[发明专利]塑性条件下耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测方法

权利要求书

1.塑性条件下耦合残余应力和拘束效应的蠕变孕育期预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立预测模型，所述预测模型包括CT试样本体，CT试样本体的中部前端设有槽，槽的后部设有缺口，槽、缺口在同一平面上，CT试样本体上还设有上主载荷销孔、下主载荷销孔，上主载荷销孔、下主载荷销孔上下对称设置，分别设置在槽的上下两端，

S2：首先利用上圆销、下圆销对CT试样本体的上下两端进行预定大小的压缩加载，然后释放上圆销、下圆销，会在CT试样本体的缺口附近产生残余应力分布；

S3：在含有残余应力的缺口处插入预制裂纹，以进行蠕变试验；

S4：利用销子在上主载荷销孔、下主载荷销孔施加主载荷，进行高温蠕变试验；

S5：通过蠕变有限元模拟可以获得计算含残余应力、拘束参量CT试样孕育期所需要的必要参数，在塑性条件下，计算孕育期主要包括以下步骤：

(1)首先计算复合加载下的应力强度因子，其计算公式为：

(Ⅰ)中：

其中：是模拟计算的只含有残余应力下的应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；是主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；P是主载荷，单位为N；B是试样厚度，单位为mm，B_n是试样净厚度，单位为mm；a/W是预制裂纹长度比率，a是预制裂纹长度，采用上主载荷销孔圆心到预制裂纹后端的水平直线距离，单位为mm；W是名义试样宽度，采用上主载荷销孔圆心到CT试样本体后端的水平直线距离，单位为mm；f(a/W)是CT试样几何系数，只与a/W有关；V是无量纲的塑性相关项，计算如下：

(Ⅱ)中:V₀是无量纲参量，

其中：是塑性残余应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；是模拟计算的只含有残余应力下的应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)，利用J_S计算，J_S是残余应力场下断裂参量，单位为MPa·m；

其中：E′是有效弹性模量：E'＝E/(1-ν²)，E是弹性模量，ν是泊松比，和J_S都利用有限元模拟结果提取；

(Ⅱ)中:L_r是无量纲参量，描述主载荷幅度：

其中：σ_y是屈服强度，与材料属性有关，单位为MPa；是主载荷参考应力，单位为MPa，用下式计算：

其中：n_L为无量纲裂纹深宽比参数，通过下式计算:

常数

(Ⅱ)中:

是主载荷应力强度因子，是塑性主载荷应力强度因子，单位为MPa·(m^1/2)；利用有限元模拟结果计算：

(Ⅱ)中:β描述残余应力的幅度，是无量纲参量；

是二次载荷参考应力，利用有限元模拟计算，

(Ⅱ)中:Z为无量纲的弹性追随因子，从有限元模拟结果中提取出应力应变关系，取等效蠕变应变增量与等效弹性应变增量的比值：

(2)计算塑性复合应力场下J积分数值，其计算公式为：

其中：K_I是复合应力强度因子，E′是有效弹性模量：E'＝E/(1-ν²)，ν是泊松比，E是弹性模量，ν是泊松比；

(3)然后计算塑性条件下的拘束参量其计算公式为：

是利用有限元计算得出的裂纹前沿处的张开应力值，单位是Mpa，σ_P0是标准化应力，单位为MPa，ε_P0是标准化应变，单位为1，α为应变硬化系数，N为应变硬化指数，I_N是与N有关的无量纲函数，L是标量距离，取1mm；

(Ⅲ)中：σ₂₂是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的张开应力值，单位是MPa，

其中：r是裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距，单位是mm，θ是裂纹尖端角度，是与θ和N有关的无量纲函数，

(4)计算等效应力单位是MPa，其计算公式为：

其中：是与θ和N有关的无量纲函数；

(5)然后计算塑性应力场下孕育期时间t_i^HRR，其计算公式为：

(V)中：n是无量纲的蠕变应力硬化指数，ε_crit是单轴蠕变韧性，与材料属性有关，单位为1，是蠕变应变变化率，单位为h^-1，与材料高温蠕变属性有关，

(V)中：MSF_HRR为塑性条件下多轴应力因子，根据Cocks and Ashby关系式计算：

sinh是双曲正弦函数，h_HRR为塑性应力三轴度，在塑性应力状态下：

其中平均应力单位是MPa，其计算公式为：

其中：σ₁₁,σ₂₂和σ₃₃是利用HRR应力场计算得出的裂纹前沿的应力值，单位是MPa，

其中：是与θ和N有关的无量纲函数。