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復(fù)雜加載條件下壓力容器典型用鋼疲勞蠕變壽命預(yù)測方法

文檔作者：陳學(xué)東范志超江慧豐董杰文檔來源：合肥通用機(jī)械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年10月21日
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第45卷第2期
2009年2月
機(jī)械工程學(xué)報
JOURNAL OF M ECHANICAL ENGINEERING
VO1．45 N O．2
Feb． 2009
DoI： 10．3901／JM E．2009．O2．081
復(fù)雜加載條件下壓力容器典型用鋼
疲勞蠕變壽命預(yù)測方法水
陳學(xué)東 范志超 江慧豐 董 杰
f合肥通用機(jī)械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心合肥230031)
摘要：針對多軸應(yīng)力狀態(tài)，探討壓力容器典型用鋼16MnR缺口試樣的高溫疲勞與循環(huán)蠕變交互作用行為，在延性耗竭理論
和損傷力學(xué)基礎(chǔ)上，建立一種半壽命平均位移速率壽命預(yù)測模型，采用該方法對不同缺口半徑試樣的高溫疲勞壽命進(jìn)行了較
好的預(yù)測。針對多級加載條件，研究316L鋼的循環(huán)變形行為，探討疲勞蠕變與動態(tài)應(yīng)變時效之間的耦合作用，在延性耗竭
理論基礎(chǔ)上，建立非線性損傷演化模型，考慮多級加載時的載荷歷程效應(yīng)，提出一種新的損傷累積準(zhǔn)則，采用該方法對二級
加載條件下的疲勞蠕變壽命進(jìn)行了較好的預(yù)測。
關(guān)鍵詞：多軸多級疲勞蠕變損傷壽命預(yù)測
中圖分類號：0346．2 TG142．33
C reep—fatigue Life Prediction M ethods of Pressure Vessel Typical Steels
under Complicated Loading Conditions
CHEN Xuedong FAN Zhichao JIANG Huifeng DONG Jie
(National Engineering Technology Research Center on PVP Safe
Hefei General Machinery Research Institute，Hefei 23003 1)
Abstract：W ith 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 diferent notch radiuses．As to multi-step loading
condition，cyclic deformation behavior is investigated for 3 1 6L steel and creep -fatigue interaction coupled with dynamic strain aging
efect is also discussed．Based on the ductility exhaustion theory,a nonlinear dam age evolution model is developed．Moreover,a new
damage cumulated rule is proposed with the load history efect taken into account．By using this model，2-step creep -fatigu e lives are
well predicted．
