專利名稱：一種蠕變數據轉換為材料高溫應力松弛數據的方法
技術領域：
本發明屬于材料試驗和工程結構設計技術領域，具體涉及一種將材料的高溫蠕變試驗數據轉換為高溫應力松弛數據的方法。

背景技術：
石化、電力等領域高溫高壓部件越來越多地面臨了蠕變、松弛等失效機制的威脅，在設計和維護中需要對其充分考慮和預測。從機理上看，蠕變表征了恒應力條件下不可逆變形隨時間不斷增加的過程，而應力松弛則反映了總應變一定條件下部件中應力隨時間不斷減少的現象。從本質上看，這兩種機制均反映了應力(或應變)隨時間增長不斷變化的過程，二者必然存在某種對應關系或關聯。實際獲取材料這兩種不同規律的方法也有區別，蠕變試驗對應了恒應力條件，而松弛試驗則需要控制恒定的應變。恒應變控制的松弛試驗對實驗設備要求高，要求閉環控制，導致高溫下的松弛試驗機成本高，獲取材料高溫松弛數據難度和成本增大。恒應力控制的蠕變試驗對設備的要求低，較易實現。但如果把松弛看作由無數個微小時間單元內恒應力蠕變過程的組合，則應力松弛實際上就是蠕變的一種特殊形式。從這個角度上說，如果能夠建立二者數據之間的關聯和轉換，則不僅可以減少費時費力的高溫試驗量，而且可用易于控制的恒應力試驗代替恒應變試驗，是一種材料試驗和工程結構設計領域亟需的技術。
目前關于高溫材料性能數據的轉換方法有兩種，一種是作圖法，另一種是計算法。前者無函數關聯式所依從，過多地受人為因素的影響，轉換精度較低，具有較大的局限性。后者依據現有蠕變模型來實現蠕變數據向松弛數據的轉換。這些方法存在較多不足，限制了這一技術方法的推廣和應用，主要表現為現有方法以時間為自變量，科學的方法應該是以應變為自變量的時間-應變函數；數據處理忽略了蠕變第三階段的影響，導致轉換后的數據精度不能滿足要求；蠕變-松弛數據轉換過程中采用時間單元的起始應變速率，忽略了時間單元內應變速率的變化，造成非線性參數擬合而且結果精度不高。


發明內容
本發明目的是克服上述現有方法的缺點，提供一種能夠實現高溫蠕變性能向松弛性能的精確轉換，避免成本和技術要求高的松弛試驗，形成適用范圍較為廣泛的蠕變數據轉換為材料高溫應力松弛數據的方法。
為實現上述的目的，本發明的蠕變數據轉換為材料高溫應力松弛數據的方法包括以下步驟 A、獲得高溫部件材料的蠕變性能數據； B、分別用Kachanov-Robatnov(K-R)歸一化方程和Othman-Hayhurst(O-H)歸一化方程對蠕變性能數據進行歸一化處理，擬合出相應的材料常數； C、確立基于平均蠕變速率的蠕變-松弛數據轉換模型； D、基于時間變量的松弛過程分割與蠕變-松弛轉換計算處理。
根據本發明，所述蠕變性能數據包括3組以上的所有蠕變減速、穩定、增速三階段的數據及其蠕變破斷應變εr和蠕變破斷時間tr。
根據本發明，所述材料常數包括材料彈性模量E、基于K-R歸一化方程的材料常數K、A、n、p、q、λ以及基于O-H歸一化方程的材料常數G、B、m、χ、φ、β、δ； 對于K-R模型 對于O-H模型 根據本發明，所述確立平均蠕變速率蠕變-松弛轉換模型具體為 以應變為自變量的模型，建立包括基于K-R歸一化方程和O-H歸一化方程的以下平均蠕變速率蠕變-松弛轉換模型 式中 Δti為松弛微量時間單元； Δεi為松弛微量時間單元內恒蠕變應力下的微量應變； 為平均蠕變速率，為基于K-R歸一化方程或者基于O-H歸一化方程的平均速率； ξ＝(1/η-i)/γ為平均蠕變速率修正因子，其中η為應力步長比例，γ為速率比例系數，若取基于K-R歸-化方程的平均蠕變速率，則γ＝λ；若取基于O-H歸一化方程的平均速率，則γ＝δ。
