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背景简介

蠕变损伤是设计高温构件的一个重要考虑因素，因为结构长时间暴露在高温和恒定载荷下会产生永久性变形。工程师为了考虑材料的蠕变特性，准确预测蠕变损坏的程度，以保证高温结构的安全性和可靠性，通常使用ASTM E139-11标准中描述的单轴蠕变试验（UCT）来评估蠕变损伤。然而，UCT需要大量的材料和较长的时间来试验，时长为几个月到几年不等。因此，考虑到高温构件的运行，UCT不能用于实时评估高温构件的蠕变损伤。小冲头蠕变试验（SPCT）是一种有效的技术，用于评估材料的蠕变行为和机械性能。然而，在SPCT的情况下，试样是通过冲头间接加载，会在试样和冲头之间产生摩擦。因此，为了准确确定SPCT和UCT蠕变特性之间的相关性，必须适当考虑SPCT摩擦特性。本文所用材料为9Cr-1Mo，常用于超高温反应堆（VHTR）压力容器，采用4个载荷条件和10个摩擦系数对其SPCT进行有限元分析，并在Lee和Kim等提出的等效转换方程中引入了新的无量纲修正因子，以纠正Mao经验方程未准确反映的摩擦效应。

成果介绍

（1）图1显示了有限元计算的每个摩擦系数下的蠕变寿命，结果表明蠕变寿命在恒定载荷下随着摩擦系数的增加而增加。在 612.9 N 的载荷条件下，当摩擦系数从 0 增加到 0.9 时，FEM 计算的蠕变寿命大约增加了55倍。通过冲头传递到试样的能量会随着摩擦而消散，并且耗散程度随着摩擦系数的增加而增加，这表明试样和冲头之间的摩擦力与蠕变寿命之间存在相关性。此外，在比较试验和有限元数据时，试验中的摩擦系数随着载荷的增加而增加，通过试验确定的蠕变寿命落在有限元摩擦系数的范围内，在612.9 N和637.5 N的载荷条件下为0.3至0.4，在686.5 N和735.5 N的载荷条件下为0.4至0.6。因此，选择蠕变寿命和载荷作为表示试样与冲头摩擦系数的变量。根据有限元分析结果创建了一个三维柱状图，显示了摩擦系数与载荷和归一化蠕变寿命的关系。

图1 摩擦系数随载荷函数的3D 棒图结果，以及有限元方法和曲面拟合的归一化蠕变寿命

（2）通过对3D柱状图进行曲面拟合，利用表面拟合方程来评估每种载荷条件下的摩擦系数，当使用评估的摩擦系数和施加的载荷时，有限元显示出与测试相似的蠕变寿命结果（图2）。

图2 通过表面拟合评估摩擦系数的有限元法的结果：（a）材料断裂点（b）与试验结果的比较

（3）由于从Mao经验方程得出的最小厚度是在各种摩擦条件下测量的平均值，因此通过补充与试验条件相应的摩擦情况的最小厚度值，定义了新的等效应变和无量纲校正因子表达式，如下式所示。通过有限元法测量材料断裂点处应力集中区发生的最小厚度，图3显示了最小厚度相对于摩擦系数的归一化，可以看出最小厚度随着摩擦系数的增加而减小。

图3 有限元法和曲线拟合的归一化最小厚度与摩擦系数的函数关系的结果，以及有限元法、Mao经验方程和试验得出的归一化最小厚度的比较

（4）α_σ,h反映了等效应力分析中摩擦和无量纲分析系数引起厚度的变化（式3），根据有限元推导的摩擦系数，表面积随摩擦系数从0增加到0.3而迅速增加，当摩擦系数高于0.3时，表面积收敛到一定程度（图4），因此还定义了表面积无量纲因子α_σ,A来补充应力变化（式4），由此得到一个新的等效应力σ‘_eq定义如式5所示。

图4 有限元法的表面积与摩擦系数的函数关系结果

（5）基于这种改进的分析构建的Norton蠕变模型与从现有等效分析中得出的模型更接近长时 UCT 模型（图5）。从本质上讲，通过结合摩擦考虑因素的修正等效应变和应力分析，可以更准确地将短期 SPCT 转换为蠕变性能，从而产生了与长时 UCT 评估更接近的结果。

图5 使用短时SPCT 和长时UCT 构建的Norton蠕变模型之间的比较

致谢

这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的基础科学研究计划的支持，韩国教育部资助[基金号：2021R1A6A1A03039696]和韩国国家研究基金会（NRF）的基础科学研究计划，由科学部，ICT资助[基金号：2022R1F1A1071390]。本文通讯作者：Moon Ki Kim（School of Mechanical Engineering, Sungkyunkwan University, 2066, Seobu-ro, Jangan-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do 16419, Republic of Korea）。

本期小编：王家兴（整理）

王永杰（校对）

程　航（审核）

高　欣（发布）