Key words：Multi·-axis Multi--step Creep--fatigu e Damage Life prediction
0 前言
高溫環(huán)境下長期服役的壓力容器在設(shè)計和安
全評定時除了要考慮疲勞損傷、蠕變損傷及疲勞蠕
變交互作用損傷外，還要考慮多軸載荷、多級載荷
“十一五”國家科技支撐計劃專題(2006BAKO2B02．02)和安徽省優(yōu)秀
青年基金(0804OlO6827)資助項目。20081118收到初稿，20081225收
到修改稿
等復(fù)雜條件對承壓設(shè)備壽命的影響。
本課題組在“十五”科技攻關(guān)期間，主要針對
壓力容器典型材料開展了高溫疲勞及疲勞蠕變交互
作用行為研究【l J，分別從能量、韌性、延性角度提
出了幾種高溫疲勞蠕變壽命預(yù)測和損傷評估方
法【4J。但前期研究并沒有考慮復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和復(fù)雜
加載歷史對疲勞及疲勞蠕變行為的影響，而實際承
壓設(shè)備的缺口或應(yīng)力集中部位始終是整個結(jié)構(gòu)的薄
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82 機(jī)械工程學(xué)報 第45卷第2期
弱環(huán)節(jié)，是影響結(jié)構(gòu)壽命的關(guān)鍵因素。雖然目前有
很多高溫多軸疲勞壽命預(yù)測方法，如等效應(yīng)變法、
能量法}5】、臨界平面法_6J等，但大都要涉及到材料
精確的本構(gòu)關(guān)系，若此時高溫疲勞過程中還伴隨著
循環(huán)蠕變現(xiàn)象，則其本構(gòu)模型更為復(fù)雜，目前建立
的各種本構(gòu)模型尚無法對其進(jìn)行很好描述【7 】。因此
研究多軸載荷下常用材料的疲勞蠕變行為及便于應(yīng)
用的壽命預(yù)測方法非常重要。此外，復(fù)雜的溫度和
載荷波動將引入載荷歷程效應(yīng)，此時若采用工程上
常用的線性壽命分?jǐn)?shù)法 j，壽命預(yù)測結(jié)果誤差往往
較大，要么偏于危險，要么過于保守。而連續(xù)損傷
力學(xué)可用非線性的方式累積疲勞蠕變損傷，從而能
夠計及載荷歷程效應(yīng)，因而在常溫變幅疲勞及高溫
常幅疲勞蠕變壽命預(yù)測等方面得到了一定應(yīng)
用【lo． 】，但針對高溫變幅載荷下的疲勞蠕變壽命預(yù)
測方面的研究還很少。因此，針對復(fù)雜加載情況，
研究發(fā)展基于非線性連續(xù)損傷力學(xué)的疲勞蠕變壽命
預(yù)測方法具有重要意義。
本文針對多軸應(yīng)力狀態(tài)，通過不同缺口半徑試
樣的高溫疲勞試驗，研究了疲勞與循環(huán)蠕變共同作
用下的循環(huán)行為，在延性耗竭理論和損傷力學(xué)有效
應(yīng)力概念基礎(chǔ)上，建立了～種半壽命平均位移速率
壽命預(yù)測模型；針對多級加載條件，開展了316L
鋼單級和兩級疲勞蠕變試驗，探討了疲勞蠕變與動
態(tài)應(yīng)變時效之間的耦合作用，在延性耗竭理論基礎(chǔ)
上，建立了一種非線性損傷演化模型，并考慮載荷
歷程效應(yīng)，提出了一種新的損傷累積準(zhǔn)則，采用該
方法對二級加載條件下的疲勞蠕變壽命進(jìn)行了較好
的預(yù)測。
1 多軸應(yīng)力狀態(tài)
1．1 缺口及光滑試樣的循環(huán)蠕變行為
材料為熱軋態(tài)16MnR鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分
數(shù))為：0．14C、0．27Si、1．32Mn、0．004S、0．012P、
0．07Ni、0．06Cr、0．018Ti，F(xiàn)e為基體金屬。沿軋制
