论文总字数：25144字

摘 要

为了建立高温构件的寿命预测模型，本文开发了一种新型的应力应变混合控制的蠕变疲劳载荷，其中包括应变控制下的疲劳加载和应力控制下的保载。在常规的蠕变-疲劳交互作用（conventional creep-fatigue interaction, CCFI）试验中，疲劳和保载期间的载荷是应变控制的。因此，在本研究中响应被定义为混合蠕变-疲劳交互作用（hybrid creep-fatigue interaction, HCFI）响应。本文研究了P92钢在140~170 MPa保载应力范围内，300s、600s和1800s保载时间下的HCFI响应，提出了一种新的基于粘性的寿命预测模型，用于预测P92钢在HCFI和应变控制循环载荷下的疲劳寿命。再利用文献中的一组GH4169合金数据对所提出的模型进行了验证。寿命预测结果表明，该模型对P92钢和GH4169合金在HCFI和应变控制循环载荷下的寿命预测均优于现有模型。

关键词：应力应变混合控制的蠕变-疲劳交互载荷；P92钢；寿命预测

Abstract

For developing a life prediction model for high temperature components, a set of creep-fatigue interaction responses of P92 steel at 625℃ under hybrid stress- and strain-controlled low-cycle-fatigue loading was developed. The hybrid loading cycle prescribed in the tests included low-cycle fatigue loading under strain-control and dwell period steady loading under stress-control. In conventional creep-fatigue interaction （CCFI） tests, the loading during fatigue and dwell period is strain controlled. Hence, responses developed in this study are identified as hybrid creep-fatigue interaction （HCFI） responses. In this study, P92 steel HCFI responses are developed for dwell stresses ranging from 140 MPa to 170 MPa, and dwell periods of 300 s, 600 s and 1800 s. A new life prediction model based on viscosity is proposed to predict the fatigue life of P92 steel under both the HCFI and strain controlled cyclic loadings. The proposed model is also validated against a set of GH4169 alloy data from literature. Life predictions indicate that the proposed model is superior to the existing models in predicting life of P92 steel and GH4169 alloy under both the HCFI and strain controlled cyclic loadings.

Key words: the loading under hybrid stress- and strain-controlled creep-fatigue interaction; P92 steel; life prediction

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 蠕变疲劳行为的研究进展 2

1.2.1 加载波形的影响 2

1.2.2 蠕变的影响 4

1.2.3 疲劳的影响 5

1.3 蠕变疲劳交互作用下的寿命预测方法和研究现状 6

1.3.1 线性损伤累积体系 8

1.3.2 区分法体系 8

1.3.3 M-C方程体系 9

1.4 本课题主要研究内容及方法 10

第二章 试验方法及循环寿命 11

2.1 试验方法 11

2.1.1 试验材料 11

2.1.2 试验设备 11

2.1.3 试验细节 12

2.2 循环寿命 14

第三章 寿命预测模型的提出及验证 18

3.1 Goswami模型 18

3.2 王张涂模型 19

3.3 基于粘性模型的修正 20

3.3.1 动态粘度的修正 20

3.3.2 材料韧性的修正 21

3.4 对提出的寿命预测模型的验证 22

3.5 三种模型的寿命预测效果 25

第四章 总结与展望 28

4.1 结论 28

4.2 未来展望 28

第五章 经济性分析 30

参考文献： 31

致谢 34

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

当今世界，各行各业对电力等能源的需求不断增高，但随着资源日益消耗和能源生产过程中环境污染严重，因此，能源问题逐渐成为世界各国亟需解决的问题之一。对于我国这样一个人口数量世界第一、国内生产总值世界第二的大国来说，能源问题显得尤为瞩目。目前，我国已然成为世界上最大的能源生产国，但同时我国也是世界上最大的能源消费国，且长期处于“缺油少气多煤”的局面。所以，在现有的能源结构下，立足我国国情，大力发展超超临界发电技术成为我国《电力发展“十三五规划”》重点任务之一，同时也是《中国制造2025》工业强基工程的重点推动领域之一。

众所周知，燃煤发电技术一直以提升机组容量和蒸汽参数，进而提高机组热效率、降低污染物排放为目标。现今我国USC机组，如上海外高桥第三发电厂，该机组在运行时主蒸汽温度达到600℃，压力达到了27 MPa，净效率达到了44.5%[1]，超高的工作温度和蒸汽压力对机组部件制造材料提出了严苛的要求。因此采用优异性能的耐热材料，是保证USC机组安全稳定运行的关键因素之一。在众多耐热钢中，9%Cr钢马氏体耐热钢由于其拥有优异的耐蠕变抗氧化性能、较高的导热性能以及抗拉强度高和热膨胀系数低等特点，被广泛应用于USC机组的水冷壁板、再热器、过热器、主蒸汽管道以及汽轮机转子等关键部件中。且随着社会的发展和工业生产的需求，对于这些部件材料的考验越来越严苛，所以部件需要在满足一定安全性能的基础上还具有足够强的力学性能和使用寿命。而部件的损伤可以大都归因于材料蠕变疲劳交互作用（CFI）[2]，因此，有效的预测CFI下材料的寿命对工业生产及社会安全具有重要意义。

高温部件在启停时必然会带来温度波动，这对应着应变控制的疲劳；而在稳定工况下长期运行又将引起应力控制的蠕变，因此，蠕变和疲劳是对应两种不同的损伤机理。然而当前实验室内大多都采用纯应变控制的蠕变疲劳载荷来研究材料在这种复杂工况下的损伤，这种形式的损伤会容易随着保载时间的增加而饱和，即很难模拟出蠕变损伤占主导的失效模式。所以要探究新的加载方式来研究材料的蠕变疲劳损伤。另外，准确的寿命预测技术是选材设计的基础，而对于这种新型载荷下的寿命预测技术鲜有报道，因此提出一种广泛适用的寿命预测技术显得尤为重要，可以为设计提供指导。同时，美国爱达荷国家实验室（INL）的报告指出：混合控制蠕变疲劳交互作用（HCFI）载荷更能反映实际高温装备的承载特点，开停车过程中温度瞬变引起的疲劳损伤反映在应变控制的疲劳阶段，而装备在额定力值载荷下稳定运行所产生的蠕变损伤则反映在应力控制的蠕变阶段。

请支付后下载全文，论文总字数：25144字