[發明專利]塑性條件下耦合殘余應力和拘束效應的蠕變孕育期預測方法

有效

• 申請號: 201711352974.6
• 申請日: 2017-12-15
• 公開（公告）號: CN109932241B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 徐連勇;鄔棟權;荊洪陽;韓永典;趙雷;呂小青
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/18
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 王秀奎

1.塑性條件下耦合殘余應力和拘束效應的蠕變孕育期預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1：建立預測模型，所述預測模型包括CT試樣本體，CT試樣本體的中部前端設有槽，槽的后部設有缺口，槽、缺口在同一平面上，CT試樣本體上還設有上主載荷銷孔、下主載荷銷孔，上主載荷銷孔、下主載荷銷孔上下對稱設置，分別設置在槽的上下兩端，

S2：首先利用上圓銷、下圓銷對CT試樣本體的上下兩端進行預定大小的壓縮加載，然后釋放上圓銷、下圓銷，會在CT試樣本體的缺口附近產生殘余應力分布；

S3：在含有殘余應力的缺口處插入預制裂紋，以進行蠕變試驗；

S4：利用銷子在上主載荷銷孔、下主載荷銷孔施加主載荷，進行高溫蠕變試驗；

S5：通過蠕變有限元模擬可以獲得計算含殘余應力、拘束參量CT試樣孕育期所需要的必要參數，在塑性條件下，計算孕育期主要包括以下步驟：

(1)首先計算復合加載下的應力強度因子，其計算公式為：

(Ⅰ)中：

其中：是模擬計算的只含有殘余應力下的應力強度因子，單位為MPa·(m^1/2)；是主載荷應力強度因子，單位為MPa·(m^1/2)；P是主載荷，單位為N；B是試樣厚度，單位為mm，B_n是試樣凈厚度，單位為mm；a/W是預制裂紋長度比率，a是預制裂紋長度，采用上主載荷銷孔圓心到預制裂紋后端的水平直線距離，單位為mm；W是名義試樣寬度，采用上主載荷銷孔圓心到CT試樣本體后端的水平直線距離，單位為mm；f(a/W)是CT試樣幾何系數，只與a/W有關；V是無量綱的塑性相關項，計算如下：

(Ⅱ)中:V₀是無量綱參量，

其中：是塑性殘余應力強度因子，單位為MPa·(m^1/2)；是模擬計算的只含有殘余應力下的應力強度因子，單位為MPa·(m^1/2)，利用J_S計算，J_S是殘余應力場下斷裂參量，單位為MPa·m；

其中：E′是有效彈性模量：E'＝E/(1-ν²)，E是彈性模量，ν是泊松比，和J_S都利用有限元模擬結果提取；

(Ⅱ)中:L_r是無量綱參量，描述主載荷幅度：

其中：σ_y是屈服強度，與材料屬性有關，單位為MPa；是主載荷參考應力，單位為MPa，用下式計算：

其中：n_L為無量綱裂紋深寬比參數，通過下式計算:

常數

(Ⅱ)中:

是主載荷應力強度因子，是塑性主載荷應力強度因子，單位為MPa·(m^1/2)；利用有限元模擬結果計算：

(Ⅱ)中:β描述殘余應力的幅度，是無量綱參量；

是二次載荷參考應力，利用有限元模擬計算，

(Ⅱ)中:Z為無量綱的彈性追隨因子，從有限元模擬結果中提取出應力應變關系，取等效蠕變應變增量與等效彈性應變增量的比值：

(2)計算塑性復合應力場下J積分數值，其計算公式為：

其中：K_I是復合應力強度因子，E′是有效彈性模量：E'＝E/(1-ν²)，ν是泊松比，E是彈性模量，ν是泊松比；

(3)然后計算塑性條件下的拘束參量其計算公式為：

是利用有限元計算得出的裂紋前沿處的張開應力值，單位是Mpa，σ_P0是標準化應力，單位為MPa，ε_P0是標準化應變，單位為1，α為應變硬化系數，N為應變硬化指數，I_N是與N有關的無量綱函數，L是標量距離，取1mm；

(Ⅲ)中：σ₂₂是利用HRR應力場計算得出的裂紋前沿的張開應力值，單位是MPa，

其中：r是裂紋后部尖端到裂紋前沿研究點的間距，單位是mm，θ是裂紋尖端角度，是與θ和N有關的無量綱函數，

(4)計算等效應力單位是MPa，其計算公式為：

其中：是與θ和N有關的無量綱函數；

(5)然后計算塑性應力場下孕育期時間t_i^HRR，其計算公式為：

(V)中：n是無量綱的蠕變應力硬化指數，ε_crit是單軸蠕變韌性，與材料屬性有關，單位為1，是蠕變應變變化率，單位為h^-1，與材料高溫蠕變屬性有關，

(V)中：MSF_HRR為塑性條件下多軸應力因子，根據Cocks and Ashby關系式計算：

sinh是雙曲正弦函數，h_HRR為塑性應力三軸度，在塑性應力狀態下：

其中平均應力單位是MPa，其計算公式為：

其中：σ₁₁,σ₂₂和σ₃₃是利用HRR應力場計算得出的裂紋前沿的應力值，單位是MPa，

其中：是與θ和N有關的無量綱函數。