方向取樣，制成光滑試樣和不同半徑的半圓形缺口
試樣，在MTS一809試驗機(jī)上進(jìn)行高溫疲勞試驗，溫
度為420℃，環(huán)境為實驗室大氣。試驗方式為應(yīng)力
控制、脈動循環(huán)(應(yīng)力比 =0)、正弦波加載。
機(jī)加工后的缺口試樣不可避免地會偏離原來
設(shè)計尺寸，為提高壽命預(yù)測精度，對各試樣缺口實
際半徑、缺口偏心距進(jìn)行了測量。同時為簡化起見，
以16MnR鋼420℃時的單調(diào)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系代
替復(fù)雜的應(yīng)力一循環(huán)蠕變本構(gòu)關(guān)系，并采用ANSYS
有限元軟件計算缺口根部的應(yīng)力分布。光滑試樣和
缺口試樣的高溫疲勞試驗結(jié)果如下表所示。
試驗得到典型的應(yīng)力位移遲滯回線如圖1所
示，可以看出，遲滯回線在整個壽命期間內(nèi)不封閉、
不穩(wěn)定，而且發(fā)生了循環(huán)蠕變現(xiàn)象。
表缺口及光滑試樣高溫疲勞試驗參數(shù)及結(jié)果
試樣編號 蓑 缺 缺 距名 名
f／H
頻
z
率
，蚴咖n
max，MPa mi a ／MPa 。m ? 司 一螂一毫詈 一舢 O 0 O 3 3 3 瑚 瑚0 O 0 l勰 l l 一●l學(xué)兔兔 www.xuetutu.com
2 0 0 9 年2 月陳學(xué)東等： 復(fù)雜加載條件下壓力容器典型用鋼疲勞蠕變壽命預(yù)測方法8 3
耐
星吾
．R
倒
墳
嬸
圖1 缺口試樣典型的應(yīng)力位移遲滯回線
圖2 給出了缺口試樣及光滑試樣平均位移的變
化規(guī)律?？梢钥闯觯?光滑試樣和缺口試樣的循環(huán)蠕
變在全壽命期間內(nèi)均可大致分成三個階段：① 初始
快速增長階段， 此時循環(huán)蠕變速率相當(dāng)大。② 循環(huán)
穩(wěn)定階段， 材料經(jīng)一定循環(huán)周次之后， 循環(huán)蠕變速
率下降到一定數(shù)值并穩(wěn)定下來。③ 快速斷裂階段，
循環(huán)蠕變速率非常大， 可能與材料萌生微裂紋有關(guān)。
可見， 不論是光滑試樣， 還是缺口試樣， 材料的破
壞都是疲勞與循環(huán)蠕變共同作用而使材料延性不斷
耗竭的結(jié)果， 只不過缺口試樣由于應(yīng)力集中的存在，
循環(huán)蠕變基本被限制在缺口附近較小的范圍內(nèi)而不
進(jìn)行傳播， 從而使得在相同最大應(yīng)力作用下缺口試
樣的疲勞強(qiáng)度有所提高。
量
{
善
渣
翅
霹
*
循環(huán)次數(shù)M 周
(a ) 缺口試樣
循環(huán)次數(shù)M 周
(b ) 光滑試樣
圖2 缺口及光滑試樣的平均位移演化規(guī)律
1 ． 2 最大軸向應(yīng)力壽命預(yù)測方法
脈動循環(huán)時高溫疲勞壽命預(yù)測要兼顧考慮循
環(huán)蠕變損傷和疲勞損傷。由試驗結(jié)果可知， 雖然部
分試樣缺口根部最大軸向應(yīng)力的有限元計算結(jié)果已
超過材料抗拉強(qiáng)度(~ b
= 5 1 7 M P a ) ， 但考慮到缺口根
部應(yīng)力水平越高， 循環(huán)蠕變速率越大， 材料壽命越
短， 從這一點出發(fā)， 可建立缺口根部最大軸向應(yīng)力
與材料壽命之間的關(guān)系。在雙對數(shù)坐標(biāo)上兩個參量
的擬合結(jié)果如下。
缺口試樣
U f
= 1 0
。。?? ’’?！?
盯
N
- 2
n m x
0 ． 0 。。’
R ’
- 0 ． 8 8 5 3 ( 1 )
光滑試樣
N f
。1 0
。。。。。。
呱
- 3
m
0 ． 3 6 ?！?