其中，所述應力步長比例η為恒量，且η＝0.5％；所述微量應變Δεi為恒應變，且Δεi＝σ0η，其中σ0為初應力。
根據本發明，所述基于蠕變性能數據進行高溫部件材料應力松弛行為計算處理，包括以下步驟 a、取微量時間單元Δti內的平均應力為恒蠕變應力； b、首先確定一個初應力σ0，減去半個應力松弛量0.5Δσ，根據所述的K-R歸一化方程和O-H歸一化方程計算出相應應力(σ1＝σ0-0.5Δσ)下的破斷時間tr1和破斷應變εr1； c、根據應力松弛量和彈性模量E計算出相應的彈性應變Δεe，此彈性應變即松弛中所轉化的蠕變應變Δε； d、由tr1、εr1、Δε和所述的平均蠕變速率蠕變-松弛轉換模型計算出相應的Δt； e、由σ1減去一個應力松弛量Δσ，按照前述步驟b～d方法計算出Δt2；循環進行，得到一組Δti和σi；依次使Δti相加，得到一組ti，且根據ti和σi的對應關系作圖得到σ-t松弛曲線； f、根據以下公式得到蠕變恒應力σi、松弛應力σi和松弛時間ti σi＝σ0-(i+0.5)Δσ σi＝σ0-(i+1)Δσi＝0，1，…，j； 其中σi為步長Δσ區間的平均應力，σi是步長Δσ區間的終端應力，j是根據所預期的松弛時間來設置的值。
本發明的蠕變數據轉換為材料高溫應力松弛數據的方法，由于考慮了蠕變三個階段不同的蠕變速率及其對松弛速率的影響，建立了基于平均蠕變速率的線性蠕變-松弛轉換模型，轉換結果更接近于實際，轉換精度和可靠性較高；同時本發明的方法中對應于不同的初應力(應變)則得到相應的松弛曲線，且同溫下不同的松弛曲線表現了應力松弛的長時趨近性；而且本發明的方法中采用更為合理的以應變為自變量的時間-應變函數，更利于蠕變向松弛數據的轉換；另一方面，本發明的蠕變-松弛轉換模型為線性模型，不但擬合量小，而且擬合精度高。特別是基于Norton律的平均速率轉換模型無須對蠕變數據作歸一化處理，只須擬合出穩定蠕變階段的材料常數K和n即可，只需要穩定蠕變階段試驗數據就可進行松弛轉換，避免了因實驗室測得的高溫破斷應變數據自身很大的離散性所造成的擬合與轉換精度的低下，表現出最優的綜合性能；本發明的方法中取微量時間單元內的平均應力為該單元內的恒蠕變應力，更趨近于合理；其所提供的完整而具體的轉換計算方法，有效地減少了工作量和對操作人員專業知識的要求，簡單方便，效率較高，性能穩定可靠，適用范圍較為廣泛。



圖1為現有技術中基于冪律蠕變模型預測的高溫材料應力松弛行為及其與試驗結果比較的示意圖。
圖2為試驗獲取的材料蠕變數據示意圖。
圖3為本發明基于K-R歸一化方程平均速率模型的蠕變數據轉化的高溫應力松弛數據及與試驗結果比較的示意圖。
圖4是本發明基于O-H歸一化方程平均速率模型的蠕變數據轉化的高溫應力松弛數據及與試驗結果比較的示意圖。

具體實施例方式 參閱圖2至圖4所示，該蠕變數據轉換為材料高溫應力松弛數據的具體實現步驟為 一、采用至少3組圓棒拉伸試樣，利用蠕變試驗機，試驗獲得材料的蠕變特性數據；如可查閱到有現成的數據，則也可以直接引用。
二、分別用K-R和O-H歸一化模型對蠕變性能數據進行歸一化處理，擬合或計算出相應的材料常數K，A，n，p，q，λ和G，B，m，χ，φ，β，δ，從而得到相應的蠕變破斷應變εr和破斷時間tr的具體表現式 對于K-R模型 對于O-H模型 三、用一個宏觀的蠕變速率——平均蠕變速率來模擬松弛速率，再用一個修正因子對平均蠕變速率進行修正，使其趨近于先快后逐漸變慢的松弛速率的變化規律，構建基于平均蠕變速率的蠕變-松弛轉換模型 分別用前述得到的基于K-R和O-H模型的εri和tri代入以上轉換模型，即得到基于各自歸一化模型的平均速率蠕變-松弛轉換模型。
