适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法

摘要

本发明公开了一种适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，首先在同一温度下开展多组不同的应变控纯疲劳试验以及蠕变试验；然后确定应变幅值与寿命的关系以及非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率的关系；接着开展多组应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳试验；进而根据应变幅值确定每周的疲劳损伤，根据保载时的应力演化或应变演化，确定每周蠕变损伤；基于损伤预测所述材料在蠕变疲劳载荷下的寿命；最后，根据试样的累积疲劳和蠕变损伤以及美国ASME III‑NH标准规定的双线性损伤准则，判定试样在任意时刻的损伤状态。本发明可以很好地预测材料在应变控以及混合控蠕变疲劳载荷下的寿命，还可以判定试样在任意时刻的损伤状态。

权利要求

1.一种适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，取相同材料的若干试样，在同一温度下对部分试样进行同应变速率不同应变幅值的应变控制疲劳试验，获取疲劳试验数据，转入步骤S2；在与应变控制疲劳试验相同的温度下对部分试样开展不同应力的蠕变试验，获取蠕变试验数据，转入步骤S3；

步骤S2，根据疲劳试验数据，确定任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，转入步骤S4；

步骤S3，根据蠕变试验数据，确定蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的定量关系，转入步骤S4；

步骤S4，在同一温度及同一应变速率下，开展多组应变控制蠕变疲劳试验以及应力应变混合控制蠕变疲劳试验，获得蠕变疲劳试验的半寿命周次，同时转入步骤S5和步骤S6；

步骤S5，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，结合步骤S2中得到的任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，根据蠕变疲劳试验半寿命周次的应变幅值确定其每一周的疲劳损伤，转入步骤S7；

步骤S6，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，结合步骤S3中得到的蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的定量关系，根据蠕变疲劳试验半寿命周次应变保载期间应力演化或应力保载期间应变演化，确定非弹性应变能密度及非弹性应变能密度率，从而得到每一周的蠕变损伤，具体如下：步骤S61，应变控制蠕变疲劳试验应变保载阶段的保载应力与时间的演化σd(t)以及混合控制蠕变疲劳试验应力保载阶段的保载应变与时间的演化εd(t)分别满足下式的非线性演化规律，

其中，应力松弛系数p1和应力松弛指数q1通过拟合应变保载期间的应力松弛曲线得到，蠕变变形系数p2和蠕变变形指数q2通过拟合应力保载期间的蠕变曲线得到；

步骤S62，考虑平均应力作用，保载阶段t时刻的非弹性应变能密度 如式(9‑1)和式(9‑2)所示，

其中E表示材料在试验温度下的弹性模量，σ0表示蠕变疲劳试验半寿命周次保载开始时的应力，σm表示蠕变疲劳试验半寿命周次的平均应力；σ表示保载阶段的蠕变应力；

步骤S63，通过应变控制蠕变疲劳试验应变保载阶段的保载应力与时间的演化σd(t)、混合控制蠕变疲劳试验应力保载阶段的保载应变与时间的演化εd(t)，以及保载阶段t时刻的非弹性应变能密度 得到非弹性应变能密度率σd表示混合控蠕变疲劳载荷的保载应力；

步骤S64，将最小的非弹性应变能密度率，即保载结束时的非弹性应变能密度率作为特征非弹性应变能密度率，因此蠕变疲劳试验每一周的蠕变损伤 表示为式(11)，其中 表示蠕变疲劳失效时材料的非弹性应变能密度，td为保载时间；

步骤S65，根据蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的关系，以及非弹性应变能密度率 得到最终的蠕变疲劳试验每一周的蠕变损伤 如式(12)所示：

转入步骤S7；

步骤S7，利用线性损伤累积法则，根据前述每一周的疲劳损伤以及每一周的蠕变损伤预测该材料在蠕变疲劳载荷下的循环寿命Nc‑f表示为式(13)：转入步骤S8；

步骤S8，根据每一周的疲劳和蠕变损伤，确定循环加载过程中累积蠕变损伤和累积疲劳损伤，基于确定的累积疲劳损伤和累积蠕变损伤以及美国ASME III‑NH标准规定的双线性蠕变疲劳包络线，判定材料在蠕变疲劳任意时刻下的损伤状态：若损伤状态点在双线性包络线以外，则判定为材料失效，反之则为未失效。

