使用Omega法对20Cr32Ni1Nb离心铸造合金进行蠕变寿命预测开题报告
2020-06-14 16:24:39
1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
1.前言：
镍基高温合金通常在800℃ ～1 000℃的环境下服役，有很强的耐温，抵抗氧化的能力，有抵抗腐蚀的特性，较好的抵抗疲劳的特性。这种合金在很多范围中有涉及到，尤其在航空和国防领域中见得比较多，比如飞机的发动机、军用火箭等[]。上述领域对材料的质量要求很高，即对纯净度要求很高，但是在生产过程中非常容易混进杂质，使得合金材料的纯净度下降，进而合金的抵抗腐蚀的特性下降，最终导致构件的寿命下降，所以其适用范围有一定的局限性。
2.镍基高温合金的发展历史：
由于镍基高温合金良好的特性，所以在众多领域中扮演着相当重要的角色。镍基高温合金最初是在20世纪40年代研究的，那时对喷气式飞机材料性能要求变高了，所以在这种环境下开始了发展。1945年，英国成为第1个生产出镍基合金 Nimomic75（Ni22Cr-1.5Ti）的国家，紧接着根据国家发展需要，在原来的合金上加入了些许的铝元素，来增强此材料的蠕变强度，进而研制出新型的镍基合金Nimomic8（Ni22Cr-4.5Ti）[]。在此后的发展历程里，镍基合金相继被美苏研发出来。不久后，我国也发明出特性相似的材料。镍基高温合金的成长历程无外乎有两个方向 ：第一是对镍基合金元素的重组，这样使得材料的的特性更加优异；第二是如何利用最新技术改进生产设备。10年后，科学家研究出了真空熔炼技术，这成果的出现，加快了镍基高温合金的成长；20世纪60年代，发达国家又成功发明了了熔模精密铸造技术，在生产高温镍基合金方面有着重大收益；在之后的成长历程中，各个领域对镍基高温合金作出了更进一步的要求，即抗腐蚀，抗疲劳的要求更严格了。由于合金发展的过程中，工作温度也越来越高，因此它的适用范围也越来越广了。
3.蠕变的定义，分类及影响因素：
蠕变[]是在所作用的载荷比其屈服应力低的情况下，设备或者部分构件在长期高温的工作状态下发生金属的塑性变形的过程。
3.1蠕变分类包括:
a． 沿晶蠕变。这是金属构件在高温情况下最容易发生的蠕变行为。主要沿着晶界发展。
b． 穿晶蠕变。主要在晶粒中混合杂质处形成孔洞，蠕变损伤时间越长，材料损坏越大。
3.2蠕变损伤的主要影响因素有:
a.蠕变变形速率，其中材料、应力和温度都会影响到变形速率，但应力和温度对其最为敏感；
b.阈值温度，高于此温度，蠕变损伤就可能发生；
C.应力的高低决定了蠕变变形率的高低；
d.韧性也会影响蠕变变形的大小。韧性好的变形较小，或者几乎没有变形。
近几年，石油化工行业在迅速成长过程中对设备的工作温度有了更高的要求，从而对材料的温度要求也提升了，进而需要能够承受高温高压，抗蠕变，抗腐蚀的材料来代替旧的材料。目前用的最多的就是镍基合金，例如20Cr32Ni1Nb。
4.镍基合金20Cr32Ni1Nb：
20Cr32Ni1Nb合金是一种离心铸造奥氏体耐热钢。近年来，由于其具有良好的机械性能、抗蠕变性能和抗腐蚀性能，20Cr32Ni1Nb合金被广泛用于制造大型CO转化炉集气管构件。
铸造20cr32 NilNb合金通常用于650一l 000℃的环境中，其原因主要是有良好蠕变强度和优异的延展性。工程师们选用这种合金的主要是希望其延展性能够在这种高温的条件下长时间保留。 通过高温拉伸试验，其机械性能测试数据表明，高温部位的缩颈管比低温部位的缩颈管，在延展性和韧性会有所下降，会导致严重的脆化。
集气管通常在高温下长期运行，从而导致渗碳、蠕变等损伤以及高温硫腐蚀现象发生，蠕变尤其最为严重，所以如何预测材料的蠕变寿命显得极为重要。
5.蠕变寿命预测方法：
5.1线性累积寿命损伤[][]：
此方法特别是针对疲劳-蠕变相互作用的情况下进行寿命估算。
这种方法是把上述两种行为交互作用得到的损伤用线性叠加法累加,方程可以用下面式子来表达：
式中, ni#8212;#8212;#8212;第 i种疲劳损伤的周期数； tj#8212;#8212;#8212;第 j次应力和应变水平的维持时间； Nfi#8212;#8212;#8212;第 i种损伤情况下材料仅受疲劳失效的周期数； trj#8212;#8212;#8212;第 j次应力和应变水平下的仅受蠕变作用导致的断裂时间； Df#8212;#8212;#8212;构件的疲劳损伤量； Dc#8212;#8212;#8212;蠕变损伤量；
D#8212;#8212;#8212;在这段时间内总损伤量, 当 D=1时构件发生断裂。
该方法将分别计算得到的疲劳损伤量和蠕变损伤量加以求和,从而得到最终损伤量。但是,该方法仍有欠缺，不能计算共同作用下的损伤量，所以不够准确。
5.2 损伤力学预测方法：
Kachanov是第一个提出损伤力学的这个概念的,后来Lemaitre[]等人在预测疲劳-蠕变寿命[]时，也将它用在了其中。损伤力学的定义可以假设:总的损伤增量可以两者之和来表示 :
dD=dDf dDc (11)
5.3 断裂力学预测方法[]：
