金属材料的高温蠕变特性研究
在石油化工、冶金、机械等行业中，大量的金属构件在高温、高压、强腐蚀介质条件下服役，一旦这些承载构件意外破坏将会导致灾难性的后果并造成巨大的经济损失。所以，必须对材料的安全可靠性提出更高的要求。而长期受高温、高压作用，这些承载构件还将面临一个特殊的挑战——高温蠕变。如，对于高温、高压状态下长期工作的不锈钢管道来说，蠕变行为决定了管道的使用寿命及其安全可靠性。
不同金属材料的组织、化学成分和热物理性能都存在着较大的差异，因此其蠕变性能的高低也不尽相同。例如，低合金钢和不锈钢之间的蠕变性能就存在很大的差异。鉴此，研究金属材料的高温蠕变特性就显得尤为重要。
目前，金属材料蠕变特性的研究方法主要有蠕变试验研究和有限元数值分析两种。最常用的实验方法是单轴蠕变拉伸试验。但由于其局限性，研究者又提出了“Cryo-Cracking”法、微小型试样技术等，新的方法能解决单轴拉伸蠕变拉伸试验耗材多、试样制备要求严格等问题，但仍然耗时费力。相比较而言，有限元数值分析则不仅费用低、耗时短、精度高，且具有坚实的理论基础。
因此，本文选用有限元分析软件以低合金高强度钢Q345R和奥氏体不锈钢304两种化工行业常用钢材为研究对象，对它们的高温蠕变特性进行了理论研究和数值模拟。结论如下:
1.运用黏弹性力学方法，分别对两种金属材料及其构件进行了高温蠕变力学分析。得到了两种金属材料及其构件的黏弹性本构方程。
2.通过金属材料高温蠕变特性的数值分析，建立了两种金属材料的有限元模型，加载、求解后分别得到了两种金属材料的蠕变应变-时间曲线，通过与实验曲线相比较，验证了数值模拟方法的可靠性。并模拟得到了Q345R钢与304不锈钢在一定温度下，经过10000h产生0.2％的总应变时的蠕变极限。
3.采用有限元数值分析方法分别研究了Q345R带孔薄板和304不锈钢钢管的高温蠕变特性。数值模拟结果表明:1）Q345R带孔薄板孔周围的蠕变程度远大于其他部位，但这种影响会随着时间的推移逐渐减弱;在孔中心的垂直截面和水平截面上，蠕变应力都会出现先减小后增加，最终趋于平稳的现象。2）304管材的内表面是蠕变最严重的部位，沿半径向外蠕变的影响逐渐减小;304不锈钢钢管450℃，经过10000h产生1％的总应变时的蠕变极限为4.85MPa;600℃，经过10000h产生1％的总应变时的蠕变极限为3.78MPa。
通过以上研究成果，为正确预测多轴应力状态下高温部件的蠕变特性提供了理论依据，并对评估高温构件的安全性和经济性有着十分重要的应用价值。
高温蠕变;应力集中;蠕变极限;数值分析;金属材料
太原理工大学
硕士
化工过程机械
段滋华
2013
中文
TG113.255
86
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）