2.根据权利要求1所述的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，其特征在于：所述步骤S2中，根据疲劳试验数据，建立应变幅值与应变控制疲劳寿命的关系，如公式(1)，

式(1)中，等式右边第一项表示弹性应变幅值Δεe与寿命Nf的关系，其中E表示材料在试验温度下的弹性模量，由试验得到的弹性应变幅值Δεe与寿命Nf，拟合得疲劳强度系数σ′和疲劳强度指数n1；式(1)等式右边第二项表示非弹性应变幅值Δεin与寿命Nf的关系，如式(3)，同样，根据试验的非弹性应变幅值Δεin与寿命Nf，通过拟合得疲劳延性系数ε′和疲劳延性指数m1；

基于上述应变幅值与应变控制疲劳寿命的关系，求出任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命。

3.根据权利要求1所述的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，其特征在于：所述步骤S3中，根据蠕变试验数据，建立蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的关系，如式(4)所示：win＝σ·εf    (5)

其中，蠕变失效应变能系数C和蠕变失效应变能指数b由所有蠕变试验失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率计算得到，式(4)中蠕变失效时的非弹性应变能密度win表示为式(5)，即蠕变应力σ与蠕变断裂应变εf的乘积；蠕变失效时的非弹性应变能密度率表示为式(6)，即失效时的非弹性应变能密度win除以蠕变断裂时间tf。

4.根据权利要求1所述的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，其特征在于：所述步骤S4中，应变控制蠕变疲劳试验采用应变控制的梯形波进行加载，保载时间td为输入参量，保载应力σd随保载时间演化；应力应变混合控制蠕变疲劳试验的疲劳加载部分采用应变控制，蠕变加载部分采用应力控制。

5.根据权利要求4所述的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，其特征在于，应力应变混合控制蠕变疲劳试验的疲劳加载部分采用应变控制，保载蠕变阶段采用应力控制，具体如下：

首先以试验输入的应变速率 加载到试验输入的目标拉伸应变幅值+εa；接着以同样的试验输入应变速率 进行卸载；当应力达到试验输入保载应力σd时停止卸载，与此同时试验控制模式切换至应力控制并进行应力为σd的恒应力保载，当保载时间达到试验输入的保载时间td时，保载结束；试验控制模式切换至应变控制，以同样的试验输入应变速率 进行压缩，压缩至试验输入的目标压缩应变幅值‑εa。

6.根据权利要求1所述的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，其特征在于：所述步骤S5中，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，确定蠕变疲劳试验每一周的疲劳损伤

其中N为应变控制纯疲劳试验的循环寿命，该应变控制纯疲劳试验的应变幅值等于蠕变疲劳试验特征周次的应变幅值，即蠕变疲劳试验半寿命周次的应变幅值，根据式(1)建立的应变幅值与应变控制疲劳寿命关系求得N。

7.根据权利要求1所述的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，其特征在于，所述步骤S8中，根据每一周的疲劳损伤和蠕变损伤，确定蠕变疲劳试样加载过程中的累积疲劳损伤Df(n)以及累积蠕变损伤Dc(n)：其中n表示循环周次数；

基于确定的累积疲劳损伤Df(n)、累积蠕变损伤Dc(n)以及美国ASME III‑NH标准规定的双线性蠕变疲劳包络线，判定材料在蠕变疲劳任意时刻下的损伤状态：若损伤状态点在双线性包络线以外，则判定为材料失效，反之则为未失效。

说明书

适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及寿命预测和损伤评定领域，尤其涉及适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法。

