[發明專利]一種316L不銹鋼棘輪效應的預測方法

在審

• 申請號: 201710504756.3
• 申請日: 2017-06-28
• 公開（公告）號: CN107290216A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 劉秀宇;肖雄;董亞偉
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/32
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙)32273
• 代理人: 張學彪

技術領域

本發明屬于金屬材料棘輪效應研究的技術領域，具體涉及一種316L不銹鋼棘輪效應的預測方法。

背景技術

大多數金屬材料在非對稱應力循環加載過程中會出現一種塑性變形循環累積的現象，這種現象稱為棘輪行為，棘輪變形的產生一方面會使材料的塑性變形顯著增加，另一方面也會使材料的疲勞壽命大幅下降，在高溫高壓工況下如化工過程中的壓力容器、核反應堆中的管道這種現象尤甚，因此棘輪行為是需要考慮的一個重要安全問題。

為了準確預測材料在非對稱循環載荷作用下的棘輪行為，一些學者對材料的棘輪行為進行了廣泛的研究，建立了諸多循環本構模型，但由于棘輪行為的復雜性，現有的模型均有其優缺點。Ohno-Abdel-Karim模型中參數μ_i作為通過試錯法得到的一個定值出現在本構方程中，往往不能精確模擬棘輪應變的發展，直接導致預測結果失真。

因此有必要改進現有的本構模型從而更為合理準確地預測材料在非對稱循環應力控制加載條件下的棘輪行為。

發明內容

本發明的目的是為了提供一種316L不銹鋼棘輪效應的預測方法，針對金屬材料棘輪效應的研究，通過改進本構模型并確認參數，從而準確預測316L不銹鋼棘輪效應。

為解決上述技術問題，本發明的316L不銹鋼棘輪效應的預測方法所采用的技術方案為：

一種316L不銹鋼棘輪效應的預測方法，包括如下步驟：

1)對316L不銹鋼進行單軸拉伸實驗，獲得316L不銹鋼材料在室溫條件下單軸拉伸實驗的應力應變曲線；

2)對316L不銹鋼進行非對稱應力控制循環實驗，獲得316L不銹鋼材料在室溫條件下非對稱應力控制循環載荷實驗的循環應力應變響應曲線；

3)基于統一粘塑性理論，選用Ohno-Abdel-Karim非線性隨動硬化模型，通過修正原模型中的棘輪參數μ_i，使其從一個常量變為一個與循環周期相關的變量，從而構建出用于預測316L不銹鋼棘輪效應的本構模型；

4)基于316L不銹鋼材料單軸拉伸應力應變曲線和循環應力應變響應曲線確定本構模型參數，將材料在應力控制循環中的平均應力、應力幅值代入構建的本構模型中預測棘輪應變；

所述316L不銹鋼單軸拉伸實驗的方法是：

首先對316L不銹鋼材料進行固溶處理，即在1050±50℃保溫60分鐘，然后水冷；然后將材料加工成棒材，進行單軸拉伸實驗，記錄應力應變數據并繪出應力應變曲線。

所述316L不銹鋼循環應力控制加載實驗的方法：

將316L不銹鋼棒材試樣進行應力控制循環加載實驗，具體工況為70±350MPa、70±330MPa、70±275MPa、50±350MPa、10±350MPa，得到各工況下的應力應變滯回曲線。

所述本構模型建立的方法為：

選用的循環本構模型主要由以下幾部分組成：主控方程、屈服函數及流動準則、各向同性硬化與隨動硬化，各部分的具體內容分別為：

1)主控方程

ε＝ε^p+ε^e

ε^e＝D^-1:σ

式中,ε為總應變，ε^e和ε^p分別為彈性應變和塑性應變，D為彈性張量，σ為應力張量，K和n為率相關的材料常數；

2)屈服函數及流動準則

式中，s和α分別為偏應力張量和背應力張量，Q為各向同性變形抗力,為塑性應變速率；

3)各向同性硬化與隨動硬化

各向同性硬化的演化方程：

式中，為等效塑性應變速率，Q_sa為各向同性變形抗力Q的飽和值，γ為控制各項同性硬化速率的材料參數；

隨動硬化的演化方程：

采用Ohno-Abdel-Karim非線性隨動硬化模型：

ξ_i與r_i為材料參數；H(f_i)為Heaviside步進函數，x<0：H(x)＝0；x≥0:H(x)＝1；μ_i為棘輪參數，原本為一個常量，本專利將其修改為一個與循環周期相關的變量，通過試錯法求得：