[发明专利]一种材料多轴蠕变失效应变预测方法

说明书

一种材料多轴蠕变失效应变预测方法，属于应变预测技术领域。其特征在于：包括如下步骤：步骤（1），获得材料蠕变速率和应变速率之间的关系；步骤（2），由幂律蠕变控制孔洞长大理论，获得单轴及多轴应力状态参数；步骤（3），表示单轴及多轴应力作用下的蠕变失效应变，并获得多轴蠕变延性因子；步骤（4），获得不同应力状态下的多轴蠕变失效应变拟合参数，从而得到多轴蠕变延性因子预测方程；步骤（5），利用有限元软件预测材料在多轴应力状态下的蠕变失效应变及其寿命。本材料多轴蠕变失效应变预测方法能够通过材料在多轴应力状态下的蠕变失效应变计算方法，更准确地预测材料在高温状态下的多轴蠕变的失效应变。

技术领域

一种材料多轴蠕变失效应变预测方法，属于应变预测技术领域。

背景技术

在核电、石油化工和航空航天等领域中，许多结构部件如换热器等长期在高温高压下工作，整个结构处于复杂的多轴应力状态，蠕变及其引起的损伤是结构的主要失效方式之一。多轴应力状态下的蠕变-损伤失效研究是结构完整性评定中最为重要的环节之一，因此对多轴应力状态下材料的蠕变-损伤进行研究，对高温高压工作条件下部件的寿命预测具有积极的意义。

针对模型参数繁冗的问题，基于应变的连续损伤力学模型日渐得到人们的重视。基于应变损伤的模型又称延性耗竭模型，认为局部蠕变应变累积达到蠕变延性（蠕变失效应变）值时，材料将完全损伤，出现裂纹直至失效。多轴蠕变失效应变的测试较为困难，成本也较高，其值通常利用单轴蠕变失效应变转换而来。经典的单轴与多轴蠕变失效应变的转化关系是Cocks-Ashby提出的转换关系。根据转换关系获得的经验多轴蠕变延性因子（MCDF）被广泛的应用于蠕变损伤和蠕变寿命的预测。虽然多轴蠕变延性因子可以很容易地被用来模拟蠕变裂纹扩展并给出可接受的预测结果，但它缺乏应有的物理意义，并且在某些情况下，Cocks-Ashby MCDF对多轴蠕变失效应变的预测并不合理，因而亟需改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种能更准确的预测材料在高温状态下的多轴蠕变的失效应变的材料多轴蠕变失效应变预测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该材料多轴蠕变失效应变预测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1），基于应变损伤准则，根据微观孔洞长大机制，获得材料蠕变速率和应变速率之间的关系；

步骤（2），由幂律蠕变控制孔洞长大理论，获得单轴及多轴应力状态参数；

步骤（3），对微观孔洞进行积分获得材料恒载下的失效时间，进而表示单轴及多轴应力作用下的蠕变失效应变，并获得多轴蠕变延性因子；

步骤（4），对多轴蠕变延性因子进行参数拟合，获得不同应力状态下的多轴蠕变失效应变拟合参数，从而得到多轴蠕变延性因子预测方程；

步骤（5），利用有限元软件预测材料在多轴应力状态下的蠕变失效应变及其寿命。

优选的，步骤（1）中所述的微观孔洞长大机制在裂尖区域为粘塑性孔洞长的机制。

优选的，步骤（1）中所述的材料蠕变速率和应变速率之间的关系为：

，

其中，为包含一个孔洞的圆柱体的轴向应变速率，为包含一个孔洞的圆柱体的径向应变速率，为圆柱体不包含孔洞时的稳态蠕变速率。

优选的，步骤（2）中所述的单轴及多轴应力状态参数利用能量原理，并通过New-Raphson方法获得。

优选的，步骤（2）中所述的单轴及多轴应力状态参数的计算公式为：

，

，

其中，为多轴应力状态参数，为单轴应力状态参数，与为与材料相关的常数，为确定的材料常数，为应力三轴度。