R ’
- 0 ． 9 4 6 5 (2 )
式中， 尺，為線性相關(guān)系數(shù)， G N m a x 為名義最大應(yīng)力。
預(yù)測壽命與實測對比， 均在土3 倍誤差帶之內(nèi)，
如圖3 所示， 可見最大軸向應(yīng)力壽命預(yù)測方法對光
滑試樣、缺口試樣的高溫疲勞壽命都可以進(jìn)行預(yù)測，
基本滿足工程上的精度要求。
匿
≥
囂尾
騷
圖3 最大軸向應(yīng)力法的預(yù)測效果
1 ． 3 半壽命平均位移速率壽命預(yù)測方法
本課題組曾在延性耗散理論和損傷力學(xué)有效
應(yīng)力的基礎(chǔ)上， 建立了一種應(yīng)力控制模式下以半壽
命平均應(yīng)變速率作為控制參量的疲勞蠕變壽命預(yù)測
模型【4 1
， 該模型考慮了循環(huán)蠕變與靜蠕變的交互作
用， 同時考慮了平均應(yīng)力的影響， 通過三種材料室
溫及高溫連續(xù)疲勞、帶保載時間的疲勞蠕變試驗驗
證， 預(yù)測效果都較好。該模型為
N
f
= 鼻墻(3 )
式中， 晶為半壽命平均應(yīng)變速率， k 1 、也為試驗
常數(shù)。
由于無法通過試驗得到缺口試樣根部的應(yīng)力
應(yīng)變， 因此無法應(yīng)用上述模型。如果以缺口遠(yuǎn)場部
位的半壽命平均應(yīng)變或位移速率作為控制參量， 將
大大簡化壽命預(yù)測的難度， 試驗測試與工程應(yīng)用中
也容易實現(xiàn)。從這個角度出發(fā)， 本課題組以半壽命
平均位移速率作為控制參量， 建立如下壽命預(yù)測
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機(jī)械工程學(xué)報 第45卷第2期
方法
Nf=kym (4)
則壽命預(yù)測表達(dá)式如下。
缺口試樣
Nf=10。· 。 ．
m
- 0
R -0．951 9 (5)
光滑試樣
Ur=10。· ．
m
- 0· 。
R -0．9907 (6)
預(yù)測效果如圖4所示，試驗數(shù)據(jù)都在士2倍誤差
帶之內(nèi)。可見，不論光滑試樣還是缺口試樣，不論
缺口尺寸如何，該模型都可以對應(yīng)力控制下的高溫
疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，且精度比最大軸向應(yīng)力法高。
暖
≥
燕
隰
實測壽命^ ／周
圖4 平均位移速率法的預(yù)測效果
2 多級加載條件
2．1 單級和兩級加載的疲勞蠕變行為
針對多級加載條件，開展了單級和兩級應(yīng)力控
制的疲勞蠕變試驗。材料為熱軋態(tài)316L鋼，其化
學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：0．025C、0．41Si、1．41Mn、
0．025P、0．025S、10．22Ni、16．16Cr、2．09M o、0．043N，
Fe為基體金屬。試驗環(huán)境為大氣，溫度550℃，應(yīng)
力控制梯形波加載，循環(huán)周期12 S，其中加卸載段
各1 S，上下保載段均為5 S。為實現(xiàn)應(yīng)力幅、平均應(yīng)
力的不同組合，采用固定最大應(yīng)力(385 MPa)、改變最
小應(yīng)力的方法，考察應(yīng)力幅和平均應(yīng)力對316L鋼疲
勞蠕變性能的影響，詳細(xì)參數(shù)可參見文獻(xiàn)[13．14]。
由于試驗采用應(yīng)力控制梯形波的加載方式，且
平均應(yīng)力不為零，因此材料不但出現(xiàn)了靜蠕變現(xiàn)象，
而且還出現(xiàn)了循環(huán)蠕變現(xiàn)象，此時的應(yīng)力一壽命關(guān)
系較為復(fù)雜，既不同于純疲勞條件下的． Ⅳ曲線，
也不同于純?nèi)渥儣l件下的應(yīng)力壽命曲線，而大致是
二者的綜合。圖5即為單級加載時應(yīng)力幅、平均應(yīng)
力與單級疲勞蠕變壽命的關(guān)系曲線(平均應(yīng)力值列
于坐標(biāo)點左側(cè))，其具有如下特點：當(dāng)平均應(yīng)力為
217．5 MPa時，材料壽命最長， 當(dāng)平均應(yīng)力小于
217．5 MPa時，材料壽命隨應(yīng)力幅增大不斷縮短，
當(dāng)平均應(yīng)力大于217．5 MPa時，材料壽命隨應(yīng)力幅
增大不斷增長。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：當(dāng)應(yīng)力幅
