基于应变的高温压痕蠕变全过程变形行为及预测方法

Indentation creep test is a very promising assessment methodology to test materials extracted from in-service components, which has the merits of accurate and nearly nondestructive. Meanwhile, this method can also be used in the local damage analysis. In this project, the deformation behavior of high-temperature indentation creep test under multiaxial and inhomogeneous deformation states is analyzed and predicted. Firstly, the creep curve and microscopic deformation will be analyzed in order to obtain the deformation mechanism and typical feature of indentation creep deformation process. On this basis, a novel indentation creep model will be developed. Meanwhile, the relationship between indentation parameters, creep properties and microscopic deformation mechanism will be revealed. A modified deformation parameter will be proposed to establish a strain-based multiaxial creep model which can describe the three creep deformation phases. Finally, an inverse prediction method based on indentation creep test will be proposed to realize the prediction of deformation behavior and constitutive parameters. The creep behaviors can be predicted based on the indentation creep test accurately and reasonably. This project will broaden the application of indentation creep test and provide the theoretical reference for the safety estimation of in-service materials in actual engineering.

压痕蠕变试验技术具有评价准确，近乎无损，适用于局部损伤分析等优点，是一种极具潜力的在役高温构件安全评价手段。本项目针对多轴、非均匀变形状态下的高温压痕蠕变全过程变形行为及预测方法开展基础研究。首先对高温下材料的压痕蠕变响应曲线和微观变形进行分析，探明高温压痕蠕变变形行为的典型特征和演化机理，构建压痕蠕变力学行为模型，揭示压痕蠕变参数、宏观蠕变性能、微观变形机理之间的关系；引入并定义材料非匹配修正的归一化多轴变形损伤参数，从而建立基于应变的多轴变形演化模型，实现压痕变形与蠕变三阶段之间的完整映射关系；提出基于高温压痕蠕变的逆向评价方法，反向推演蠕变变形及本构参数，实现蠕变全过程变形行为的合理预测。本项目将进一步拓宽压痕蠕变试验的适用范围，为解决在役高温构件的安全运行评定提供可借鉴的理论与应用基础。

压痕蠕变试验技术是一种极具潜力的在役高温构件安全评价手段。本项目搭建并优化了一套压痕蠕变试验平台，开展了高温、真空环境下的压痕蠕变试验研究。分析了压头形式、试样状态、操作参数对压痕蠕变宏、微观变形行为的影响，揭示了高温压痕蠕变非均匀变形的典型特征。针对不同变形情况，建立压痕蠕变力学行为模型，提出了分别基于修正参考面积法和几何变形的压痕蠕变变形评价方法，获取等效应力、等效应变随压入深度的变化规律，实现了材料蠕变性能参数的合理评价。通过微观试验研究，揭示了不同变形区域压痕蠕变变形特征，获得微观组织梯度变化与压痕蠕变变形之间的联系，建立了压痕蠕变参数、宏观蠕变性能、微观变形特性之间的关系。构建基于应变的多轴蠕变分析模型，合理描述压痕蠕变局部变形及应力分布，阐明了压痕蠕变过程中塑性堆积、局部损伤、应力三轴度随宏观变形的演化规律，证明试样中心呈现压缩变形特征，而在接触边界呈现拉应力状态。在合理分析压痕变形与蠕变各阶段之间关系的基础上，耦合MATLAB、PYTHON语言以及ABAQUS有限元软件，提出了基于黄金分割算法和神经网络的材料蠕变性能参数逆向评价方法，实现了基于压痕蠕变曲线的材料性能逆向分析。对压痕蠕变和单轴蠕变不同变形阶段开展研究，获取材料蠕变减速阶段变形规律，并建立了基于孔洞的蠕变变形预测模型，实现了材料蠕变变形全过程的合理预测。针对压痕蠕变曲线，建立了基于修正θ法的蠕变变形分析模型，实现不同条件下蠕变变形及曲线的合理分析及预测，最终提出了基于变形的蠕变寿命预测方法。项目成果为压痕蠕变试验技术合理评价材料蠕变性能及剩余寿命提供理论依据，也为在役高温构件的安全评估提供了可借鉴的理论与应用基础。