机程序完成对总疲劳寿命的计算。 经Makkonen研究表明，统计方法能够用来预测金属构件的疲劳极限。当一个构件受到交变载荷时，大量的微裂纹将在它的内部产生，裂纹的数量取决于试样的大小。运用极值统计法来计算裂纹样品类型中的最大裂纹的估计值成为可
金属材料疲劳研究综述 摘要：人会疲劳，金属也会疲劳吗？早在100多年前，人们就发现了金属也是会疲劳的，并且发现了金属疲劳带给人们各个方面的危害，所以研究金属材料的疲劳是非常有必要的。本文主要讲述了国内外关于金属疲劳的研究进展，概述了金属产生疲劳的原因及影响因素，以及金属材料疲劳的试验方法。 关键词：金属材料疲劳裂纹疲劳寿命 一．引言 金属疲劳的概念，最早是由J．V．Poncelet 于1830 年在巴黎大学讲演时采用的。当时，“疲劳”一词被用来描述在周期拉压加载下材料强度的衰退。引述美国试验与材料协会( ASTM) 在“疲劳试验及数据统计分析之有关术语的标准定义”( EZ06-72) 中所作的定义: 在某点或某些点承受挠动应力，且在足够多的循环挠动作用之后形成裂纹或完全断裂时，材料中所发生的局部永久结构变化的发展过程，称为“疲劳”。金属疲劳是指材料、零构件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。在材料结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料和结构的破坏现象，就叫做金属的疲劳破坏。据统计金属材料失效80%是由于疲劳引起的，且表现为突然断裂，无论材料为韧性材料还是塑性材料都表现为突然断裂，危害极大，所以研究金属的疲劳是
非常有必要的。 由于金属材料的疲劳一般难以发现，因此常常造成突然的事故。早在100多年以前，人们就发现了金属疲劳给各个方面带来的损害。由于但是条件的限制，还不能查明疲劳破坏的原因。在第二次世界大战期间，美国的5000艘货船共发生1000多次破坏事故，有238艘完全报废，其中大部分要归咎于金属的疲劳。2002 年 5 月，华航一架波音747-200 型客机在由台湾中正机场飞往香港机场途中空中解体，19 名机组人员及206名乘客全部遇难。调查发现，飞机后部的金属疲劳裂纹造成机体在空中解体，是导致此次空难的根本原因。直到出现了电子显微镜之后，人类在揭开金属疲劳秘密的道路上不断取得了新的成果，才开发出一些发现和消除金属疲劳的手段。 二．金属疲劳的有关进展 1839年巴黎大学教授在讲课中首先使用了“金属疲劳”的概念。1850一1860年德国工程师提出了应力-寿命图和疲劳极限的概念。1870一1890年间，Gerber研究了平均应力对疲劳寿命的影响。Goodman提出了考虑平均应力影响的简单理论。1920年Griffith发表了关于脆性材料断裂的理论和试验结果。发现玻璃的强度取决于所包含的微裂纹长度，Griffith理论的出现标志着断裂力学的开端。1945年Miner用公式表达出线性积累损伤理论。五十年代，力学理论上对提出应力强度因子K的概念。六十年代，Manson—Coffin公式概括了塑性应变幅值和疲劳寿命之间的关系。Paris在1963年提出疲劳裂纹扩展速率da／dN和应力强度因子幅值?k之间的关系。1974年，美
控制变形理论与应用 姓名：李承波 学号：113111133 指导老师：叶凌英 日期：2011、12
蠕变时效成形技术综述 摘要：蠕变时效成形技术是利用金属的蠕变特性，将成形与时效热处理同步进行的一种成形方法。蠕变时效成形是实现大型蒙皮和壁板件成形的有效方法。文章从蠕变时效成形基本原理以及成形特点出发，重点阐述了基于零件回弹补偿的工装外型面的优化技术、成形工装、蠕变时效成形过程对零件材料微观组织性能的影响和新型可时效成形铝合金的开发及应用等关键技术的研究进展及发展趋势。分析了蠕变时效成形的原理。结合试验分析了蠕变时效成形的实际效果。详细论述了栽荷施加方式和型面确定方法等关键技术。并阐述了蠕变时效成形可能的应用领域和应用前景。并针对我国大飞机的研制需求，结合国内现有研究基础和水平，提出了我国开展蠕变时效成形技术研究的建议。 关键词：蠕变时效成形；整体壁板；铝合金；有限元 ABSTRACT：Creep age forming(CAF)is acombined forming and ageing heat treatment process. Starting from the principle and the characteristics of the creep age formling process, the research situation and the developing tendency on the key technologies, such as tool surface optimisation based on the springback, forming tools, the effect of the creep age forming on mechmcal properties and microstructural evolution, development