背景技术

[0002] 在航空和电力领域中，众多关键高温核心部件往往承受着复杂的蠕变、疲劳以及蠕变疲劳交互的损伤作用。通常，频繁开停车产生的温度变化使得这些部件处于应变控制
的疲劳载荷中，而装备持续稳定运行过程中的恒定内压或者离心力，使高温部件承受恒应
力控制的蠕变载荷作用。因此，目前实验室采用的传统应变控制蠕变疲劳试验很难反映上
述高温部件真实复杂的运行工况。另外，由于传统应变控蠕变疲劳载荷是通过应变保载期
间的应力松弛引入蠕变损伤，导致蠕变损伤容易饱和，难以形成蠕变损伤主导的蠕变疲劳
失效模式。所以有必要引入一种能够产生宽范围蠕变疲劳损伤的应力应变混合控制蠕变疲
劳载荷加载波形。

[0003] 蠕变疲劳载荷下的损伤识别是装备设计和制造最为关心的问题之一。目前常用的是线性损伤累积方法。美国ASME III‑NH(锅炉及压力容器设计规范)以及法国RCC‑MR(核岛
机械设施设计和建造规范)均采用这种方法来评估循环加载过程中的蠕变和疲劳损伤，其
中蠕变损伤用时间分数表示，疲劳损伤用寿命分数表示。然而，不同于传统的应变控蠕变疲
劳载荷，在应力应变混合控制蠕变疲劳载荷下，应力保载期间的蠕变变形显著且应变幅值
随循环周次不断变化，这些势必会对现有的寿命预测及损伤评定方法提出挑战，因此需要
发明一种适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，以满足不同载荷作用
下蠕变疲劳损伤状态的识别。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，可以实现材料在应变控制以及应力应变混合控制蠕变疲劳载荷下的寿命预测及损
伤评估，且具有适用性广，精度高，操作简单等优点。

[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，包括以下步骤：

[0006] 步骤S1，取相同材料的若干试样，在同一温度下对部分试样进行同应变速率不同应变幅值的应变控制疲劳试验，获取疲劳试验数据，转入步骤S2；在与应变控制疲劳试验相
同的温度下对部分试样开展不同应力的蠕变试验，获取蠕变试验数据，转入步骤S3；

[0007] 步骤S2，据疲劳试验数据，确定任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，转入步骤S4；

[0008] 步骤S3，根据蠕变试验数据，确定蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的定量关系，转入步骤S4；

[0009] 步骤S4，在同一温度及同一应变速率下，开展多组应变控制蠕变疲劳试验以及应力应变混合控制蠕变疲劳试验，获得蠕变疲劳试验的半寿命周次，这些数据将用于验证本
发明的准确性，同时转入步骤S5和步骤S6；

[0010] 步骤S5，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，结合步骤S2中得到的任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，根据蠕变疲劳试验半寿命周次的应变幅值确定每一周的疲
劳损伤，转入步骤S7；

[0011] 步骤S6，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，结合步骤S3中得到的蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的定量关系，根据蠕变疲劳试验半寿
命周次应变保载期间应力演化或应力保载期间应变演化，确定非弹性应变能密度及非弹性
应变能密度率，从而得到每一周的蠕变损伤，转入步骤S7；

[0012] 步骤S7，利用线性损伤累积法则，根据前述每一周的疲劳损伤以及每一周的蠕变损伤预测该材料在蠕变疲劳载荷下的循环寿命，转入步骤S8；

[0013] 步骤S8，根据每一周的疲劳和蠕变损伤，确定循环加载过程中累积蠕变损伤和累积疲劳损伤，基于确定的累积疲劳损伤和累积蠕变损伤以及美国ASME III‑NH标准规定的
双线性蠕变疲劳包络线，判定材料在蠕变疲劳任意时刻下的损伤状态：若损伤状态点在双
线性包络线以外，则判定为材料失效，反之则为未失效。

[0014] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

[0015] (1)本发明基于线性损伤累积法则，耦合能量的观点，并且考虑平均应力的作用，有明确的物理意义；

[0016] (2)本发明操作简单，计算方便，适用性广，能够准确预测不同材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷下的循环寿命；

[0017] (3)基于本发明提出的蠕变和疲劳损伤，不同材料所有的蠕变疲劳失效数据点几乎都落在标准规定的包络线以外。

[0018] (4)本发明可以判定材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷的任意时刻下的损伤状态。

