OCr18Ni9不锈钢高温断裂力学行为试验及数值模拟研究

摘要

0Cr18Ni9不锈钢具有优良的力学性能以及耐蚀性、耐热性，广泛应用于石油化学工业、核反应堆等高温领域。目前国内对高温环境下0Cr18Ni9不锈钢疲劳、蠕变及蠕变-疲劳裂纹扩展等力学行为的研究还很缺乏。本文主要研究内容如下：
　　 首先，开展了0Cr18Ni9不锈钢550C下简单拉伸、拉伸蠕变和裂纹扩展试验，其中裂纹扩展试验包括疲劳、蠕变和蠕变-疲劳裂纹的扩展试验。通过0Cr18Ni9不锈钢的拉伸蠕变试验发现：在550℃下240MPa-320Mpa的应力水平范围内，0Cr18Ni9不锈钢蠕变曲线具有明显的稳态蠕变阶段，稳态蠕变速率随着应力水平的升高而逐渐增大。裂纹扩展试验的结果表明：温度的升高加快了疲劳裂纹的扩展速率；保载时间的引入，也会加快疲劳裂纹的扩展速率。
　　 其次，利用扫描电镜对裂纹扩展试样进行了显微断口分析，发现0Cr18Ni9不锈钢550℃下疲劳裂纹扩展断口表面有明显的疲劳条带，裂纹扩展后期出现了典型的塑性断裂特征。550℃下蠕变裂纹扩展断口呈现韧窝与沿晶断裂的混合形貌，并且出现了二次裂纹。在0Cr18Ni9不锈钢蠕变-疲劳裂纹扩展前期，断口表面比较平整，有明显的疲劳条带，疲劳机制在裂纹扩展中起主导作用；而裂纹扩展后期，断口表面呈现疲劳条带和韧窝混合形貌，并且出现了晶界空洞。
　　 最后，采用ANSYS软件分别进行了0Cr18Ni9不锈钢标准CT拉伸试样550℃下蠕变、疲劳和蠕变-疲劳裂纹扩展的数值模拟。计算结果表明：蠕变裂纹扩展量的数值模拟结果与试验结果之间的最大误差小于4％;裂纹尖端张开位移(CTOD)准则是比较合理的蠕变裂纹扩展准则。在疲劳和蠕变-疲劳裂纹扩展的数值模拟中，分别以能量释放率G准则、裂纹尖端张开位移CTOD准则作为裂纹扩展准则。疲劳裂纹扩展量的数值模拟结果与试验结果之间的最大误差为8.06%，蠕变-疲劳裂纹扩展量的数值模拟结果和试验结果之间的最大误差为5.05%。表明了本文数值模拟方法的正确性与合理性。