一种多轴蠕变性能参数的测试方法与流程

1.本发明涉及多轴蠕变断裂寿命预测技术领域，特别是涉及一种多轴蠕变性能参数的测试方法。


背景技术：

2.现代社会的发展使得人类对能源总量和能源利用效率的追求不断提高。根据卡诺热机效率公式，在低温热源一定的情况下，只有提高热源温度才能提高能源利用效率先进能源装置的应用的前提是高可靠性与安全。在高温、高压等苛刻环境的作用下，先进能源装置的应用受到更为严苛的挑战，其材料长期服役后无法避免劣化，此外，高温构件的关键部件往往包含了几何不连续，使得这些区域的材料处于多轴应力状态，长期服役带来的蠕变损伤导致上述这些区域最先失效。因此，多轴蠕变断裂寿命预测是影响高温下服役构件(以下简称高温构件)的设计的重要因素，准确、高效地预测多轴蠕变断裂寿命对保证构件安全、可靠具有重要的工程意义。
3.基于应力的多轴蠕变断裂寿命的预测需要预先获悉多轴断裂参数α的具体数值。现有多轴蠕变断裂寿命的测试方法有3种：第一种方法是纯测试方法，需要对多种类型的试样进行测试，导致成本高、耗时、费力，因而可能会严重影响构件的服役进度。相较于前者，第二种方法是有限元与多轴测试相结合的方法，虽然仍需对多种类型的试样进行测试，但是由于借助了成熟的计算机模拟软件和蠕变损伤本构模型，该方法有效地降低了多轴应力测试的试验周期和测试难度；第三种方法与第二种方法相同，只是多轴应力测试所用的试样类型和失效模式不同。换言之，上述三种方法可依次表述为：多次单轴蠕变试验 多次多轴蠕变试验；多次单轴蠕变实验 计算机模拟 少量多轴蠕变试验；多次单轴蠕变实验 计算机模拟 少量多轴蠕变试验。其中方法第三种方法与第二种方法中涉及的多轴试验存在两点不同：试样类型不同和失效方式不同。标准的单轴蠕变试验，动辄需要几个月、甚至几年的实验时间，而且需要较大的试验空间，而在相同条件下，多轴蠕变试验的时长往往比单轴试验高数倍甚至一个数量级。因而基于两者的组合测试方法所需的成本、测试时长和测试设备巨大，不能满足现阶段对服役材料高通量、加速测试的急迫要求。
4.相较于第一种方法，第二、三种方法借助强大的有限元软件，并通过单轴蠕变试样的测试结果标定蠕变损伤模型中的相关参数，再通过比较少量多轴蠕变试样的结果与蠕变损伤模型的预测结果，最终确定蠕变损伤模型的所有模型参数，最终依靠建立的蠕变损伤模型对高温构件的寿命进行预测。第二、三方法的优势之一是利用了理论模型，但是理论模型是有适用范围的——必须保证理论模型适用的蠕变损伤机制与实际高温构件服役时的损伤机制相同。理论和实验结果都显示蠕变损伤机制是测试载荷相关的，换言之，低载荷下(即测试时长越长)的蠕变机制为扩散蠕变；而短时高载测试条件下，则为位错蠕变机制。由于高、低载荷的蠕变机制不同，基于短时高载测试结果进行标定的蠕变损伤模型不能用于预测材料在长时低载荷的蠕变寿命，否则会过高估计材料服役载荷，进而高估服役寿命。总之，多轴蠕变性能参数预测的上述三种方法都存在一定的、无法克服的缺点。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种多轴蠕变性能参数的测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高多轴蠕变性能参数测试的效率，并降低多轴蠕变性能参数测试的成本。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.本发明提供了一种多轴蠕变性能参数的测试方法，包括以下步骤：
8.(1)首先对待测试材料进行多次单轴蠕变试验，获取结果后计算得到每次单轴蠕变试验中所述待测试材料的蠕变损伤因子λ，然后取所有所述蠕变损伤因子λ的平均值；
9.(2)根据所述平均值和公式α＝exp(1.1
‑
0.83
×
λ)计算所述待测试材料的多轴蠕变性能参数α，其中exp为以欧拉数e为底的指数函数。
10.优选的，在所述单轴蠕变试验中，所述蠕变损伤因子λ的计算公式为其中，ε
t
为第三阶段蠕变应变，为最小蠕变应变速率，t
f
为蠕变断裂寿命。
11.优选的，所述第三阶段蠕变应变ε
t
的计算公式为ε
t
＝ε
f
‑
ε
p
，其中，ε
f
为总的蠕变断裂应变，ε
p
为第一阶段的蠕变应变。
12.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
13.本发明的多轴蠕变性能参数的测试方法提高了多轴蠕变性能参数测试的效率，并降低了多轴蠕变性能参数测试的成本。本发明的多轴蠕变性能参数的测试方法在无需多轴蠕变试验(即极大降低测试成本、时长和试验设备需求)的基础上，规避了基于蠕变损伤本构模型的蠕变机制相关性限制。本发明的多轴蠕变性能参数的测试方法利用了单轴蠕变试验的测试结果内在(自然)地包含了蠕变损伤机制信息这一性质，进而实现了依据客观的试验结果预测材料的多轴蠕变断裂参数的目的。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为本发明多轴蠕变性能参数的测试方法的流程图；