附图说明

[0019] 图1为本发明的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法的流程图。

[0020] 图2为本发明一个实施例应力应变混合控制蠕变疲劳载荷下的应变‑时间以及应力‑时间关系图。

[0021] 图3为本发明实施例1的预测寿命结果图。

[0022] 图4为实施例的损伤交互图中的线性损伤累积法则、双线性损伤累积法则示意图。

[0023] 图5为基于现有准则的蠕变疲劳损伤交互图。

[0024] 图6为本发明实施例2的蠕变疲劳损伤交互图。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。应该理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限定本发明的范围。

[0026] 本发明所述的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，基于线性损伤累积，认为总损伤等于累积疲劳损伤与累积蠕变损伤之和。本发明在此基础上，基于
应变能耗散的观点，考虑应力应变混合控制蠕变疲劳载荷下非线性蠕变变形以及变幅值疲
劳的特点，提出了同时适用于应变控制以及应力应变混合控制蠕变疲劳载荷的蠕变及疲劳
损伤的表达式。基于该发明提出的蠕变及疲劳损伤，不仅能够预测不同蠕变疲劳载荷下的
循环寿命还可以判定材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷下任意时刻的损伤
状态。

[0027] 本发明可以很好地预测不同材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷下的循环寿命，且基于本发明的累积蠕变及累积疲劳损伤，可以判定蠕变疲劳试样在任意时
刻的损伤状态，结果表明不同控制模式下的蠕变疲劳失效试样，其蠕变疲劳损伤预测值均
落在标准规定的包络线以外，证明了本方法相比传统方法的优越性。

[0028] 结合图1，本发明所述的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，包括以下的步骤：

[0029] 步骤S1，取相同材料的若干试样，在同一温度下对部分试样进行同应变速率不同应变幅值的应变控制疲劳试验，获取疲劳试验数据【国标GB/T26077‑2010】，转入步骤S2；在
与应变控制疲劳试验相同的温度下对部分试样开展不同应力的蠕变试验【国标GB/T 2039‑
2012】，获取蠕变试验数据，转入步骤S3。

[0030] 步骤S2，根据疲劳试验数据，确定任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，具体如下：

[0031] 建立应变幅值与应变控制疲劳寿命的关系，如式(1)所示：

[0032]

[0033]

[0034]

[0035] 式(1)中，等式右边第一项表示弹性应变幅值Δεe与寿命Nf的关系，其中E表示材料在试验温度下的弹性模量，由试验得到的弹性应变幅值Δεe与寿命Nf，拟合得疲劳强度系数
σ′和疲劳强度指数n1。式(1)等式右边第二项表示非弹性应变幅值Δεin与寿命Nf的关系，如
式(3)，同样，根据试验的非弹性应变幅值Δεin与寿命Nf，通过拟合得疲劳延性系数ε′和疲
劳延性指数m1。

[0036] 基于上述应变幅值与应变控制疲劳寿命的关系，即可求出任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命。

[0037] 转入步骤S4。

[0038] 步骤S3，根据蠕变试验数据，确定蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的定量关系，具体如下：

[0039] 根据蠕变试验数据，建立蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的关系，如式(4)所示：

[0040]

[0041] win＝σ·εf           (5)

[0042]

[0043] 其中蠕变失效应变能系数C和蠕变失效应变能指数b由所有蠕变试验失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率计算得到，式(4)中蠕变失效时的非弹性应变能密
度win表示为式(5)，即蠕变应力σ与蠕变断裂应变εf的乘积；蠕变失效时的非弹性应变能密
度率 表示为式(6)，即失效时的非弹性应变能密度win除以蠕变断裂时间tf。

[0044] 转入步骤S4。

[0045] 步骤S4，在同一温度及同一应变速率下，开展多组应变控制蠕变疲劳试验以及应力应变混合控制蠕变疲劳试验，获得蠕变疲劳试验的半寿命周次，这些数据将用于验证本
发明的准确性，同时转入步骤S5和步骤S6。

[0046] 其中，应变控制蠕变疲劳试验采用应变控制的梯形波进行加载【美国标准ASTM E2714‑13】，保载时间td为输入参量，保载应力σd随保载时间演化，应力应变混合控制蠕变疲
劳试验的疲劳加载部分采用应变控制，应力应变混合控制蠕变疲劳试验的蠕变加载部分采
用应力控制，图2给出了应力应变混合控制蠕变疲劳载荷下的应变‑时间以及应力‑时间关
系图。