此方法将寿命预测划分为两个阶段：裂纹形成和裂纹扩展。从 20世纪 70年代至今,已经有许研究者提出用积分来描述发生蠕变的构件在任意时刻的裂纹顶点局部应力场和应变率场,同时这个积分也叫做蠕变断裂参数 。
在幂黏性材料情况下 ,积分的一般形式为
式中, a#8212;#8212;#8212;裂纹的尺寸 ；A#8212;#8212;#8212;蠕变系数； N#8212;#8212;#8212;幂黏性材料指数 ；σ#8212;#8212;#8212;开裂件中应力的度量 。
5.4 循环蠕变损伤本构模型[]:
这个模型是1992 年Wang 提出的，表达式如下:
5.5 基于 Larson-M iller参数法的寿命评估[]:
Larson-M iller参数法多用在在蠕变寿命评价中 ,这种方法把应力、温度和蠕变断裂寿命这三个参量紧紧联系在一起, 进而对寿命作出预测。通常试验要在较高温度或应力条件进行, 然后对试验数据进行寿命外推得到较低温度或较低应力水平下的寿命。
Larson-M iller参数 PLM与温度以及寿命之间有 如下关系:
PLM =T(c lgtr)
式中:PLM为 Larson-M ille r参数;c为材料常数。
5.6 基于多元统计和神经网络的预测新方法[]：
至今,还没有一种比较方便，明确的方法 来解决疲劳 -蠕变寿命估算问题。但是,随着各个领域的飞快发展，各种各样的方法也不断出现。例如 :多元统计方法和神经网络[]方法等。
这种方法是由 Goswasmi[]根据大量实验数据分析,提出的一种预测高温材料疲劳 -蠕变寿命的公式。
5.7修正θ影射法[]：
此方法最初的表达形式 为:
ε=ε0 θ1{1 -e xp(-θ2 t)} θ3{exp(θ4 t)-1}(1)
式中 ,ε0 为初始应变；第二项是应变强化项；第三项是应变弱化项；θ1 、θ2、θ3 和θ4分别为强化项和弱化项的基本参数。
日本的K .Maruy ama 等人在预测铁素体耐热钢蠕变寿命时,对其进行了修正，且修正后的方程准确率更高，其修正后的方程如下:
ε=ε0 A{1 -exp(-at)} B{exp(at)-1} (2)
式中 , A 、B 分别对应方程(1)中的θ1和θ3;a 相当于方程(1)中的θ2和θ4。
经过实验验证，这种方法对单晶镍基高温合金[]的蠕变寿命预测有深远影响。
5.8 Omega方法
Omega方法是在1986 年，由美国材料学会( MPC) 提出的用来评估在蠕变范围内工作构件的剩余寿命的一种方法 ，目前该评估方法已被编入 API 579 Fitness － For － Service 标准中。通过介绍 Omega 寿命评估方法[]，并对 1Cr0.5MoV 和 1.25Cr0.5MoSi 两种材料开展 Omega 蠕变分析，通过试验得到真实的蠕变断裂时间与Omega方法所预测的断裂时间相比较，发现这种方法比传统的方法预测结果更精确。
Omega 方法的基础是 Kachanov－Rabotnov连续损伤评定方法。Omega方法考虑了很多因素，其中包括剩余寿命，损伤和蠕变积累，所以这种方法在评估设备剩余寿命方面比较可靠。
1958 年，Kachanov 提出含应变率的 Kachanov 表达式:
（1）
其中为瞬时应变率； 为起始蠕变应变率； σ为瞬时应力值；
为起始或称参考应力值 ； ω为损伤函数；υ为损伤指数；
（2）
式中 m，p，c#8212;#8212;#8212;未知参量 ， m#8212;#8212;#8212;被视为 Norton 指数， p#8212;#8212;#8212;微观结构损伤参数， c#8212;#8212;#8212;表示由于应力增加而引起 Norton 指数与微观结构变化所导致的不足
其中 Ω = m p c，它为总的损伤参数。将上式两边同时取对数，并对ε求导，从而得到 Omega 的计算定义式:
如今，Omega 方法已被编写到 API 579 Fitness － For － Service标准中。
小结：
上述寿命预测的方法中，损伤力学和断裂力学这两种方法能细致的解决一些繁琐复杂的寿命预测问题，主要原因是有完善的理论基础作支撑。不仅如此，修正的θ函数影射方法在解决单晶镍基高温合金蠕变寿命问题上能够更加精确。
前面所讲的几种方法都是比较传统的寿命预测方法。这类方法只能进行短时外推，消耗时间长、对样品的破坏性大、寿命评估没有集中性，而且此方法考虑因素不够全面，即没有考虑材料的老化与损伤，如果长时间外推的话，结果会不精确。但是，目前Omega方法在文献中见得并不多。Omega 法是基于设计应力水平下的一种寿命预测方法，只有试验应力越接近设计应力时 Omega 寿命评估外推结果的可信度才会更高。由于Omega法在预测蠕变范围内工作的零部件寿命时，它具有很好的可靠性，所以此方法也适用于材料20Cr32Ni1Nb。
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
研究的问题：如何预测20cr32ni1nb合金的寿命。
研究方法：采用omega法对20cr32ni1nb合金进行寿命预测。通过试验收集数据，分析数据，得出结论。
目前，有许多石油公司已经采用omega方法来预测离心铸造合金的寿命，这种方法比其他方法预测的寿命更长。
