一种铸造不锈钢多轴低周疲劳预测方法与流程

本发明涉及铸造不锈钢热老化后的多轴低周疲劳预测，特别是涉及一种铸造不锈钢多轴低周疲劳预测方法。

背景技术：

1、自20世纪70年代初以来，铸造奥氏体不锈钢是用于制造轻水反应堆一回路中许多重要安全相关部件的材料。由于其良好的延展性、高缺口韧性、耐腐蚀性和成形性，已被选择用于制造一定数量的轻水反应堆部件，如泵壳、弯头、管道、配件、阀壳等。然而，早在20世纪80年代初就已经确定，这些材料在压水反应堆300℃左右运行温度条件下会发生热老化脆化，这主要是铸造奥氏体不锈钢中铁素体相微观结构演变的结果，铁素体的调幅分解和g相沉淀是导致由铸造奥氏体不锈钢制造的部件力学性能退化的主要原因，导致上述铸造不锈钢硬度增高、抗拉强度增加、韧性降低，影响一回路压力边界部件的长期安全和可靠运行。

2、实际核电厂部件承受的载荷相对于制定规范和标准规则的实验室测试载荷要复杂得多。导致实际部件疲劳载荷的一个重要来源是压力和热瞬态，其中可能包括热剥离、分层或冲击。热瞬态和压力载荷，加上复杂的部件几何形状和材料不连续性，通常会在实际核电厂部件中引起多轴或非比例应力分布。这些更复杂的应力分布对核电厂部件疲劳寿命的影响与实验室根据单轴加载试样产生的数据预测疲劳寿命相比明显不同。然而，当根据大多数规范和标准进行核电厂疲劳评估时，需要基于三维应力状态计算应变，该计算应变被转换为有效的一维应力范围，用于设计疲劳曲线。这些方法的支持证据和验证效果有限，所以有必要开发考虑复杂应力状态的多轴疲劳预测模型。

3、为了对高温环境下长寿期服役的核电厂铸造不锈钢部件进行老化管理和寿命预测，既需要考虑热老化导致铸造不锈钢的韧性降低，也要考虑更接近实际服役载荷状态的多轴疲劳应力分布特点，目前对铸造不锈钢热老化后的多轴疲劳研究很少，当前多轴疲劳评估方法存在不足，需要更好地考虑多轴疲劳载荷特征以及如何正确评估铸造不锈钢热老化后的多轴低周疲劳寿命。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种包含热老化影响的铸造不锈钢多轴低周疲劳预测方法，以铸造不锈钢单轴低周疲劳、扭转低周疲劳的性能参数及其归一化热老化参数为基础，可以准确预测高温环境下长寿期服役热老化后的铸造不锈钢在多轴低周疲劳加载下的疲劳寿命，以及疲劳裂纹萌生和初始扩展的方向。

2、为了实现上述目的，本发明提供解决上述问题，本发明提供一种铸造不锈钢多轴低周疲劳预测方法，包括如下步骤：

3、s101、对铸造不锈钢关注部位进行应变测量或有限元计算，得到铸造不锈钢关注部位的轴向应变幅εx，a、剪切应变幅γxy，a、轴向应变幅εx，a对应的轴向应力σx，a、剪切应变幅γxy，a对应的剪切应力τxy，a、轴向应变幅εx，a与剪切应变幅γxy，a的相位差δxy；

4、s102、在铸造不锈钢关注部位的轴向应变幅εx，a对应的轴向应力σx，a超过拉伸屈服强度或者剪切应变幅γxy，a对应的剪切应力τxy，a超过剪切屈服强度时，对铸造不锈钢关注部位的轴向应变幅εx，a和剪切应变幅γxy，a分别进行修正，计算铸造不锈钢关注部位修正后包含热老化影响的等效轴向应变幅εx，ae和等效剪切应变幅γxy，ae；

5、s103、将铸造不锈钢关注部位修正后包含热老化影响的等效轴向应变幅εx，ae和等效剪切应变幅γxy，ae以及铸造不锈钢关注部位的轴向应变幅εx，a与剪切应变幅γxy，a之间的相位差δxy代入包含热老化影响的铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型，计算铸造不锈钢热老化后的多轴低周疲劳寿命n和疲劳裂纹方向。