四、利用以上平均速率蠕變-松弛轉換模型進行轉換計算，具體計算過程如下 首先確定一個初應力σ0，減去半個應力松弛量0.5Δσ，根據前述蠕變方程計算出相應應力(σ1＝σ0-0.5Δσ)下的破斷時間tr1和破斷應變εr1，根據應力松弛量和彈性模量E計算出相應的彈性應變Δεe，此彈性應變即松弛中所轉化的蠕變應變Δε，再由tr1，εr1，Δε和轉換模型計算出相應的Δt1；再由σ1減去一個應力松弛量Δσ，照上述方法計算出Δt2，如此循環下去，便得到一組Δti和σi；依次使Δti相加，便得到一組ti，使ti和σi對應起來，便可作圖得到σ-t松弛曲線，如附圖2所示。蠕變恒應力σi及松弛應力σi和松弛時間ti的具體求解按以下方程進行。
σi＝σ0-(i+0.5)Δσ σi＝σ0-(i+1)Δσi＝0，1，…，j。
實施例1、轉換計算 國產1Cr10NiMoW2VNbN合金，用于600℃以下汽輪機轉子、葉片和螺栓，以下以此材料為例作進一步詳細說明。應理解，以下實施例僅用于說明的目的，而非用于限定本發明的范圍。
一、獲取蠕變數據 請參閱圖1所示，蠕變試驗為600℃下單向蠕變拉伸試驗，蠕變應力為360，315，300，285，270MPa，試驗數據取自相關文獻(Yao H T，Shen S F，Xuan F Z，et al.Experimental Investigations on Mechanical Properties of a High Cr Ferritic Steel for USCSteam turbine Rotor[A]，Challenges of Power Engineering and Environment[C].Proceedingsof the international conference on power engineering 2007.October 23-27，2007，HangzhouChina，p1066-1070)。
二、參數擬合 采用多級線性和非線性回歸相結合的方式，對試驗數據進行擬合，得到各材料常數如以下表1所示。
表1、Cr10NiMoW2VNbN合金鋼蠕變材料常數 三、確立轉換模型具體表現式 根據恒應變原則，取應力步長比例η＝0.5％，于是微量恒應變即為 Δε＝Δεi＝Δσ/E＝σ0η/E＝σ00.5％/E 對應于K-R方程和O-H方程，分別將前述第二步擬合出的各自的材料常數以及εr和tr代入前述基于平均蠕變速率的轉換模型，即得到各自的蠕變-松弛轉換模型 基于K-R方程的轉換模型γ＝λ＝3.998≈4 基于O-H方程的轉換模型γ＝δ＝10.02≈10 四、進行轉換計算 取600℃下三個初應力水平350，300，266MPa進行轉換計算。
利用下式計算微量時間單元Δti內的平均應力所定義的恒蠕變應力 σi＝σ0-(i+0.5)Δσ＝σ0-(i+0.5)σ0η＝σ0-(i+0.5)σ00.5％ 松弛過程中的應力σi則按下式計算 σi＝σ0-(i+1)Δσ＝σ0-(i+1)σ0η＝σ0-(i+1)σ00.5％ 微量時間單元Δti按前述轉換模型計算。
與應力σi所對應的時間ti按下式計算 以上所有算式中i＝0，1，…，j，j的設置可根據所預期的松弛時間來定，本實施例取松弛時間tj約為10000小時。
使ti和σi對應起來，作圖得到σ-t松弛曲線，請參閱圖2所示。
