工业纯钛室温蠕变及其含裂纹承压结构完整性评定

Titanium has been widely employed as condenser in nuclear power，manned submersible in deep-sea exploration, pressure tank in spacecraft, cladding-tube used for nuclear fuel in nuclear reactor and heat exchanger etc.. Due to the room temperature creep behavior, the safety operation of pressurized device has been influenced greatly. Commercial pure titanium is selected as research object, a detailed and deep investigation of room temperature creep, fracture, crack propagation (including fatigue crack propagation and creep fatigue crack propagation) and integrity assessment for titanium pressurized component with crack will be made by theoretical analysis, experiment and finite element simulation in order to reveal creep properties and its mechanical factors, to master the relationship between stress-strain constitutive equation and room temperature creep, to determine the fracture parameter fit for fracture, crack propagation under the condition of room temperature creep, to acquire the influence on fracture, fatigue crack propagation after room temperature creep, to establish failure assessment curve depending on time under consideration of room temperature creep for commercial pure titanium, and finally to propose integrity assessment method for titanium pressurized component with crack considering room temperature creep. The target of project is to supply theory basis for integrity assessment of titanium pressurized component with crack. The achievements of present project will bring great impetus to development of science on failure and safe service of components and structures.

钛金属广泛用于核电冷凝器、深海载人潜水器、宇宙飞船压力容器、核燃料包壳以及钛换热器等。由于钛材存在显著的室温蠕变行为，严重影响了钛制承压设备的安全运行。本课题选择工业纯钛为研究对象，运用理论分析、试验研究和有限元模拟对其室温蠕变、断裂、裂纹扩展行为(包括疲劳裂纹扩展和蠕变疲劳裂纹扩展)及其含裂纹承压结构完整性评定方法开展深入细致的研究，以揭示工业纯钛室温蠕变特性及其力学影响因素；掌握工业纯钛室温蠕变对拉伸应力应变本构关系的影响；确定适于工业纯钛室温蠕变断裂、裂纹扩展的表征参量，获得工业纯钛室温蠕变行为对材料断裂、疲劳裂纹扩展的影响因素及规律；建立考虑室温蠕变与时间相关的工业纯钛含裂纹承压结构失效评定曲线；提出考虑室温蠕变含裂纹工业纯钛承压结构完整性评定方法。课题的研究目标是为含裂纹钛制承压结构完整性评定提供理论基础。课题研究成果将对零件与结构的失效与安全服役科学的发展具有重要的推动作用。

钛金属广泛用于核电冷凝器、深海载人潜水器、宇宙飞船压力容器、核燃料包壳以及钛换热器等。本课题选择工业纯钛为研究对象，运用理论分析、试验研究和有限元模拟对其室温蠕变、断裂、裂纹扩展、疲劳裂纹扩展及其含裂纹承压结构完整性评定方法开展深入细致的研究，为含裂纹钛制承压结构完整性评定提供理论基础。重要成果如下：. （1）系统开展了室温和中低温（293K-523K）恒载蠕变实验与相续蠕变实验，确定了工业纯钛TA2中低温蠕变行为的门槛应力及其蠕变行为的温度应力相关性；阐明了中低温蠕变变形机制；建立了中低温蠕变本构方程。. （2）系统开展了室温和中低温恒应变速率拉伸实验，发现了工业纯钛TA2力学性能的温度与应变速率敏感性，建立了拉伸变形激活能与温度关系以及考虑温度与应变速率的拉伸本构方程。. （3）考虑了应力加载速率、应力水平及预应变量对工业纯钛室温蠕变行为影响，建立了室温蠕变应变与应力加载速率之间的关系，发现室温蠕变对拉伸力学性能及应力应变本构关系的影响，得到了工业纯钛TA2中低温等时应力应变曲线。. （4）开展了典型试样I型裂纹和I-II型裂纹工业纯钛断裂行为研究。探讨了室温蠕变对断裂韧性的影响，确定了室温蠕变下工业纯钛裂纹尖端的断裂参量，并建立了其估算方法。. （5）探讨了室温蠕变与裂纹扩展的关系，获得了室温蠕变裂纹扩展速率。探明了室温蠕变对疲劳裂纹扩展的影响，建立了室温蠕变疲劳裂纹扩展模型。. （6）明确了拉压不对称性对于工业纯钛沿疲劳寿命影响，建立了非对称系数相关的疲劳寿命预测模型。引入预应变系数，建立了预应变后工业纯钛脉动疲劳寿命预测模型。. （7）探讨了工业纯钛室温蠕变特性对承压结构的极限载荷影响，获得了考虑室温蠕变承压结构裂纹扩展寿命。考虑室温蠕变行为，构建了与时间相关的含裂纹工业纯钛承压结构失效评定图，建立了考虑室温蠕变的工业纯钛承压结构完整性评定方法。