of novel damage tolerant alloys are detailed introduced in this paper. The principle of the creep age forming and the practical effect of the creep age forming are analyzed by means of tests. Some key technologies, such as the loading method and method of die surface determination are described in detail.The possible application and the prospect of the creep age forming are introduced.Finally，based on the existing research situation and the requirements for developing the large airplane in China，some suggestions and research emphasis on developing creep age forming technologies are pointed out． Key words：Creep Age Forming ; Integral Panel; Aluminum ; FE 前言 在航空工业中，对飞机钣金件成形后的性能要求在不断提高，包括提高强度和刚度、减轻重量、提高抗疲劳断裂的能力等。蠕变时效成形由于能满足这些要求而得到发展，该方法将人工时效与成形制造相结合，利用铝合金在弹性应力作用下在一定温度发生蠕变变形，从而得到具有一定形状的结构件。同时，利用时效处理得到铝合金所需的性能。与常规的塑性成形方法相比，成形应力低于屈服应力，降低了材料发生破裂的几率。同时，时效成形过程中由于蠕变而导致应力松弛以及后续回弹，时效成形铝合金结构件残余应力水平低，耐疲劳与应力腐蚀性能有所提高，长期服役能力更好。同时工件的回弹量较小、残余应力小、产品精度高、成形后材料机械性能好、适用大型蒙皮类钣金件的成形等特点，其应用越来越广。除了用于小曲率大型复杂蒙皮类钣金件外，还可用于小批量的小型钣金件成形。蠕变时效成形还可以用于钣金件的校形。 因此在“湾流”的机翼上蒙皮、GIV、B-IB和空客A330/340/380上都采用了蠕变时效成形方法。在民用飞机的应用方面，空客、波音和麦道的早期机型已经部分采用该项技术，如MD82、A330/340和A380等大型民用飞机的整体壁板制造中，其中采用蠕变时效成形技术制造的A380飞机机翼上壁板材料为7055，零
金属材料蠕变 早期，人们对金属材料强度的认识不足，设计金属构件时仅以短时强度作为设计依据。不少构件，即使使用应力低于弹性极限，使用一段时间后仍然会发生因塑性受形而失效或因破断而失效的现象。随着科学技术的发展，金属材料的使用温度逐步提高，这种矛盾越来越突出。这就使人们进一步认识到材料强度与使用期限之问尚有密切的联系，从而相继开拓了蠕变、蠕变断裂、松弛、疲劳、断裂力学等长时强度研究领域。蠕变则是其中研究最早、内容较丰富而成果较显着的一个领域，成为其他几个研究领域的基础。 金属在持续应力作用下(即使在远低于弹性极限的情况下)会发生缓慢的塑性变形。熔点较低的金属容易产生这种现象；金属所处的温度越高，这种现象越明显。在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象称为金属的蠕变。引起蠕变的这一应力称蠕变应力。在这种持续应力作用下，蠕变变形逐渐增加，最终可以导致断裂，这种断裂称蠕变断裂。导致断裂的这一初始应力称蜕变断裂应力。在有些情况下(特别是在工程上)，把蠕变应力及蠕变断裂应力作为材料在特定条件下的一种强度指标来讨论时，往往又把它们称为蠕变强度及蠕变断裂强度，后者又称为持久强度。蠕变现象的发生是温度和应力共同作用的结果。温度和应力的作用方式可以是恒定的，也可以是变动的。常规的蠕变试验则是专门研究在恒定载荷及恒定温度下的蠕变规律。为了与变动情况相区别，把这种试验称为静态蠕变试验。 蠕变现象很早就被人们发现，远在1905年F. Philips等就开始进行专门研究。最初研究的是铅、锌等低熔点纯金属，因为这些金属在室温下就已表现出明显的蠕变现象。以后逐步研究了较高熔点的铝、镁等纯金属的蠕变现象，进而又研究了铁、镍以至难熔金属钨、铂等的蠕变规律。对纯金属的研究后来又发展到对铁、钴、镍基合金及其他各种高温合金的研究。对这些合金，要求它们在几百度的高温下才能表现出明显的蠕变现象(例如碳钢>0.35Tm，不锈钢>0.4Tm)。 蠕变现象的研究是与工业技术的发展密切相关的。随着工作温度的提高，材料蠕变现象越来越明显，对材料蠕变强度的要求越来越高。不同的工作温度需选用具有不同蠕变性能的材料，因此蠕变强度就成为决定高温金属材料使用价值的重要因素。 