實施例2、實驗驗證 為了驗證轉換結果，進行了600℃下三個初應力水平350MPa、300MPa、266MPa的應力松弛試驗，基于K-R方程轉換模型的轉換結果與實驗結果繪于圖3，基于O-H方程轉換模型的轉換結果與實驗結果繪于圖4中。為了對本發明與其它方法進行比較，特按其它方法進行了以上三個初應力轉換計算，轉換結果與實驗結果繪于圖1中。
由圖1、3、4的結果計算可得，本發明的兩種平均速率模型轉換結果誤差率分別為4.1％和4.5％，都非常低，遠低于K-R和O-H轉換模型的37％和26％；從圖3和圖4的結果也可以看出，本發明的轉換結果幾乎與實驗結果完全吻合，而其它結果則相差甚遠(見圖1)。
與現有技術相比，本發明的蠕變數據轉換為材料高溫應力松弛數據的方法具有如下優點 1、迄今為止，尚不存在任何一種為實現蠕變數據向松弛數據的轉換而建立的蠕變-松弛轉換模型，現有技術只能利用現有蠕變模型進行轉換，根本未考慮松弛與蠕變的異同，所以轉換精度較低。本發明是通過考慮蠕變三個階段不同的蠕變速率及其對松弛速率的影響，并考慮了兩階段松弛規律，從而建立了基于平均蠕變速率的線性蠕變-松弛轉換模型，轉換結果更接近于實際，轉換精度和可靠性較高； 2、根據現有冪律蠕變模型，相應于一個方程對于不同的初應力(應變)只能得到一條松弛曲線，表現為松弛行為與初應力(應變)無關。本發明對應于不同的初應力(應變)則得到相應的松弛曲線，且同溫下不同的松弛曲線表現了應力松弛的長時趨近性； 3、現有轉換模型采用或只能采用時間為自變量的蠕變模型，而本發明則采用更為合理的以應變為自變量的時間-應變函數，更利于蠕變向松弛數據的轉換。
4、現有轉換模型都是非線性函數，不但需要復雜的非線性參數擬合，而且擬合精度不高，從而影響了轉換的可靠性。本發明的蠕變-松弛轉換模型為線性模型，不但擬合量小，而且擬合精度高。特別是基于Norton律的平均速率轉換模型無須對蠕變數據作歸-化處理，只須擬合出穩定蠕變階段的材料常數K和n即可，也即既只需有穩定蠕變階段試驗數據就可進行松弛轉換，又避免了因實驗室測得的高溫破斷應變數據自身很大的離散性所造成的擬合與轉換精度的低下，表現了最優的綜合性能； 5、現有技術雖同是視松弛為多級微量時間單元內恒應力的蠕變，但很不合理地把微量時間單元的首或尾應力當作該微量時間單元內的恒蠕變應力。本發明取微量時間單元內的平均應力為該單元內的恒蠕變應力，更趨近于合理； 6、本發明不但提供了具體的蠕變-松弛轉換模型，還提供了一套完整而具體的轉換計算方法。同時設計開發的程序系統，有效地減少了工作量和對操作人員專業知識的要求。
總之，本發明的方法簡單、合理，計算方法具體、合理、完整、方便，轉換精度、可靠性及效能遠優于其它方法，可用于工程實踐。
權利要求
1、一種由材料的高溫蠕變試驗數據獲取高溫應力松弛數據的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟
A、獲得高溫部件材料的蠕變性能數據；
B、分別用Kachanov-Robatnov歸一化方程和Othman-Hayhurst歸一化方程對蠕變性能數據進行歸一化處理，擬合出相應的材料常數；
C、確立基于平均蠕變速率的蠕變-松弛數據轉換模型；
D、基于時間變量的松弛過程分割與蠕變-松弛轉換計算處理。
2、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的蠕變性能數據包括3組以上蠕變三階段的數據及其蠕變破斷應變εr和蠕變破斷時間tr。