較大、平均應(yīng)力較小時，較大應(yīng)力幅引起的塑性應(yīng)
變累積及循環(huán)蠕變是造成材料損傷的主要原因，而
當(dāng)應(yīng)力幅較小、平均應(yīng)力較大時，上保載階段引入
的靜蠕變則是造成材料損傷的主要原因。
日
星
】暈
．R
圖5 應(yīng)力幅、平均應(yīng)力與單級疲勞蠕變壽命的關(guān)系
在單級疲勞蠕變試驗過程中還發(fā)現(xiàn)了位移、平
均應(yīng)變的階躍現(xiàn)象，即循環(huán)進(jìn)行到某一階段，位移、
平均應(yīng)變會突然增大，圖6給出了一100~385 MPa
時典型的位移、平均應(yīng)變階躍現(xiàn)象?？紤]到試驗溫
度為550℃，恰好是316L材料中動態(tài)應(yīng)變時效最
為劇烈的溫度【J引，此時材料的單調(diào)拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲
線上出現(xiàn)了明顯的鋸齒形狀，且強(qiáng)度和塑性均處在
一個準(zhǔn)平臺階段，因此316L材料的這種循環(huán)階躍
行為應(yīng)當(dāng)與550℃時的動態(tài)應(yīng)變時效強(qiáng)化機(jī)制有
關(guān)。從固溶原子與位錯相互作用的微觀機(jī)理來解釋：
一方面平均應(yīng)力不為零時的疲勞蠕變行為伴隨著靜
蠕變和循環(huán)蠕變現(xiàn)象，此時材料正向的塑性變形不
能被反向的塑性變形所抵消，導(dǎo)致位錯密度不斷增
加，材料延性被不斷耗散，損傷不斷累積；另一方
面由于C、N等固溶原子的擴(kuò)散和遷移，逐步形成
了固溶原子氣團(tuán)，其對位錯的釘扎作用一定程度上
起到了阻礙塑性變形繼續(xù)發(fā)展的作用。隨著循環(huán)次
數(shù)的不斷增加、塑性變形的不斷累積及晶胞內(nèi)位錯
密度的不斷增加，有限的溶質(zhì)原子無法再對越來越
多的可動位錯實施有效的釘扎，因而當(dāng)循環(huán)進(jìn)行到
一定次數(shù)時，位錯會突然掙脫溶質(zhì)原子氣團(tuán)的釘扎
作用而運(yùn)動，并造成位錯的劇烈增殖，從而使材料
瞬間變軟。對于應(yīng)力控制的疲勞蠕變試驗，材料瞬
間變軟必然會導(dǎo)致變形突然增大，即發(fā)生位移的突
然階躍I】酬。值得指出的是，在550℃單級疲勞蠕變
試驗中，位移階躍現(xiàn)象與應(yīng)力水平有很大關(guān)系【1 3】：
當(dāng)最小應(yīng)力小于0 MPa時，位移階躍現(xiàn)象在循環(huán)早
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期就會出現(xiàn)(最早約在總壽命的5 ％ 時出現(xiàn)) ， 且整個
循環(huán)過程中總的階躍次數(shù)較多， 而當(dāng)最小應(yīng)力大于
0 M P a 時， 位移階躍現(xiàn)象則在循環(huán)后期才出現(xiàn)， 且
往往只出現(xiàn)1 次階躍。
美
、
吣
似
翻
霹
抖
呂
{
蹲
魍
循環(huán)周次M 周
(a ) 位移階躍
循環(huán)周次Ⅳ／周
(b ) 平均應(yīng)變階躍
圖6 單級疲勞蠕變時的階躍現(xiàn)象曲線
圖7 給出了兩級加載試驗得到典型的遲滯回
線。兩級應(yīng)力載荷分別為一1 5 0 ~ 3 8 5 M P a 和一5 0 ～
3 8 5 M P a ， 第一級載荷下循環(huán)0 ． 5 倍壽命分?jǐn)?shù)， 然后
在第二級載荷下循環(huán)直至斷裂。從圖7 中可看出，
當(dāng)加載應(yīng)力幅由低向高轉(zhuǎn)變時(- 5 0 3 8 5 M P a 至
一1 5 0 ~ 3 8 5 M P a ) ， 遲滯回線出現(xiàn)了類似于單級試驗
中的應(yīng)變階躍現(xiàn)象( 圖7 b ) ， 而當(dāng)加載應(yīng)力幅由高向
低轉(zhuǎn)變時(一1 5 0 ~ 3 8 5 M P a 至一5 0 ~ 3 8 5 M r'
a ) ， 卻無
該現(xiàn)象發(fā)生。這種兩級加載時出現(xiàn)的應(yīng)變階躍現(xiàn)象，
目前尚未見任何報道， 但它必然會影響材料內(nèi)部的
損傷演化， 并進(jìn)而影響材料的最終循環(huán)壽命。
2 ． 2 非線性損傷演化模型
關(guān)于疲勞蠕變的非線性損傷演化模型， 國內(nèi)外
已開展了較多研究[ 1 ％ 2 0 】
， 但大多將疲勞損傷和蠕變
損傷分開考慮， 且需要大量的純疲勞和純?nèi)渥冊囼?