6、进一步地，s101中，如果铸造不锈钢关注部位的轴向应变幅εx，a对应的轴向应力σx，a超过拉伸屈服强度或者剪切应变幅γxy，a对应的剪切应力τxy，a超过剪切屈服强度时，表明铸造不锈钢存在塑性应变，为多轴低周疲劳，适用铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型；如果铸造不锈钢关注部位的轴向应变幅εx，a对应的轴向应力σx，a未超过拉伸屈服强度且剪切应变幅γxy，a对应的剪切应力τxy，a未超过剪切屈服强度时，表明铸造不锈钢为中高周疲劳，不适用铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型。

7、进一步地，s102中，根据如下公式计算铸造不锈钢关注部位修正后包含热老化影响的等效轴向应变幅εx，ae和等效剪切应变幅γxy，ae：

8、εx，ae＝εx，a(1+kεpδ) (1)

9、γxy，ae＝γxy，a(1+kγpδ) (2)

10、其中，kε为铸造不锈钢的热老化-单轴低周疲劳敏感系数，kε＞0表示铸造不锈钢热老化后单轴疲劳寿命降低，kε＜0表示铸造不锈钢热老化后单轴疲劳寿命增加，kε＝0表示铸造不锈钢热老化后单轴疲劳寿命没有变化；kγ为铸造不锈钢热老化-扭转低周疲劳敏感系数，kγ＞0表示铸造不锈钢热老化后扭转疲劳寿命降低，kγ＜0表示铸造不锈钢热老化后扭转疲劳寿命增加，kγ＝0表示铸造不锈钢热老化后扭转疲劳寿命没有变化；pδ为铸造不锈钢归一化热老化参数，p为铸造不锈钢的arrhenius热老化参数；δ为铸造不锈钢的铁素体百分含量。

11、进一步地，铸造不锈钢的热老化-单轴低周疲劳敏感系数kε通过铸造不锈钢热老化初始状态的单轴低周应变幅-疲劳寿命曲线εx，a＝ε(n)和铸造不锈钢热老化后的单轴应变幅-疲劳寿命数据点εx，ai-ni之间的差异来确定。

12、进一步地，铸造不锈钢热老化初始状态的单轴低周应变幅-疲劳寿命曲线εx，a＝ε(n)为manson-coffin方程：

13、

14、其中，εx，a为铸造不锈钢的轴向应变幅，n为铸造不锈钢的疲劳寿命，σ′f为铸造不锈钢的单轴疲劳强度系数，b为铸造不锈钢的单轴疲劳强度指数，e为铸造不锈钢的弹性模量，ε′f为铸造不锈钢的单轴疲劳强度延性系数，c为铸造不锈钢的单轴疲劳强度延性指数。

15、进一步地，铸造不锈钢热老化后的单轴应变幅-疲劳寿命数据点εx，ai-ni为铸造不锈钢热老化后时间节点t的单轴应变幅-疲劳寿命数据点：

16、εx，ai-ni (4)

17、其中，铸造不锈钢热老化后时间节点t选取铸造不锈钢最长热老化时间，铸造不锈钢热老化后时间节点t的单轴应变幅-疲劳寿命数据点的数量为铸造不锈钢热老化后时间节点t时的单个或多个单轴应变幅-疲劳寿命数据，i＝1，2，3，……。

18、进一步地，铸造不锈钢热老化-扭转低周疲劳敏感系数kγ通过铸造不锈钢热老化初始状态时扭转低周剪切应变幅-疲劳寿命曲线γxy，a＝γ(n)和铸造不锈钢热老化后扭转低周剪切应变幅-疲劳寿命数据点γxy，ai-ni之间的差异来确定。

19、进一步地，铸造不锈钢热老化初始状态时扭转低周剪切应变幅-疲劳寿命曲线γxy，a＝γ(n)为：

20、

21、其中，γxy，a为铸造不锈钢的剪切应变幅，τ′f为铸造不锈钢的扭转疲劳强度系数，bγ为铸造不锈钢的扭转疲劳强度指数，g为铸造不锈钢的剪切模量，γ′f为铸造不锈钢的扭转疲劳强度延性系数，cγ为铸造不锈钢的扭转疲劳强度延性指数。