蠕变曲线 在恒定温度下，一个受单向恒定载荷(拉或压)作用的试样，其变形e与时间t的关系可用如图9.76所示的典型的蠕变曲线表示。曲线可分下列几个阶段： 图9.76 典型的蠕变曲线 第I阶段：减速蠕变阶段(图中AB段)，在加载的瞬间产生了的弹性变形e0，以后随加载时间的延续变形连续进行，但变形速率不断降低； 第II阶段：恒定蠕变阶段，如图中曲线BC段，此阶段蠕变变形速率随加载时间的延续而保持恒定，且为最小蠕变速率； 第III阶段：曲线上从C点到D点断裂为止，也称加速蠕变阶段，随蠕变过程的进行，蠕变速率显着增加，直至最终产生蠕变断裂。D点对应的tr就是蠕变断裂时间，er是总的蠕变应变量。 温度和应力也影响蠕变曲线的形状。在低温(<0.3Tm)、低应力下(曲线1)实际上不存在蠕变第III阶段，而且第II阶段的蠕变速率接近于零；在高温(>0.8Tm)、高应力下(曲线3)主要是蠕变第III阶段，而第II阶段几乎不存在。
第23例材料蠕变分析实例—受拉平板本例简单地介绍了蠕变的概念及蠕变材料模型的创建方法，简单地介绍了结构蠕变分析的方法、步骤及要点。 23.1蠕变简介 蠕变是指金属材料在长时间的恒温、恒载作用下，持续发生缓慢塑性变形的行为，大多数金属材料在高温下都会表现出蠕变行为。 如果材料发生了蠕变，在恒载作用下结构会发生持续变形；如果结构承受恒位移，则应力会随时间而减小，即产生应力松弛。 图23-1 蠕变曲线 蠕变一般分为蠕变初始阶段（Primary）、蠕变稳定阶段（Secondary）和蠕变加速阶段(Tertiary)三个阶段，如图23-1所示。蠕变初始阶段时间很短，应变率随时间而减小；在蠕变稳定阶段，应变以常速率发展；在蠕变加速阶段，应变率急剧增大直至材料失效。研究蠕变行为，主要针对蠕变初始阶段和蠕变稳定阶段。 研究问题时一般以蠕变方程（又称本构关系）来表征蠕变行为，蠕变方程以蠕应变率的，形式表示dεcr/dt =AσBεC t P式中，εcr为蠕应变。A、B、C、D是由实验得到的材料特性参数。当D<0时，蠕应变率随时间减小，材料处于蠕变初始阶段；当D=0时，蠕应变率不随时间变化，材料处于蠕变稳定阶段。
在ANSYS中，有一个蠕应变率库供选择。 23.2问题描述 一矩形平板，左端固定，右端作用有恒定压力p=100MPa，矩形平板尺寸如图23-2所示，材料的弹性模量为2xl05MPa，泊松比为0.3，蠕变稳定阶段蠕变方程dεcr/dt =C1σC2。C2，式中，C1=3.125 x10-14，C2=5。试分析平板右端的位移随时间的变化情况。 提示：为避免出现较小值，力单位用N，长度单位用mm，时间单位为h。 图23-2受拉矩形平板 23.3分析步骤 23.3.1改变任务名 拾取菜单Utility Menu→File→Change Jobname，弹出如图23-3所示的对话框，在“[/FJLNAM]”文本框中输入EXAMPLE23，单击“OK”按钮。 图23-3改变任务名对话框 23.3.2选择单元类型 拾取菜单Main Menu→Preprocessor→Element Type→Add/Edit／Delete，弹出如图23-4所示的对话框，单击“Add…”按钮，弹出如图23-5所示的对话框，
蠕变模型 将flac3d 的蠕变分析option 进行了简单的翻译，目的是为了搞清楚蠕变过程中系统时间是如何跟真实时间对应的。 2.1 简介 Flac3d 可以模拟材料的蠕变特性，即时间依赖性，flac3d2.1提供6种蠕变模型： 1. 经典粘弹型模型 model viscous 2. model burger 3. model power 4. model wipp 5. model cvisc 6. powe 蠕变模型结合M-C 模型产生cpow 蠕变模型（model cpow ） 7. 然后WIPP 蠕变模型结合D-P 模型产生Pwipp 蠕变模型（model pwipp ）； 8 model cwipp 以上模型越往下越复杂，第一个模型使用经典的maxwell 蠕变公式，第二个模型使用经典的burger 蠕变公式，第三个模型主要用于采矿及地下工程，第四个模型一般用于核废料地下隔离的热力学分析，第五个模型是第二个模型的M-C 扩展，第六个模型是第三个模型的M-C 扩展，第七个模型是第四个模型的D-P 扩展，第八个模型也是第四个模型的一种变化形式，只是包含了压硬和剪缩行为。 2.2蠕变模型描述 2.2.1只介绍经典粘弹型模型即maxwell 蠕变公式 牛顿粘性的经典概念是应变率正比于应力，对于粘性流变应力应变关系以近似于弹性变形的方式发展。粘弹型材料既有粘性又有弹性，maxwell 材料就是如此，在一维空间它可以表示为一根弹簧（弹性常数κ）连接一个粘壶（粘性常数η），它的力-位移增量关系可以写成： η κ μF F + = ? ? （2.1） 式中? μ是速度，F 是力，设力的初始值为 F ，增量值为F '经过一个t ?时间步，式（2.1）可以写成
