论文总字数：26380字

摘 要

镍基高温合金因为有很强的耐高温，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，所以在航空和国防领域中见得比较多。例如合金材料20Cr32Ni1Nb被广泛用于制造大型的CO转化炉集气管构件。

本文针对该CO转化炉集气管的材料在长期高温工作状态下的蠕变行为进行研究。通过对材料作机械性能试验，了解其力学性能，再对材料高温加载的条件下进行试验，从而获得一系列不同温度下的蠕变曲线。然后通过基于损伤理论的Omega方法建模，分析在不同温度下的应力，应变与服役时间之间的关系，从而预测该构件的蠕变寿命。通过试验发现，随着应力水平的降低，蠕变断裂时间延长，试样断裂应变也呈下降趋势。通过Omega连续损伤模型获得的20Cr32NiNb特征参数，在相同温度下，损伤参数与应力水平负相关，而初始应变速率则与应力呈现正相关的关系。紧接着对预测断裂时间与实际断裂时间的对比可以发现，在试验应力水平越小的情况下，寿命预测结果越准确，这一结果同时也证明了Omega法在低应力水平下对于蠕变寿命预测具有较高的可靠性。为验证该预测方法的准确性，进行了890℃、25MPa下的单轴蠕变试验，试验结果也表明了该方法的可行性。

经过本次课题的研究，拓宽了Omega连续损伤方程的使用范围，为热壁集气管在设计阶段的选材提供了数据支持。

关键词：镍基高温合金，20Cr32Ni1Nb，Omega方法，蠕变寿命预测，蠕变曲线

ABSTRACT

Nickel-based superalloys have a strong resistance to high temperature, resistance to oxidation, resistance to corrosion characteristics, better resistance to fatigue characteristics, so in the field of aviation and defense see more.For example, the alloy material 20Cr32Ni1Nb is widely used in the manufacture of large CO reformer manifold components.

In this paper, the creep behavior of the material of the CO conversion furnace header pipe in the long-term high temperature working condition is studied.Through the mechanical properties of the material test, to understand its mechanical properties, and then under high temperature loading of the material under the test, resulting in a series of different temperature creep curve.Then, the relationship between stress, strain and service time at different temperatures is modeled by the Omega method based on damage theory to predict the creep life of the component.It is found that the fracture rate of the specimen decreases with the decrease of the stress level and the creep rupture time.The 20Cr32NiNb characteristic parameters obtained by the Omega continuous damage model have negative correlation with the stress level at the same temperature, and the initial strain rate is positively correlated with the stress.In contrast to the predicted fracture time and the actual fracture time, it can be found that the more accurate the life prediction results are, the lower the test stress level, and this also demonstrates that the Omega method is at low stress levels for creep life prediction.In order to verify the accuracy of the prediction method, the uniaxial creep test at 890℃ and 25MPa was carried out. The experimental results also show the feasibility of the method.

After the study of this topic, the scope of Omega continuous damage equation is broadened, which provides data support for the selection of hot wall manifold in the design stage.

Key Words: nickel-based superalloys, 20Cr32Ni1Nb, Omega method, creep life prediction, creep curve

目录

摘 要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪 论 1

1.1 引言 1

1.2 镍基高温合金的成长过程 1

1.3 蠕变的定义，分类及影响因素 1

1.3.1 蠕变分类 1

1.3.2 蠕变损伤的主要影响因素 2

1.4 镍基合金20Cr32Ni1Nb 2

1.5 蠕变寿命预测方法 2

1.5.1 线性累积寿命损伤 2

1.5.2 损伤力学预测方法 3

1.5.3 断裂力学预测方法 3

1.5.4 循环蠕变损伤本构模型 3

1.5.5 基于 Larson-Miller参数法的寿命评估 4

1.5.6 基于多元统计和神经网络的预测新方法 4

1.5.7 修正θ影射法 4

1.5.8 Omega方法 5

1.6 研究方法及内容 6

1.6.1 研究的问题 6

1.6.2 研究方法 6

1.6.3 主要研究内容 7

1.7 本章小结 7

第二章 20Cr32NiNb集气管材料的机械性能研究 8

2.1 引言 8

2.2 试验材料 8

2.3 试验方法 9

2.3.1 高温短时拉伸试验 9

2.3.2 基于脉冲激振法的弹性模量与泊松比测量 10

2.4 试验结果与讨论 12

2.4.1 拉伸强度分析 12

2.4.2 20Cr32NiNb合金的动态应变时效现象 13

2.4.3 20Cr32NiNb合金的弹性模量和泊松比 16

2.5 本章小结 16

第三章 20Cr32NiNb集气管材料的蠕变寿命研究 18

3.1 引言 18

3.2 Omega连续损伤模型 18

3.3 20Cr32NiNb合金的蠕变试验研究 20

3.3.1 试验材料与试样方案 20

3.3.2 蠕变试验操作步骤 22

3.4 基于Omega法的蠕变寿命研究 23

3.4.1 蠕变试验结果 23

3.4.2 初始应变速率和损伤参量的确定 23

3.4.3 Omega特征参数与应力的关系 25

3.5 本章小结 28

第四章 总结与展望 29

4.1 总结 29

4.2 展望 30

参考文献 31

致 谢 34

1. 绪 论

1.1 引言

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