[发明专利]弹性条件下含残余应力的蠕变孕育期预测方法

权利要求书

1.弹性条件下含残余应力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：所述模型包括CT试样本体，所述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应设置，分别设置在槽的上下两端；

S2：首先利用上圆销、下圆销对CT试样本体的上下两端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；在弹性条件下，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，

其中：是塑性残余应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；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)，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：是主载荷应力强度因子，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；

其中：是二次载荷参考应力，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)然后计算线弹性应力场下孕育期时间t_i^K，其计算公式为：

(Ⅲ)中：ε_crit是单轴蠕变韧性，与材料属性有关；是蠕变应变变化率，单位为h^-1，与材料高温蠕变属性有关；是与裂纹尖端角度θ和泊松比ν有关的无量纲函数，d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，单位为mm；

(Ⅲ)中：MSF_K为弹性条件下多轴应力因子，根据CocksandAshby关系式计算：

其中：n为无量纲的蠕变应力硬化指数，sinh是双曲正弦函数，h_k为弹性应力三轴度，在弹性应力状态下：

其中：θ是裂纹尖端角度，ν是泊松比。

2.根据权利要求1所述的弹性条件下含残余应力的蠕变孕育期预测方法，其特征在于：d取所研究材料的晶粒尺寸。

3.根据权利要求1所述的弹性条件下含残余应力的蠕变孕育期预测方法，其特征在于：B_n＝B。

4.根据权利要求1所述的弹性条件下含残余应力的蠕变孕育期预测方法，其特征在于：所述有限元模拟采用abaqus完成，J_S、Z的提取过程包括以下步骤：

(1)首先按照尺寸，建立预压缩加载的CT试样的有限元模型，在材料属性模块里设置弹性塑性参数，在载荷模块里设置压缩载荷，以及拘束条件，所述拘束条件包括对称条件和固定条件，在接触模块里设置压缩圆销与试样上下表面的的刚性接触，在分析步模块里设置好输出参量：应力值，在网格模块划分网格；

(2)在作业模块提交任务计算，获得残余应力的计算结果，结果文件中，从场变量中可以直接提取二次载荷参考应力

(3)建立相同尺寸的试样模型，进行主载荷拉伸试验，在材料属性模块里设置高温下的弹性塑性蠕变参数，在网格模块划分网格，在接触模块里设置拉伸销子与销孔的刚性接触，并在模型中插入预制裂纹，在分析步模块里设置好输出参量：应力值，应力强度因子K值，断裂参量J积分值，在载荷模块里设置拉伸载荷，以及拘束条件：包括对称条件和固定条件，在预加载应力场中导入上步算好的残余应力；

(4)在作业模块提交任务计算，获得含有残余应力的蠕变拉伸实验计算结果，结果文件中，在插入裂纹后还未施加拉伸载荷时刻，从历史变量中可以获取模拟计算的只含有残余应力下的应力强度因子以及残余应力断裂参量J_S，在施加拉伸载荷的初始时刻，可以获取塑性主载荷应力强度因子从历史变量中可以获取等效应力随总应变增量的变化曲线，从曲线中得到等效蠕变应变增量，等效弹性应变增量进而得到弹性追随因子Z。