航空高温材料三维蠕变断裂研究

摘要

在航空航天，化工和电力等工业领域中，高温下服役构件发生断裂失效的事故常有报道。失效分析表明高温构件的失效与构件中存在的裂纹缺陷有直接的关系，并且多数是由于蠕变导致的裂纹扩展引起失效。自20世纪七八十年代起，人们对二维蠕变断裂力学进行了广泛的研究，在此基础上，建立了较完善的高温结构设计准则。然而，实际构件往往加载和结构形状等比较复杂，且裂纹尖端局部呈现出强烈的三维效应。因此，建立在二维蠕变理论基础之上的传统蠕变断裂力学无法满足更高的安全性和可靠性设计要求。虽然针对三维蠕变断裂力学的数值和实验研究已经较多，也提出了一些修正三维局部场的方法，但是并未揭示其与二维问题的本质差别。面对这种形式，本文对含有裂纹的三维蠕变断裂问题进行了理论和数值研究，主要包括以下内容：
　　 1.求得了三维蠕变裂纹尖端应力场的奇异性结构，推导了三维裂纹控制方程，并对裂端局部场做了定量求解。给出了裂纹尖端应力、应变率和位移率的奇异性和角分部随三轴应力约束Tz的变化规律，并利用计算机编程语言C++将计算过程编成了软件。
　　 2.基于有限元法建立了含有单边穿透厚度直裂纹的有限厚度板模型，并求出了裂纹前沿的双参数C*和Tz的分布，提出C*-Tz双参数更准确地描述稳态蠕变裂纹端部场。
　　 3.结合三维蠕变断裂场的上述理论分析、数值分析和材料高温蠕变断裂的实验结果，对三维蠕变裂纹稳定扩展进行了初步研究。分析了单参数蠕变断裂准则的不足，建立了三维蠕变裂纹稳定扩展的双参数断裂准则 C*-T-B，并通过对已有实验数据的处理验证了这些准则的有效性。