Zc方法评价耐热钢蠕变变形与持久寿命关系

摘要

耐热钢是指在高温下服役的一类材料，广泛应用在航空航天、锅炉电厂、石油化工等重要领域，高温部件的意外失效会带来严重的经济损伤和人员伤亡，因此准确的寿命评估显得尤为重要。工程中通常采用的寿命评估方法一类是基于持久试验，外推持久寿命，然而该方法的试验周期长，且忽略了大量蠕变过程中的信息；另一类基于蠕变试验数据，但该方法无法对数据的分散性进行评价且无法实现可靠性评估。基于以上寿命评估方法中存在的问题，本文对添加微合金元素的25Cr35NiNbM进行高温蠕变试验，基于蠕变结果，探讨蠕变变形与持久寿命的关系，进而提出一种结合蠕变过程信息进行寿命评估的方法，同时该方法可对预测寿命结果的分散性进行分析；应用本文提出的寿命评估方法对25Cr35NiNbM合金的蠕变变形和持久寿命进行预测，并给出可靠性预测结果；同时应用L-M参数法、M-H参数法、θ法和Ω法等进行寿命评估，客观分析本文提出的寿命评估方法与传统的基于持久寿命进行寿命评估的TTP参数法及基于蠕变曲线进行寿命评估的θ法、Ω法之间的差异；进一步基于NIMS等提供的蠕变数据表，对所提出的寿命评估方法（Zc方法）的应用情况及影响因素进行分析，本文主要分析了最长蠕变持久时间和蠕变断裂伸长率对该方法的影响。结果表明： （1）随蠕变应变的增加，应力σ-P参数曲线逐步趋向断裂主曲线，数据的估计标准误差（即：应力σ-P参数数据点在对应主曲线两侧的分散性）逐渐减小。当选择适当的蠕变应变时，用Zc参数法预测得到的持久寿命与试验得到的持久断裂时间误差很小。 （2）与不同寿命评估方法相比，TTP参数法仅能对持久寿命进行预测；θ法由于拟合优化参数过多，导致无法实现正确评估，且无法描述数据的分散性等；Ω法为一种经验方法，其预测结果存在一定偏差，部分预测结果超过三倍误差线。Zc方法借助了蠕变过程信息，可对蠕变变形进行预测，当选择适当变形，可对持久寿命进行预测，结果比较可信，同时可以对数据的分散性进行评估，以及可靠性预测等。 （3）Zc方法描述的规律对不同最长蠕变试验时长的蠕变数据均存在。通过统计分析25Cr35NiNbM合金的高温蠕变持久数据，得到的可靠性预测结果与数据分散性规律吻合。对蠕变断裂伸长率较小的材料选用应变为5.0%进行Zc参数法预测的结果与断裂寿命接近，数据分散程度较小，预测效果较好（如：25Cr35NiNbM和13Cr4.5Mo-铸造态合金）；当蠕变断裂伸长率较大时，仍采用5%进行预测误差较大，此时应采用平均蠕变断裂伸长率等方法来减小预测误差。

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