16.图2为单轴蠕变试验得到的蠕变应变随蠕变时间的变化曲线图；
17.图3为多轴蠕变性能参数随蠕变损伤因子的变化曲线图。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.本发明的目的是提供一种多轴蠕变性能参数的测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高多轴蠕变性能参数测试的效率，并降低多轴蠕变性能参数测试的成本。
20.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
21.如图1至图3所示：本实施例提供了一种多轴蠕变性能参数的测试方法，包括以下步骤：
22.(1)首先对待测试材料进行多次单轴蠕变试验，获取结果后计算得到每次单轴蠕变试验中待测试材料的蠕变损伤因子λ，然后取所有蠕变损伤因子λ的平均值；
23.(2)根据得到的平均值和公式α＝exp(1.1
‑
0.83
×
λ)计算待测试材料的多轴蠕变性能参数α，其中exp为以欧拉数e为底的指数函数。
24.参照图3，公式α＝exp(1.1
‑
0.83
×
λ)为申请人采用对大量的试验数据进行回归分析法而得出，图3中：点1为310不锈钢在700℃下的实验数据；点2为316不锈钢在550℃下的实验数据；点3为商业纯铜在250℃下的实验数据；点4为316不锈钢在600℃下的实验数据；点5为314hcu不锈钢在700℃下的实验数据；点6为316ln不锈钢在700℃下的实验数据；点7为0.5cr0.5mo0.25v低合金钢在640℃下的实验数据；点8为p92钢在650℃下的实验数据；点9为dd6镍基单晶合金在1100℃下的实验数据；点10为1cr10nimow2vnb钢在600℃下的实验数据；点11为tial合金在750℃下的实验数据；点12为waspaloy镍基合金在700℃下的实验数据；点13为inconel650镍基合金在650℃下的实验数据；点14为gh3536镍基合金在750℃下的实验数据；点15为9cr1mo钢在600℃下的实验数据；点16为2.25cr1mo钢在600℃下的实验数据；点17为imi834钛合金在650℃下的实验数据；点18为p92钢在600℃下的实验数据。
25.根据图3可以确定，蠕变损伤因子λ与多轴蠕变断裂性能参数α存在显著的相关性，即随着损伤容限因子λ的增大，多轴蠕变断裂性能参数逐渐趋近于数值零。严格的理论分析表明，通盘考虑所有的蠕变损伤机理，蠕变损伤因子λ一般在1～5之间；但是在高载荷下，高蠕变延性材料可能出现更大的蠕变损伤因子λ值。目前，公开文献中，大多数材料的λ值在1～10之间，与理论分析吻合得很好；发现的最大的λ值材料为inconel740镍基合金，经实验测定其λ值约为28，但是实验同时测定其α值为0.09，这与图3给出趋势吻合。
26.如图2所示，在单轴蠕变试验中，蠕变损伤因子λ的计算公式为其中，ε
t
为第三阶段蠕变应变，为最小蠕变应变速率，t
f
为蠕变断裂寿命。第三阶段蠕变应变ε
t
的计算公式为ε
t
＝ε
f
‑
ε
p
，其中，ε
f
为总的蠕变断裂应变，ε
p
为第一阶段的蠕变应变。
27.图2中曲线即为单轴蠕变试验曲线，由于第三阶段的蠕变应变不能直接获得，它可以通过总的蠕变断裂应变减去第一阶段的蠕变应变量获得(对于简单的金属材料，它们在达到最小蠕变速率后，速率会保持不变，此时材料发生均匀变形，直到某一时刻，材料因延性耗尽，发生应变失稳而失效，但是工程材料普遍为复杂的合金，其蠕变第二阶段非常短暂，只存在明显的第一阶段蠕变应变和第三阶段蠕变应变，第二阶段蠕变应变可以忽略不计，因而这里只提及了第一和第三两个阶段)；而过最小蠕变应变速率点的直线(图中虚线所示)与y轴(蠕变应变)的交点即为第一阶段蠕变应变。此处有两点注意：1、为降低单次测试数据带来的损伤容限因子λ计算的波动，需要进行多次的单轴蠕变试验，然后求取损伤容限因子λ的平均值，最后根据损伤容限因子与多轴蠕变断裂性能参数α的关系式确定某一具体材料的多轴蠕变断裂性能参数；2、大量的文献研究表明，在蠕变损伤机制一定的情况下，损伤容限因子是一恒定值。
28.本实施例的多轴蠕变性能参数的测试方法在无需多轴蠕变试验(即极大降低测试成本、时长和试验设备需求)的基础上，规避了基于蠕变损伤本构模型的蠕变机制相关性限制。本实施例的多轴蠕变性能参数的测试方法利用了单轴蠕变试验的测试结果内在(自然)地包含了蠕变损伤机制信息这一性质，进而实现了依据客观的试验结果预测材料的多轴蠕变断裂参数的目的。
29.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。