22、进一步地，铸造不锈钢热老化后扭转低周剪切应变幅-疲劳寿命数据点γxy，ai-ni为不锈钢热老化后时间节点t的剪切应变幅-疲劳寿命数据点：

23、γxy，ai-ni (6)

24、其中，铸造不锈钢热老化后时间节点i选取铸造不锈钢最长热老化时间，铸造不锈钢热老化后时间节点i的剪切应变幅-疲劳寿命数据点的数量为铸造不锈钢热老化后时间节点t时的单个或多个剪切应变幅-疲劳寿命数据，i＝1，2，3，……。

25、进一步地，铸造不锈钢的arrhenius热老化参数p根据如下公式计算：

26、

27、其中，t为铸造不锈钢的热老化温度，单位为℃；q为铸造不锈钢的激活能值，单位为kj/mole。

28、进一步地，s103中，包含热老化影响的铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型以铸造不锈钢关注部位的等效轴向应变幅εx，ae和等效剪切应变幅γxy，ae的非线性组合值在疲劳加载过程中达到最大值时作为临界面，然后利用单轴疲劳和扭转疲劳作为边界条件分别获取正应变、剪应变的低周疲劳损伤权重系数值建立；

29、所述包含热老化影响的铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型为：

30、

31、其中：

32、

33、

34、

35、

36、其中，λ为铸造不锈钢的应变比，λ＝γxy，ae/εx，ae，(1+υ)≤λ≤2；υ为铸造不锈钢的泊松比；为铸造不锈钢临界面方向的角度；γae为铸造不锈钢临界面上的等效剪应变损伤，对称疲劳加载时εx，ae＝εx，a，γxy，ae＝γxy，a；γa、εn，a分别为铸造不锈钢临界面上的剪应变和法向正应变；

37、当不锈钢多轴低周疲劳预测模型的左边等于右边时，铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型预测的铸造不锈钢热老化后的多轴低周疲劳寿命疲劳n增加1；所述铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型预测的铸造不锈钢热老化后的多轴低周疲劳寿命疲劳n在1～104循环；

38、开始输入铸造不锈钢关注部位修正后包含热老化影响的等效轴向应变幅εx，ae和等效剪切应变幅γxy，ae以及铸造不锈钢关注部位的轴向应变幅εx，a与剪切应变幅γxv，a之间的相位差δxy后，铸造不锈钢热老化后的多轴低周疲劳寿命疲劳n从1逐渐增大到104，同时在铸造不锈钢临界面方向的角度从-90°逐渐增大到+90°的过程中，当满足不锈钢多轴低周疲劳预测模型的左边等于右边，且右边数值达到最大值的条件时，输出此时铸造不锈钢热老化后的多轴低周疲劳寿命n和铸造不锈钢临界面方向即为铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型预测的铸造不锈钢热老化后的多轴低周疲劳寿命疲劳n和疲劳裂纹方向。

39、本发明的有益技术效果：

40、本发明的铸造不锈钢多轴低周疲劳预测模型，以关注部位平面上等效轴向应变幅和等效剪切应变幅的非线性组合值在疲劳加载过程中达到最大值时作为临界面，利用单轴疲劳和扭转疲劳作为边界条件分别获取正应变、剪应变的低周疲劳损伤权重系数值，考虑了上述两个应变分量独立地随时间发生周期性变化对多轴低周疲劳行为的影响；考虑热老化的影响，引入了归一化热老化参数对轴向应变疲劳、剪切应变疲劳的应变幅分别进行修正，考虑了不同的热老化时间、热老化温度、铁素体含量和化学成分对铸造不锈钢热老化和多轴低周疲劳的影响，适应范围较广；可以准确预测高温环境下长寿期服役热老化后的铸造不锈钢在多轴低周疲劳加载下的疲劳寿命，以及疲劳裂纹萌生和初始扩展的方向。