背景简介

为追求更好的热效率和更高的经济效益，工程应用中的实际构件承受着越来越高的温度和越来越严苛的载荷条件。复杂多变的工况和高温使构件容易受到疲劳损伤和蠕变损伤，从而导致构件未达到设计寿命前即开裂失效。当构件处于多载荷源的加载条件下时，极易产生非比例加载效应。一些金属材料如304不锈钢在非比例加载条件下产生附加硬化使得寿命进一步缩短。因此，对非比例加载条件下的蠕变-疲劳失效寿命的合理评估对实际构件的设计、制造和安全服役有着重要的意义。

目前对蠕变-疲劳损伤的实验研究和相应的寿命评估方法多集中于单轴应力条件下，而对非比例加载效应的研究则多关注于低周疲劳失效领域。高温条件下，带有显著蠕变变形影响的疲劳实验数据极少，蠕变损伤与非比例加载效应之间的相互作用的研究仍是一个开放性的课题。因此，有必要开展非比例加载条件下的蠕变-疲劳实验，并建立能够反映非比例加载效应与蠕变损伤之间相互作用的寿命评估模型，从而保证实际构件在复杂严苛环境下的安全运行。

成果介绍

（1）在公开资料上收集了超过200组304不锈钢在单轴和多轴条件下疲劳和蠕变疲劳的实验数据。这些实验数据主要研究了不同的应变加载速率，非对称应变波形和应变加载路径对304不锈钢蠕变-疲劳寿命的影响（图1）。同时，针对非比例加载条件下蠕变-疲劳实验数据较少的事实，补充了在不同应变加载速率下的非比例蠕变-疲劳实验。

图1 不同应变加载速率、非对称应变波形和应变加载路径的示意图

（2）应用了三种传统的频率模型，即频率修正模型、频率分离模型和频率修正-损伤函数，并结合非比例应变范围参数发展了频率修正-损伤函数 （图2），讨论了四种模型对不同加载条件（单轴、多轴、非比例加载和疲劳、蠕变-疲劳）失效寿命预测的准确性。

图2 非比例应变范围参数发展的频率修正-损伤函数模型

（3）上述非比例应变范围参数发展的频率修正-损伤函数模型能够很好的评估不同应变速率、非对称应变波形和加载路径条件下的失效寿命。图3所给出的均为多轴加载条件下的预测寿命与实验寿命的比较结果，可以看到，无论是多轴比例加载条件，还是非比例加载条件，新模型均有很好的预测结果。

图3 非比例应变范围参数发展的频率修正-损伤函数模型预测的失效寿命与实验数据的比较结果

该研究工作得到了国家留学基金委创新人才培养项目的大力支持。

引文格式：

GB/T 7714

Xu L, Kojima T, Itoh T. Creep–fatigue life evaluation of type 304 stainless steel under non-proportional loading[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2021.

MLA

Le Xu, Takaki Kojima, and Takamoto Itoh. "Creep–fatigue life evaluation of type 304 stainless steel under non-proportional loading." International Journal of Pressure Vessels and Piping (2021).

APA

Xu, L., Kojima, T., & Itoh, T. (2021). Creep–fatigue life evaluation of type 304 stainless steel under non-proportional loading. International Journal of Pressure Vessels and Piping.

（图文供稿：日本立命馆大学 许乐；

网络编辑：侯志伟，费嘉文，温建锋）