3、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的材料常數包括材料彈性模量E，基于Kachanov-Robatnov歸一化方程的材料常數K、A、n、p、q、λ，以及基于Othman-Hayhurst歸一化方程的材料常數G、B、m、χ、φ、β、δ；
對于Kachanov-Robatnov模型
對于Othman-Hayhurst模型
4、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述確立平均蠕變速率蠕變-松弛轉換模型，具體為
以應變為自變量的模型，建立包括基于Kachanov-Robatnov歸一化方程和Othman-Hayhurst歸一化方程的以下平均蠕變速率蠕變-松弛轉換模型
式中
Δti為松弛微量時間單元；
Δεi為松弛微量時間單元內恒蠕變應力下的微量應變，
為平均蠕變速率，為基于Kachanov-Robatnov歸一化方程或者基于Othman-Hayhurst歸一化方程的平均速率；
ξ＝(1/η-i)/γ為平均蠕變速率修正因子，其中η為應力步長比例，γ為速率比例系數，若取基于Kachanov-Robatnov歸一化方程的平均蠕變速率，則γ＝λ；若取基于Othman-Hayhurst歸一化方程的平均速率，則γ＝δ。
5、根據權利要求4所述的方法，其特征在于，所述的應力步長比例η為恒量，且η＝0.5％；所述的微量應變Δεi為恒應變，且Δεi＝σ0η，其中σ0為初應力。
6、根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于蠕變性能數據進行高溫部件材料應力松弛行為計算處理，包括以下步驟
a、取微量時間單元Δti內的平均應力為恒蠕變應力；
b、首先確定一個初應力σ0，減去半個應力松弛量0.5Δσ，根據所述的Kachanov-Robatnov歸一化方程和Othman-Hayhurst歸一化方程，計算出相應應力(σ1＝σ0-0.5Δσ)下的破斷時間tr1和破斷應變εr1；
c、根據應力松弛量和彈性模量E計算出相應的彈性應變Δεe，此彈性應變即松弛中所轉化的蠕變應變Δε；
d、由tr1、εr1、Δε和所述的平均蠕變速率蠕變-松弛轉換模型計算出相應的Δt1；
e、由σ1減去一個應力松弛量Δσ，按照前述步驟(b)～(d)方法計算出Δt2；循環進行，得到一組Δti和σi；依次使Δti相加，得到一組ti，且根據ti和σi的對應關系作圖得到σ-t松弛曲線；
f、根據以下公式得到蠕變恒應力σi、松弛應力σi和松弛時間ti
σi＝σ0-(i+0.5)Δσ
σi＝σ0-(i+1)Δσi＝0，1，L，j；
其中，σi為步長Δσ區間的平均應力，σi是步長Δσ區間的終端應力，j是根據所預期的松弛時間來設置的值。
全文摘要
一種蠕變數據轉換為材料高溫應力松弛數據的方法，主要包括以下步驟獲取高溫部件材料在某一溫度下的材料蠕變性能數據、材料蠕變性能數據歸一化處理的方法和步驟、考慮不同蠕變階段的蠕變-松弛轉換模型、松弛過程的分割方法和蠕變-松弛轉換程序。本發明綜合考慮了不同蠕變階段的影響，提高了從蠕變到松弛數據轉換的精度，能夠獲取滿足工程結構設計要求的松弛性能數據，可望替代對實驗設備要求較高的松弛試驗。
文檔編號G01N33/00GK101625351SQ20081004033
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月8日 優先權日2008年7月8日
發明者軒福貞, 郭進全, 王正東, 涂善東 申請人:華東理工大學