[发明专利]塑性瞬态蠕变条件下耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测方法

权利要求书

1.塑性瞬态蠕变条件下耦合残余应力和拘束效应高温结构的蠕变孕育期预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立模型，包括CT试样本体，CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，CT试样本体上还设有上主载荷销孔、下主载荷销孔，上主载荷销孔、下主载荷销孔上下对称设置，分别设置在槽的上下两端；

S2：首先利用上圆销、下圆销对CT试样本体进行预定大小的压缩加载，然后释放上圆销、下圆销，会在CT试样本体的缺口附近产生残余应力分布；

S3：在含有残余应力的缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；

S4：利用销子在上主载荷销孔、下主载荷销孔施加主载荷，进行高温蠕变试验；

S5：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含残余应力CT试样孕育期所需要的必要参数，在塑性瞬态蠕变条件下，如图4所示，研究点的初始应力是塑性应力状态，到达转换时间t_HRR-RR后进入到瞬态蠕变应力状态，计算孕育期主要包括以下步骤：

(1)首先计算复合加载下的应力强度因子，其计算公式为：

(Ⅰ)中：

其中：是模拟计算的只含有残余应力下的应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；是主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；P是主载荷，单位为N；B是试样厚度，单位为mm，B_n是试样净厚度，单位为mm；a/W是预制裂纹长度比率；a是预制裂纹长度，采用上主载荷销孔圆心到预制裂纹后端的水平直线距离，单位为mm；W是名义试样宽度，采用上主载荷销孔圆心到CT试样本体后端的水平直线距离，单位为mm；f(a/W)是CT试样几何系数，只与a/W有关；V是无量纲的塑性相关项，计算如下：

(Ⅱ)中:V₀是无量纲参量，

是塑性残余应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；是弹性残余应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)，利用J_S计算，J_S是残余应力场下断裂参量，单位为MPa·m：

其中：E′是有效弹性模量：E'＝E/(1-ν²)，E是弹性模量，ν是泊松比，和J_S都利用有限元模拟结果提取；

(Ⅱ)中:L_r是无量纲参量，描述主载荷幅度：

其中：σ_y是屈服强度，单位为MPa；是主载荷参考应力，单位为MPa，用下式计算：

其中：n_L为无量纲裂纹深宽比参数，通过下式计算:

常数

(Ⅱ)中:

其中：是弹性主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)，是塑性主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；利用有限元模拟结果计算：

(Ⅱ)中:β描述残余应力的幅度，是无量纲参量；

σ_ref^S是二次载荷参考应力，单位为MPa，利用有限元模拟计算；

(Ⅱ)中:Z为无量纲的弹性追随因子，从有限元模拟结果中提取出应力应变关系，取等效蠕变应变增量与等效弹性应变增量的比值：

(2)计算稳态蠕变复合应力场下C*积分数值，其计算公式为：

其中:A是蠕变硬化系数，单位为MPa^-n·h^-1，K_I是复合应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)，σ_ref⁰是初始参考应力，单位为MPa；

(3)然后计算裂尖参量C(t)，它是反映瞬态蠕变过程的载荷环路积分值，单位为MPa·mm·(h^-1)，利用参考应力法计算：

(Ⅴ)中：σ_ref是总参考应力，单位为MPa，利用以下积分式计算：

其中：是总参考应变速率，单位为h^-1，是主载荷参考应变速率，单位为h^-1，

(Ⅴ)中：ε_ref是总参考应变，利用下式计算：

其中：ε⁰_ref是初始参考应变，ε⁰_ref通过有限元模拟提取，

(4)计算瞬态蠕变条件下的拘束参量Q*_RR，其计算公式为：

是利用有限元计算得出的裂纹前沿处的张开应力值，单位是Mpa，σ₀是材料的屈服强度，单位是MPa，L是标量距离，取1mm；

(Ⅵ)中：σ₂₂是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，

其中：r是裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距，单位是mm，θ是裂纹尖端角度，是蠕变应变变化率，单位为h^-1，与材料高温蠕变属性有关，n为无量纲的蠕变应力硬化指数，I_n是与n有关的无量纲函数，是与θ和n有关的无量纲函数，

(5)计算瞬态蠕变等效应力其计算公式为：

其中：是与θ和n有关的无量纲函数，

计算塑性等效应力其计算公式为：

σ_P0是标准化应力，单位为MPa，ε_P0是标准化应变，单位为1，α为应变硬化系数，N为应变硬化指数，I_N是与N有关的无量纲函数,是与裂纹尖端角度θ和应变硬化指数N有关的无量纲函数；

(6)利用MATALAB软件计算转换时间t_HRR-RR：在此时刻满足：

塑性阶段损伤累计值：

MSF_HRR为塑性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：

sinh是双曲正弦函数，h_HRR为塑性应力三轴度，在塑性应力状态下：

其中：和是与θ和N有关的无量纲函数；

(7)然后计算瞬态蠕变应力场下孕育期时间t_i^HRR-RR，其计算公式为：

(Ⅷ)中：d(mm)是判定蠕变萌生发生时裂尖前蠕变损伤达到1所延伸的距离，即蠕变萌生发生的临界距离，

(Ⅷ)中：MSF_RR为塑性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：

sinh是双曲正弦函数，h_RR为瞬态蠕变应力三轴度，在塑性应力状态下：

其中平均应力单位是MPa，其计算公式为：

其中：σ₁₁和σ₃₃是利用RRss应力场计算得出的裂纹前沿的应力值，单位是MPa，

其中：是与θ和n有关的无量纲函数。