304不锈钢构件的高温蠕变特性分析

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1、第44卷第3期太原理工大学学报Vo【．44NO．32013年5月JOURNALOFTAIYUANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYMay2013文章编号：1007-9432(2013)03—0308—04304不锈钢构件的高温蠕变特性分析梁浩宇，段滋华(太原理工大学化学化工学院，太原030024)摘要：根据304不锈钢的单轴蠕变试验数据，运用ANSYS有限元方法，建立了304不锈钢在高温下的时间硬化隐式蠕变模型，对该模型进行了数值模拟，模拟结果与实验数据吻合度较好。在此基础上，研究了304不锈钢钢管在高温条件下的蠕变极

2、限，并通过分析得到了温度与蠕变极限之间的关系，为正确预测在多轴应力状态下高温部件蠕变特性提供了理论依据，对评估高温构件的安全性和经济性具有十分重要的应用价值。关键词：304不锈钢；高温蠕变；有限元数值分析；蠕变极限中图分类号：TG1l1．8；TQ050．4文献标识码：A在石油、化工及核电等高新技术行业中，大量构件的高温蠕变特性进行了数值模拟，取得了是较金属构件在高温、高压及强腐蚀介质条件下服役。为理想的结果。一旦承载构件意外破坏，将导致灾难性的后果和造成巨大的经济损失l】]。因此，耐高温且防腐蚀的高1有限元分析的蠕变模型合金钢构

3、件在这些行业中得到了广泛的应用。304蠕变曲线大致可分三个阶段：第一阶段是应变不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，具有优良的耐随时间而增加，应变速率却逐渐减小，此过程可称为高温和抗腐蚀性能，使用温度极限达650℃，其防锈蠕变减速阶段；第二阶段是应变随时间匀速增加，而性能也十分优异。因这些承载构件长期受到高温作应变速率基本保持不变，称蠕变的稳态阶段；第三阶用，面临一个特殊的挑战——高温蠕变口]。对石油、段是应变速率急剧增加并快速延伸至断裂，此为蠕化工等行业中，在役的压力容器和高温高压管道的变的加速阶段。失效形式调查结果表明，疲劳、蠕变

4、和腐蚀是其失效蠕变是一种跟速度相关的材料非线性，它指当的主要原因。对于长期处于高温高压状态下的不锈钢管道设备，蠕变行为决定了设备的使用寿命及其对材料施加恒定载荷时，其变形会随着时间的增加安全可靠性，因此蠕变性能的高低成了评价其性能持续增加；但施加位移约束后，应力则会随着时间逐的主要依据之一l3]。渐减小。目前，关于蠕变特性的研究方法主要包括蠕变1．1材料的屈服准则试验研究和有限元数值分析两大类。由于传统单轴VonMises屈服的物理意义是：在一定的变形拉伸蠕变试验方法具有局限性，研究者又提出了微条件下，当材料的单位体积形变产生的

5、弹性位能达小型试样技术r4]、“Cryo—Cracking”法[5等。新的蠕到某一值时，材料便会发生屈服。VonMises应力变试验方法解决了单轴拉伸蠕变试验方法用材较是基于剪切应变能的一种等效应力，其值为：多，且对试样制备要求严格等问题，但仍旧耗时费盯一~／((n1一n2)。+(以2一以3)。+(n3一n1)。)／2．力。有限元数值分析方法不仅具有坚实的理论基其中：a，a，a。分别指第一、二、三主应力嘲。础，且耗时短、费用低、实验精度高，在我国应用有限该公式恰好能精确表征材料的高温蠕变过程，元分析方法进行金属构件高温蠕变研究取

6、得了一定的进展，但304不锈钢构件的高温蠕变特性还未涉因此本文选用VonMises屈服准则作为材料的蠕及。因此，笔者选用有限元分析软件对304不锈钢变准则。收稿日期：2012—09-20基金项目：国家青年科学基金资助项目(51106104)作者简介：梁浩字(1986一)，男，山西晋中人，硕士生，主要从事不锈钢高温蠕变特性数值模拟研究，(Te1)13485374921通讯联系人：段滋华(1952一)，女，教授，博导，(Te1)13099088815第3期梁浩宇，等：304不锈钢构件的高温蠕变特性分析3O91．2材料的蠕变模型行数值

7、模拟。网格划分后对模型施加位移约束和蠕变方程的函数表达式为：恒载荷拉应力。&一／1()fz()f3(T)．(1)由式(1)可以看出，蠕变速率与应力、时间、温度具有相关性。而～中的参数则是由材料高温蠕变试验数据拟合得到。温度与应变的关系为：图1矩形蠕变试件&一Ce苛；2．2数值模拟结果应力与应变的关系为：将模型计算得到的数据与单轴蠕变实验结果进=Aa”；行比较，吻合度较好。如图2所示。证明了该模型时间与应变的关系为：一Dt。具有可行性。其中：Q为热激活能；T为热力学温度；R为气体常024数；为应力；t为时间。将这些函数与式(1)联

8、立并0．220．2O求解，得到了材料蠕变的一般表达式：．虽0l8&一Be一莳”．(2)0．160．14S如果材料各向同性，则(2)式可简化为：器0．12复0．10∈ct—Bt6．0．080．06将上式对时间t求导，得到了材料蠕变的时间硬化0．04关系式：0．02