來確定相應(yīng)的參數(shù)， 實際應(yīng)用較為繁瑣。為此， 本
課題組基于延性耗竭理論提出了一個統(tǒng)一的疲勞蠕
變損傷演化方程式
D = 1 一(1 一D
o )(1 一N ／WO
‘
(7 )
式中， J[ ) 為損傷變量， D 0 為初始損傷， Ⅳ 為循環(huán)周
次， k 為損傷指數(shù)。
疊
鼉
R
瑙
日
宅
巷
應(yīng)變e 1％
(a ) 一1 5 0 ~ 3 8 5 M P a 至- 5 0 ~ 3 8 5 M P a
應(yīng)變階躍
O． 2 0 0 ．2 2 0 ． 2 4 0 ． 2 6 0 ． 2 8 0 ． 3 0
應(yīng)變e 1％
(b ) 一5 0 ~ 3 8 5 M P a 至一1 5 0 ~ 3 8 5 M P a
圖7 兩級應(yīng)力加載時的遲滯回線
實際應(yīng)用時需定義一個可測參量來表征損傷，
該損傷變量要能體現(xiàn)隨循環(huán)不斷累積的疲勞損傷和
蠕變損傷， 其表達(dá)式如下
D = (e
m 。
一6
m 。1 ) ／(e
f
— e
m 。1 ) (8 )
式中， 島。為每1 循環(huán)周次的最大應(yīng)變， , C- m a x l 為第
1 循環(huán)周次的最大應(yīng)變， 研為斷裂延性。
這里， 將第1 周循環(huán)結(jié)束后的狀態(tài)作為材料初
始狀態(tài)， 即D
o
= 0 ， 則式(7 )可簡化為
D = 1 一(1 一Ⅳ ／Ⅳf )
‘
(9 )
那么， 就可按式(9 )對實測損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，
進(jìn)而確定參數(shù)k 。圖8 給出了不同載荷作用下單級
疲勞蠕變的損傷演化曲線。
l 0
O． 8
Q o ． 6
蠼
輯0 ． 4
O-2
0
o o ． o l O． 1 1
壽命分?jǐn)?shù)N IN f
圖8 單級疲勞蠕變的損傷演化曲線
2 ． 3 多級加載條件下的壽命預(yù)測
通常多級載荷下的損傷累積準(zhǔn)則可寫為
Σ口= D
o 0 0 )
i = 1
∞ ∞ ∞ ∞ 0 ∞ ∞
4 3 2 1 l
2
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86 機(jī)械工程學(xué)報 第45卷第2期
式中， 為在第i級載荷作用下產(chǎn)生的損傷，
材料臨界損傷。
D 為 積準(zhǔn)則能較好地預(yù)測多級疲勞蠕變壽命。
該損傷累積準(zhǔn)則對每一級載荷步內(nèi)的非線性
損傷進(jìn)行了累積，并計及了載荷歷程效應(yīng)，但該一
般準(zhǔn)則卻未能包含應(yīng)變階躍所引起的瞬間損傷增
加。基于此，對一般損傷累積準(zhǔn)則方程式(10)進(jìn)行
如下修正
Σ +Σ =Dc (11)
i=1 j=l
式中，ADj是第，次階躍引起的損傷增量，可由式(12)
得到
△D，=Aem ，／( 一g'max1) (12)
式中，△ ，為第 次階躍時的最大應(yīng)變增幅。
那么，材料在多級加載條件下的疲勞蠕變壽命
即可由損傷演化方程式f9)和修正的損傷累積準(zhǔn)則
式(11)得到。圖9給出了幾種損傷累積準(zhǔn)則壽命預(yù)
測效果的比較。可以看出修正的損傷累積準(zhǔn)則優(yōu)于
目前常用的兩種準(zhǔn)則。
匿
≥
囂
實測壽命^ 周
圖9 幾種損傷累積準(zhǔn)則預(yù)測效果的比較
3 結(jié)論
(1)缺口試樣由于應(yīng)力集中的存在，將循環(huán)蠕
變變形限制在缺口附近較小的范圍內(nèi)而不進(jìn)行傳
播，從而使材料的疲勞強(qiáng)度有所增加，在延性耗竭
理論基礎(chǔ)上建立的半壽命平均位移速率壽命預(yù)測方
法與最大軸向應(yīng)力壽命預(yù)測方法相比，效果較好，
模型形式簡單，適合于工程應(yīng)用。
f2)由于動態(tài)應(yīng)變時效作用，應(yīng)力控制的單級
疲勞蠕變試驗中出現(xiàn)了應(yīng)變階躍現(xiàn)象；而在兩級加
載條件下，當(dāng)加載應(yīng)力幅由低向高轉(zhuǎn)變時，遲滯回
線上出現(xiàn)了應(yīng)變階躍現(xiàn)象，而當(dāng)加載應(yīng)力幅由高向
低轉(zhuǎn)變時，卻無該現(xiàn)象發(fā)生。
(3)考慮到多級加載時有可能出現(xiàn)的應(yīng)變階
躍，對一般損傷累積準(zhǔn)則進(jìn)行了修正，修正后的累
參考文獻(xiàn)
【1】楊鐵成，范志超，陳凌，等．1．25Cr0．5Mo鋼520~C疲
勞蠕變交互作用研究【J]．壓力容器，2006，23(3)：6-9．
