论文总字数：26673字

摘 要

新材料的不断研发和应用促使材料性能理论不断发展。9-12%Cr马氏体耐热钢凭借其优异的综合性能，广泛应用于超超临界发电厂的主要部件。本文简要地概述了9-12%Cr钢在循环载荷作用下的微观损伤机理，将材料微观组织演化过程与统一Chaboche粘塑性模型中内变量的变化相关联，应用Chaboche模型预测9-12%Cr钢中P91钢统一粘塑性模型认为非弹性应变中的塑性应变和蠕变是由一种物理机制控制的，可以用一个运动方程和一组内变量来表达和处理。模型中运动硬化变量X描述材料在循环初期的应变强化现象，各向同性硬化变量R主要描述材料软化现象。

运用MATLAB软件建立数学模型，模拟P91在500℃时不同应变幅值和不同应变速率条件下的循环应力应变迟滞回线，将预测结果与已报道的试验数据进行比较，结果表明：不同条件下，该模型可以很好地预测P91钢的循环应力应变迟滞回线。

关键词：马氏体耐热钢；低周疲劳；Chaboche模型；微观损伤；统一粘塑性；MATLAB

ABSTRACT

Continuously research and application of new material contribute to material performance theory’s development. 9-12% Cr steel has been widely used as the main components in ultra-supercritical power plant due to its good comprehensive mechanical properties. In this paper microstructural damage mechanisms of 9-12%Cr under cyclic load were briefly explained, relationship between the microstructural damage mechanisms and internal state variables in Chaboche model has been connected, stress-strain hysteresis loops of P91 steel were predicited by unified Chaboche viscoplastic constitutive. Unified viscoplastic model think plastic strain and creep in the inelastic strain is controlled by a physical mechanism, which can be expressed and dealed with by a motion equation and a set of variables.

At 500℃for different strain amplitude and strain rate, the simulation results of P91 were compared to experimental results with the help of MATLAB software. Results show that the unified Chaboche constitutive can accurately predict the stress-strain hysteresis loops of P91 steel at different conditions, kinematic hardening variables X describe the strain hardening at primary stage, while isotropic variable R is the main factor controlling the softening behavior.

Key words: martensitic heat resistant steel; low cycle fatigue; Chaboche model; microstructural damage;The unified viscoplasticity ; MATLAB

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 选题背景和意义 1

1.2 电站用耐热钢的发展 3

1.3 统一粘塑性本构理论的研究现状 4

1.3.1 统一粘塑性本构理论的提出 4

1.3.2 统一粘塑性本构模型的研究 6

1.4 本文的主要研究内容 7

第二章 统一粘塑性本构模型 9

2.1 引言 9

2.2 Chaboche粘塑性模型的发展 10

2.3 主控方程 11

2.4 屈服准则 12

2.5 随动硬化 14

2.6各向同性硬化 16

2.7 粘性效应 17

2.8 参数的确定 17

第三章 统一粘塑性本构模型的实现 20

3.1 Matlab介绍 20

3.2 有限差分法介绍 21

3.3 模拟结果及讨论 22

3.3.1 9-12%Cr钢的低周疲劳特性 22

3.3.2模拟结果 24

3.3.3 内变量的演化 26

第四章 结论与展望 31

参考文献 32

致 谢 35

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

我国是以煤炭为主要一次能源的国家，燃煤发电在电力生产中占主导地位^[1]。这种能源结构在今后相当长的一段时期内不会改变。在当前能源需求旺盛、煤炭供应紧张的形势下，发展高效、节能、大容量、洁净环保、可靠性高的发电技术，不仅能够满足国民经济快速发展对电力的迫切需要，而且能够应对来自环境保护方面的日益严峻的要求和挑战。超临界和超超临界燃煤发电技术是目前国际上较为成熟和广泛使用的一种清洁燃烧技术。

按照国家制订的2020年电力发展规划^[2]，我国发电装机容量将从目前的4亿千瓦增加到2020年9亿千瓦，其中燃煤机组将达到5.8亿千瓦^[3]。2003年，全国二氧化硫排放总量达到2100多万吨，其中燃煤电厂二氧化硫排放约占全国排放总量的46%。我国酸雨pH值小于5.6的城市面积占全国的70.6%。随着燃煤装机总量的增加，我国将面临严峻的经济与资源、环境与发展的挑战。提高燃煤机组的效率、减少总用煤量、降低污染物排放是当前我国火电结构调整，实现可持续发展的重要任务。

目前我国电力工业装机中高效、清洁的火电机组比例偏低，结构性矛盾突出。2002年，火电机组中30万千瓦及以上机组占41.7%，20万千瓦以下机组占42.5%，超临界机组只占2.38%。洁净煤发电、核电、大型超（超）临界机组、大型燃气轮机技术开发、设备生产刚刚起步。全国火电平均供电煤耗383g/kWh，比世界先进水平高出60g/kWh。因此迫切需要在近期研制出新一代燃煤发电设备来装备电力工业。

新一代发电设备应具备可靠、大型、高效、清洁、投资低等性能；能够替代现有的300MW和600MW亚临界机组，成为装备电力工业的主流机型；同时国内设备制造企业经过努力后能够具备生产能力，能够形成规模生产和市场竞争局面。分析国际上燃煤发电技术的发展趋势，将采用两种技术路线来提高效率和降低排放。其一是利用煤化工中已经成熟的煤气化技术，集成蒸汽燃气联合循环技术实现高效清洁发电，其代表技术为IGCC。此技术提高能效的前景很好，但因系统相对复杂而造成投资偏高的问题需要解决。目前正在烟台电厂建设一台300或400MW等级的IGCC示范机组，为今后的发展作好技术储备。另一个发展方向是通过提高常规发电机组的蒸汽参数来提高效率，即超临界机组和超超临界机组。超超临界机组在发达国家已经实现了大容量、大批量生产。通过努力我国可以较快实现国产化能力，降低设备成本。

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