多轴应力下基于韧性耗竭的蠕变损伤模型

Creep-damage model is the fundamental basis of life assessment. The aim of the proposal is to establish a creep-damage model of physical significance based on ductility exhaustion concept, with special emphasis on the effect of multi-axial stress on the life of structures at elevated temperature. The following four points will be focused in the study: (1) Establishing the multi-axial creep constitutive and damage evolution laws base on the modified creep void growth theory; (2) Exploring the relationship between the creep ductility and creep damage; (3) Developing the experimental methods of typical and novel specimens under multi-axial stresses at high temperatures, with consideration of the effects of both stress triaxiality and Lode parameter on creep ductility; (4) Based on the proposed creep-damage model, employing failure simulation technique to predict the propagation behavior of creep cracks in tests using various materials and geometries. The findings of this project are believed to provide a scientific basis of the creep life prediction of high temperature components.

蠕变损伤模型是寿命预测技术的核心基础。本项目力图揭示多轴应力对高温结构寿命的影响规律，建立物理意义明确的基于韧性耗竭的蠕变损伤模型，拟从以下四个方面开展工作：（1）改进现有的蠕变孔洞长大理论，建立起多轴应力作用下的蠕变本构和损伤演化方程；（2）建立基于细观力学理论的有限元模型，探索蠕变破断韧性与蠕变损伤之间的关联机制；（3）考虑应力三轴度和Lode参数对蠕变韧性的综合影响，建立多轴应力作用下典型试样和新型试样的蠕变试验方法；（4）基于提出的蠕变损伤理论模型，应用单元失效技术，预测不同材料和不同结构中的蠕变裂纹扩展行为，并与试验结果进行比较。研究成果可望为高温结构蠕变寿命预测奠定科学基础。

面向保障重大高温装备可靠设计与安全运行的需要，针对多轴应力下高温结构寿命难预测之问题，项目组致力于多轴应力断裂试验、蠕变损伤模型、寿命预测方法三个方面的研究，较好地完成了项目的预期计划。主要研究工作及成果包括：（1）设计了新型的拉伸剪切缺口试样和拉扭缺口薄壁管试样，建立了宽范围应力三轴度作用下的断裂试验方法；（2）改进了基于小试样的材料蠕变性能测试方法，获得了大变形和不同蠕变机制对小试样蠕变试验误差的影响规律；（3）澄清了应力水平对金属蠕变韧性的影响机理，发现Wen-Tu多轴韧性因子模型可以很好地描述应力三轴度对金属蠕变韧性的影响规律；（4）基于多轴应力晶界孔洞化模型，建立了蠕变疲劳裂纹扩展分析方法，较好地预测了高温循环载荷下的裂纹扩展行为；（5）基于氧扩散弱化晶界结合能力模型，提出了环境因素作用下的裂纹扩展预测方法。研究成果为高温构件寿命预测提供了科学支持。项目实施以来共发表学术论文16篇（其中SCI收录7篇），申请/授权发明专利5项、软件著作权2项。项目负责人获上海市科技进步一等奖、上海市教学成果二等奖、中国航空学会科学技术奖三等奖、中日双边高温材料强度研讨会杰出贡献奖、上海市五一劳动奖章等奖励，项目组成员获中国机械工程学会压力容器分会优秀博士学位论文卓越奖、国际会议最佳论文奖、最佳海报奖等奖励。培养博士后2名、博士研究生2名、硕士研究生4名。