4.4.3蠕变分析实例 4.4.3.1问题描述 一块矩形板，其左端固定，而右端被拉伸至某一固定位置，然后保持在此位置不动。试分析板中应力随时间的变化。 4.4.3.2问题详细说明 材料特性： Ex=2e5 (泊松比)＝0.3 C6=0的显式初始蠕变方程： C1=4.8e-23;C2=7 几何特性： L=100;H=10 图4-22问题描述图 4.4.3.3求解步骤（GUI方法） 步骤一：建立计算所需要的模型 在这一步中，建立计算分析所需要的模型，包括定义单元类型，创建结点和单元，并将数据库保存为“creep.db”，在此对这一过程不再详细。 步骤二：恢复数据库文件“creep.db” utility menu>file>Resume from 步骤三：定义材料性质 1、选“Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models”。出现“Define Material Model Behavior”对话框，选择Material Model Number1。
2、在“Material Models Available”窗口，双击“Structural->Linear->Elastic->Isotropic”。出现一个对话框。 3、对杨氏模量（EX）键入2e5。 4、对泊松比（NUXY）键入0.3。 5、单击OK。 步骤四：定义creep数据表并输入相应值 1、在“Material Models Available”窗口，双击Structural->Nonlinear->Inelastic->Rate Dependent->Creep->Creep Only->Mises Potential->Explicit，出现一个对话框。 2、在对话框表格中的C1，C2位置输入相应值(C1=4.8e-23,C2=7)。 3、单击OK 4、退出“Define Material Model Behavior”对话框。 步骤五：进入求解器 选择菜单路径Main Menu>Solution 步骤六：加载 根据所给条件，施加适当的约束和载荷。在此不作详述，参考命令流文件。 步骤七：定义分析类型： 1、选择菜单路径Main Menu>Solution>-Analysis Type-New Analysis. 2、单击“Static”来选中它然后单击OK。 步骤八：设置输出控制选项 1、选择菜单路径：Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Load step opts-Output ctrls>Solu printout。对话框出现 2、在“Item”中，选择“all items” 3、对“FREQ”,选择“Every Substep” 4、单击OK 5、选择菜单路径：Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Load step opts-Output ctrls>DB/Results File。对话框出现。 6、在“Item”中，选择“all items” 7、对“FREQ”,选择“Every Substep” 8、单击OK 步骤九：设置载荷步选项 1、选择菜单路径Main Menu>Solution>Unabridged Menu>Load step opts-Time/Frequenc>Time and substps。对话框出现。 6、对“Time”（载荷步终止时间）键入10000 7、对“NSUBST”(子步数)输入100
疲劳形成寿命预测方法 10船 王茹娇 080412010035 疲劳裂纹形成寿命的概念 发生疲劳破坏时的载荷循环次数，或从开始受载到发生断裂所经过的时间称 为该材料或构件的疲劳寿命。 疲劳寿命的种类很多。从疲劳损伤的发展看，疲劳寿命可分为裂纹形成和裂 纹扩展两个阶段：结构或材料从受载开始到裂纹达到某一给定的裂纹长度a0为 止的循环次数称为裂纹形成寿命。此后扩展到临界裂纹长度acr 为止的循环次数 称为裂纹扩展寿命，从疲劳寿命预测的角度看，这一给定的裂纹长度与预测所采 用的寿命性能曲线有关。此外还有三阶段和多阶段，疲劳寿命模型等。 疲劳损伤累积理论 疲劳破坏是一个累积损伤的过程。对于等幅交变应力，可用材料的S —N 曲 线来表示在不同应力水平下达到破坏所需要的循环次数。于是，对于给定的应力 水平σ，就可以利用材或零部件的S —N 曲线，确定该零件至破坏时的循环数N ， 亦即可以估算出零件的寿命，但是，在仅受一个应力循环加载的情况下，才可以 直接利用S —N 曲线估算零件的寿命。如果在多个不同应力水平下循环加载就不 能直接利用S —N 曲线来估计寿命了。对于实际零部件，所承受的是一系列循环 载荷，因此还必须借助疲劳累积损伤理论。 损伤的概念是，在疲劳载荷谱作用下材料的改变（包括疲劳裂纹大小的变化， 循环应变硬化或软化以及残余应力的变化等）或材料的损坏程度。疲劳累积损伤 理论的基本假设是：在任何循环应力幅下工作都将产生疲劳损伤，疲劳损伤的严 重程度和该应力幅下工作的循环数有关，与无循环损伤的试样在该应力幅下产生 失效的总循环数有关。而且每个应力幅下产生的损伤是永存的，并且在不同应力 幅下循环工作所产生的累积总损伤等于每一应力水平下损伤之和。当累积总损伤 达到临界值就会产生疲劳失效。