应力应变混合控制下蠕变疲劳交互作用的损伤评定与寿命预测

Aiming the requirements of reliability technology for critical high temperature components used in the fields of electric power and aeronautics, and to minimize the gap between conventional strain-control creep fatigue loading and the loading features of actual engineering components, this proposal performs the investigation on damage assessment and life prediction of creep fatigue interaction loading conducted under the mode of stress and strain hybrid-control. The microstructural structure evolution and the competitive mechanisms between creep and fatigue damage under multiple factors such as fatigue strain amplitude, strain rate, creep stress and hold time will be investigated; the relationship between the characteristics of microstructural evolution and the damage mode will be constructed; the effect of creep void closure due to the fatigue loading on the growth and coalescence of creep voids will be clarified. Afterwards, a fatigue damage equation under varied strain amplitudes will be developed and a general damage assessment method will be proposed. Finally, a novel cyclic viscoplasticity constitutive model with coupled damage and deformation will be developed to simulate the creep deformation under low stress during hybrid-control creep fatigue loading and to construct a purely numerical life prediction method. The proposal simultaneously involves the subject of mechanics, physics, materials, etc., which can enrich the current system of damage assessment and life prediction under creep fatigue loading and can also provide scientific support for the life design of critical components used under the complicated loading conditions.

面向电力、航空领域关键高温部件的可靠性技术需求，针对传统应变控制蠕变疲劳载荷与实际工程部件承载特点存在差异的问题，开展应力应变混合控制模式下蠕变疲劳交互作用的损伤评定与寿命预测方法的研究。探究疲劳应变幅值、应变速率、蠕变应力水平和保载时间等多因素作用下材料微观结构演化及蠕变疲劳损伤竞争机制，建立微观组织演化特征与损伤模式之间的映射关系，揭示疲劳导致的蠕变孔洞闭合效应对孔洞长大及合并的影响规律；发展变幅值疲劳损伤方程，建立通用的蠕变疲劳损伤评定方法；针对混合控制蠕变疲劳载荷中的低应力蠕变变形，构建新的损伤与变形耦合的循环粘塑性本构模型，建立全数值寿命预测方法。本项目体现了力学、物理学和材料学等多学科的交叉，可望丰富现有的蠕变疲劳损伤评定与寿命预测体系，为复杂服役条件下重大核心装备的寿命设计提供科学支持。

面向电力、航空等领域关键高温部件的长寿命和高可靠性技术需求，本项目重点研究应力应变混合控制模式下蠕变疲劳交互作用的损伤评定与寿命预测方法。项目经过三年努力，在蠕变疲劳载荷试验方法、损伤机理、本构模型和寿命预测理论方面取得了一些有影响的研究成果。研究的主要创新性成果体现在：（1）发展了新型应力应变混合控制蠕变疲劳试验方法，突破了传统应变控制蠕变疲劳载荷下蠕变损伤易饱和的难题，厘清了宏观变形—微观组织演化—损伤模式三者之间的映射关系；（2）建立了无屈服应力的通用型循环粘塑性本构模型和晶体塑性本构模型，实现了一组材料参数即可准确描述不同蠕变疲劳载荷波形下的循环应力应力响应，进一步拓展了粘塑性本构理论；（3）提出了更宽适用范围的蠕变疲劳损伤评定和寿命预测方法，解决了现行标准方法无法计算混合控制蠕变疲劳损伤的难题，计算的蠕变疲劳失效包络线打破了现行ASME标准中蠕变疲劳失效包络线的材料依赖性；（4）结合本项目建立的新型本构模型和寿命预测方法，嵌入商业有限元软件，建立了多种蠕变疲劳载荷形式下缺口试样的全数值寿命预测方法，预测精度在2倍误差带以内。在该项目的支持下，发表项目标注SCI论文18篇，其中负责人以第一作者或通讯作者论文13篇，申请国家发明专利5项，其中2项已授权，获软件著作权1项，在国际会议上做邀请报告3次，培养博士生2名和硕士生2名，培养学生获国家奖学金、ISSI 2021最佳论文二等奖和压力容器优秀青年论文三等奖。本项目集中体现了力学、物理学和材料学等多学科的交叉，丰富现有的蠕变疲劳损伤评定与寿命预测体系，为高温服役条件下重大核心装备的蠕变疲劳寿命设计提供科学支持。