YANG Tiecheng，F(xiàn)AN Zhichao，CHEN Ling，et a1．
Fatigue-creep interaction investigation of 1．25Cr0．5Mo
steel at 520~C[J]．Pressure Vessel Technology，2006，
23(3)：6-9．
[2]楊鐵成，陳凌，范志超，等．1．25Cr0．5Mo鋼高溫疲勞
蠕變交互作用的壽命預(yù)測[J]．壓力容器，2005，22(9)：
8．12．
YANG Tiecheng，CHEN Ling，F(xiàn)AN Zhichao，et a1．Life
prediction for fatigu e·creep interaction of 1．25Cr0．5Mo
steel at elevated temperature[J]． Pressure Vessel
Technology，2005，22(9)：8-12．
[3]FAN Zhichao，CHEN Xuedong，CHEN Ling，et a1．Fati
gue—creep behavior of 1．25Cr0．5Mo steel at high
temperature and its life prediction[J]．International Journal
ofFatigu e，2007，29： 1 174-1 183．
[4]陳學(xué)東，范志超，陳凌，等．三種疲勞蠕變交互作用
壽命預(yù)測模型的比較及其應(yīng)用【J】．機(jī)械工程學(xué)報，
2007，43(1)：62-68．
CHEN Xuedong，F(xiàn)AN Zhichao，CHEN Ling，et a1．
Comparison among three fatigu e-creep interaction life
prediction models and their applications[J]．Chinese
Journal ofMechanical Engineering，2007，43(1)：62·68．
[5】GARUD Y S．A new approach to the evaluation offatigue
under multiaxial loading[J]．Transactions ASME Journal
of Engineering Material and Techn ology ，1981，103：
1 l8．125．
[6】MAKINDE A，NEALE K W．A general criterion for
low-cycle multiaxial fatigue failure[J】．ASME Journal of
Engineering Material and Technology ， 1989， 1 1 1：
263．269．
【7】高慶，康國政，楊顯杰，等．304不銹鋼高溫多軸非比
例循環(huán)棘輪行為的粘塑性本構(gòu)描述[J】．核動力工程，
2002，23(3)：22—29．
GAO Qing，KANG Guozheng，YANG Xianjie，et a1．
Visco·plastic constitutive modeling for multiaxial
ratcheting of 304 stainless steel at high temperatures[J]．
Nuclear Power Engineering，2002，23(3)：22-29．
[8]張娟，高慶，康國政，等．SS304不銹鋼高溫非比例多
軸循環(huán)變形行為的粘塑性本構(gòu)描述【J】．應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，
2006，23(4)：592-598．
ZHANG Juan，GAO Qing，KANG Guozheng，et a1．
學(xué)兔兔 www.xuetutu.com
2009年2月 陳學(xué)東等：復(fù)雜加載條件下壓力容器典型用鋼疲勞蠕變壽命預(yù)測方法
Visco-plastic constitutive description for multiaxial
ratcheting of 304 stainless steel at high temperatures[J]．
Chinese Journal of Applied Mechanics，2006，23(4)：
592．598．
[9】MINER M A．Cumulative damage in fatigue[J]．Journal
ofApplied Mechanics，1945，67： 159-164．
【10]CHENT G X，PLUMTREE A．A fatigue damage accumulation