目前提出多种疲劳累积损伤理论，应用比较广泛 的主要有以下3种:线性损伤累积理论，修正的线性损伤累积理论和经验损伤累 积理论。 线性损伤累积理论在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性地累加的，各个 应力之间相互独立和互不相干，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发 生疲劳破坏，线性损伤累积理论中典型的是Miner 理论。 根据该理论，假设在应力i σ下材料达到破坏的循环次数为i N ，设D 为最终 断裂时的临界值。根据线性损伤理论，应力i σ每作用一次对材料的损伤为i N D /， 则经过i n 次后，对材料造成的总损伤为i i N D n /。
实验八 聚合物的蠕变性能实验 1．实验目的要求 1.1熟悉高分子材料蠕变的概念。 1.2熟悉高分子材料蠕变性能测试标准条件和测试原理。 1.3了解测试条件对测定结果的影响。 2．实验原理 在一定温度和较小的恒定外力（拉力、压力或扭力等）作用下、材料的形变随时间的增加而逐渐增大的现象。图8-1就是描写这一过程的蠕变曲线，t 1是加荷时间，t 2是释荷时间。 从分子运动和变化的角度来看，蠕变过程包括下面三种形变：当高分子材料受到外力（σ）作用时，分子链内部键长和键角立刻发生变化，这种形变量是很小的，称为普弹形变（1ε）。当分子链通过链段运动逐渐伸展发生的形变，称为高弹形变（2ε）。如果分子间没有化学交联，线形高分子间会发生相对滑移，称为粘性流动（3ε）。这种流动与材料的本体粘度（3η）有关。在玻璃化温度以下链段运动的松弛时间很长，分子之间的内摩擦阻力很大，主要发生普弹形变。在玻璃化温度以上，主要发生普弹形变和高弹形变。当温度升高到材料的粘流温度以上，这三种形变都比较显著。由于粘性流动是不能回复的，因此对于线形高聚物来说，当外力除去后会留下一部分不能回复的形变，称为永久形变。 图8-1 蠕变曲线 图8-2 线型高聚物的蠕变曲线 图8-2是线型高聚物在玻璃化温度以上的蠕变曲线和回复曲线，曲线图上标出了各部分形变的情况。只要加荷时间比高聚物的松弛时间长得多，则在加荷期间，高弹形变已充分发展，达到平衡高弹形变，因而蠕变曲线图的最后部分可以认为是纯粹的粘流形变。 蠕变与温度高低和外力大小有关，温度过低，外力太小，蠕变很小而且很慢，在短时间内不易觉察；温度过高、外力过大，形变发展过快，也感觉不出蠕变现象；在适当的外力作用下，通常在高聚物的玻璃化温度以上不远，链段在外力下可以运动，但运动时受到的内摩擦力又较大，只能缓慢运动，则可观察到较明显的蠕变现象。
疲劳寿命分析方法摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况,重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好 的解决。疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿 命分析方法的研究伴随着整个历史。 金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。1843年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件 存在应力集中的危险性。1852年-1869年期间，Wohler对疲劳破坏进行了系统的研 究。他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出 利用S-N曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。1874 年，德国工程师H.Gerber开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿 命计算方法。Goodman讨论了类似的问题。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属 S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为 线性关系。Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究 结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937 年H.Neuber指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。 1945年M.A.Miner在J.V.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。 L.F.Coffin和S.S.Manson各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即 Coffin—Manson公式，随后形成了局部应力应变法。