纳入裂尖拘束效应的高温部件蠕变裂纹扩展寿命评价

The accurate assessment and prediction of creep crack growth life are key problems for the structural integrity assessment, life design and service maintaince of high temperature components. The life assessment method based on single-parameter creep fracture mechanics cannot efficiently incorporate the crack-tip constraint effect, thus the assessment result is over-conservative or non- conservative. Compared with the study on the crack-tip constraint effect under elastic-plastic condition, the creep life assessment theory and technology systems still cannot be established due to the complexity of time dependent creep damage fracture mechanism and mechanics , and there is no high temperature structure integrity assessment codes relative to creep constraint in the world. Using the combination method of creep mechanics and fracture experiments, micro-observations, numerical calculations and theory analyses, this project will mainly investigate the crack-tip constraint effect on multi-scale creep damage and fracture evolution mechanism, the creep crack growth life model relative to constraint, effects of stress level and state on constructive law and ductility of creep of materials, and the quantitative characterization and evaluation of three-dimensional creep crack-tip constraint in high temperature components. Based on these studies, the life assessment method of creep crack growth incorporating crack-tip constraint will be investigated and established. The theory and technology basis for developing advanced high-temperature integrity code incorporating creep constraint effect will be established.

蠕变裂纹扩展寿命的准确评价和预测是高温部件完整性评定、寿命设计和运行维护中的核心问题。基于宏观单参数蠕变断裂力学的寿命评价方法, 未有效纳入裂尖拘束效应的影响, 因而其评价结果过于保守或非保守。相比于弹塑性条件下的断裂拘束效应研究,由于时间相关的蠕变损伤断裂机理及其力学描述的复杂性,目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的蠕变寿命评价理论体系和技术方法，还没有一部蠕变拘束相关的高温结构完整性评定规范。本项目拟采用蠕变力学与断裂实验、微观观察、数值计算和理论分析相结合的方法，主要研究：裂尖拘束影响下的蠕变损伤和断裂的多尺度演化机理，拘束相关的蠕变裂纹扩展寿命模型，应力水平和状态对材料蠕变本构和蠕变延性的影响规律，及高温部件中三维蠕变裂尖拘束的定量化表征及其变化规律。在此基础上, 研究建立纳入裂尖拘束效应的蠕变裂纹扩展寿命评价方法。为发展拘束相关的先进高温结构完整性规范奠定理论和技术基础。

蠕变损伤和断裂是高温工业设备的主要失效模式。蠕变裂纹起裂和扩展寿命的准确预测是高温部件完整性评定、寿命设计和运行维护中的关键问题。基于宏观单参数蠕变断裂力学的寿命评价方法, 未有效纳入裂尖拘束效应的影响, 因而其评价结果过于保守或非保守。由于时间相关的蠕变损伤断裂机理及其力学描述的复杂性,目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的蠕变寿命评价的理论体系和技术方法，还没有一部蠕变拘束相关的高温结构完整性评定规范。本项目采用蠕变力学与断裂实验、微观观察、数值计算和理论分析相结合的方法，主要针对纳入裂尖拘束效应的高温部件蠕变裂纹扩展寿命评价方法的相关理论和技术基础开展研究。研究内容和取得的主要成果包括：探明了宽范围不同C*区，裂尖拘束影响蠕变损伤和断裂的机理。建立了典型Cr-Mo-V钢的应力相关蠕变本构和蠕变延性，结合延性耗竭蠕变损伤模型，发展了纳入拘束效应的蠕变裂纹扩展数值模拟方法。研究提出了载荷无关的蠕变拘束参数R*，基于R*建立了试样与管道裂纹蠕变裂尖拘束的关联和材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率方程。探明了不同几何试样和管道裂纹的拘束R*随裂纹尺寸、载荷水平及材料蠕变性能的变化规律，并给出了基于有限元的管道裂纹R*的计算公式。研究建立了基于C*-R*两参数纳入拘束效应的高温管道蠕变裂纹扩展寿命的评价方法。进一步研究提出了基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数Ac。基于参数Ac，建立了材料的统一拘束相关的蠕变裂纹扩展速率方程，表征了管道裂纹的统一拘束。探明了材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响规律及机理。建立了基于C*-R*和C*-Ac 两参数预测试样和管道裂纹蠕变起裂寿命的技术基础。这些成果对纳入裂尖拘束效应的两参数蠕变损伤断裂力学理论的发展具有重要的学术意义；对发展纳入拘束效应的高温构件的完整性评定和蠕变寿命预测的技术方法和标准规范奠定了坚实的技术基础。