model based on continuum damage mechanics an d
ductility exhaustion[J]．International Journal of Fatigue，
1998，20(7)：495-501．
[11]SHANG Deguang，YAO Weixing．A nonlinear dam age
cumulative model for uniaxial fatigue[J]．International
Journal ofFatigue，1999，2l(2)：187-194．
【l2】Ⅺ M T W，KANG D H，YEOM J T，et a1．Continuum
damage mechanics--based creep--fatigu e·-interacted life
prediction of nickel-·based superalloy at high tempera-·
ture[J]．Scripta Materialia，2007，57(12)：l 149一l 152．
【13]JIANG Huifeng，CHEN Xuedong，F(xiàn)AN Zhichao．Influenee
of dynamic strain pre··treatment on creep··fatigue
behavior in 3 16L stainless steel[J]．Materials Science and
Engineering，A，2009，500(1-2)：98-103．
[14】DONG Jie，CHEN Xuedong，F(xiàn)AN Zhichao．High temperature
fatigu e creep life prediction of 3 1 6L stainless steel
under 2-step load[C】／／Symposium of Evaluation，
Inspection and Monitonng of Structural Integrity,
FM2008，Oct．31，2008，Hangzhou，China．Shanghai：East
China University of Science an d Technology Press，2008：
299-302．
[15】HONG S G，LEE S B．Dynamic strain aging under tensile
and LCF loading conditions，and theft comparison in cold
worked 316L stainless steel[J]．Journal of Nuclear
Materials，2004，328：232-242．
[16】JIANG H F，ZHANG Q C，CHEN X D．Three types of
portevin-le chatelier efects：Experiment and modelling[J]．
Acta Materialia。2007．55：2 219．2 228．
【17】MANSON S S．Behavior ofmaterials under conditions of
thermal stress[R]．NASA-1N-2933，1975．
[18】JEONG C Y，CHOI B G，NAM S W．Norm alized life
prediction in term s of stress relaxation behavior un der
creep-fatigue interaction[J]．Materials Letter,2001，49(1)：
20．24．
[19】GOSWAMI T．Low cycle fatigue life prediction-a new
model[J]．International Journal of Fatigu e，1997，19(2)：
109．1 15．
[2O】FATEMI A，YANG L．Cumulative fatigue damage life
prediction theories：a survey of the state of the art for
homogeneous materials[J]． International Journal of
Fatigue，1998，2O(1)：9-34．
作者簡介：陳學(xué)東(通信作者)，男，1964年出生，研究員，博士研究生
導(dǎo)師。主要研究方向為壓力容器安全工程和含缺陷結(jié)構(gòu)完整性。發(fā)表論
文9O余篇。

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