[0047] 首先以试验输入的应变速率 加载到试验输入的目标拉伸应变幅值+εa；接着以同样的试验输入应变速率 进行卸载；当应力达到试验输入保载应力σd时停止卸载，与此同
时试验控制模式切换至应力控制并进行应力为σd的恒应力保载，当保载时间达到试验输入
的保载时间td时，保载结束。试验控制模式切换至应变控制，以同样的试验输入应变速率
进行压缩，压缩至试验输入的目标压缩应变幅值‑εa。

[0048] 步骤S5，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，结合步骤S2中得到的任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，根据蠕变疲劳试验半寿命周次的应变幅值确定每一周的疲
劳损伤，具体如下：

[0049] 以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，则蠕变疲劳试验每一周的疲劳损伤表示为式(7)，

[0050]

[0051] 其中N为应变控制纯疲劳试验的循环寿命，该应变控制纯疲劳试验的应变幅值等于蠕变疲劳试验特征周次的应变幅值，即蠕变疲劳试验半寿命周次的应变幅值，根据式(1)
建立的应变幅值与应变控制疲劳寿命关系可求得N。

[0052] 转入步骤S7。

[0053] 步骤S6，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，结合步骤S3中得到的蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的定量关系，根据蠕变疲劳试验半寿
命周次应变保载期间应力演化或应力保载期间应变演化，确定非弹性应变能密度及非弹性
应变能密度率，从而得到每一周的蠕变损伤，具体如下：

[0054] 步骤S61，应变控制蠕变疲劳试验应变保载期间的保载应力与时间的演化σd(t)以及混合控制蠕变疲劳试验应力保载期间的保载应变与时间的演化εd(t)均满足式(8)的非
线性演化规律，

[0055]

[0056]

[0057] 其中，应力松弛系数p1和应力松弛指数q1通过拟合应变保载期间的应力松弛曲线得到，蠕变变形系数p2和蠕变变形指数q2通过拟合应力保载期间的蠕变曲线得到；本发明在
保证精度的前提下，提出新的应力松弛曲线以及蠕变曲线的表达式，方便本发明的推广及
工程应用。

[0058] 步骤S62，考虑平均应力作用，保载阶段t时刻的非弹性应变能密度 如式(9‑1)和式(9‑2)所示，

[0059]

[0060] 其中E表示材料在试验温度下的弹性模量，σ0表示蠕变疲劳试验半寿命周次保载开始时的应力，σm表示蠕变疲劳试验半寿命周次的平均应力；σ表示保载阶段的蠕变应力。

[0061] 步骤S63，通过应变控制蠕变疲劳试验应变保载阶段的保载应力与时间的演化σd(t)、混合控制蠕变疲劳试验应力保载阶段的保载应变与时间的演化εd(t)，以及保载阶段t
时刻的非弹性应变能密度 得到非弹性应变能密度率

[0062] 即对式(9‑1)和式(9‑2)进行求导，并与式(8‑1)和式(8‑2)联立，得到式(10‑1)和式(10‑2)：

[0063]

[0064] σd表示混合控蠕变疲劳载荷的保载应力。

[0065] 初始保载阶段较高非弹性应变速率会造成对蠕变损伤的高估。为解决这一问题，现有技术提出设置非弹性应变速率阈值来限制蠕变损伤，但阈值的确定是建立在大量试验
数据的基础上的，这大大提高了寿命预测的成本。

[0066] 步骤S64，本发明将最小的非弹性应变能密度率，即保载结束时的非弹性应变能密度率作为特征非弹性应变能密度率，在考虑蠕变损伤高估的基础上，极大地简化了预测方
法，利于工程应用及推广。因此本发明中蠕变疲劳试验每一周的蠕变损伤 可以表示为
式(11)，其中 表示蠕变疲劳失效时材料的非弹性应变能密度。

[0067]

[0068] 其中 表示蠕变疲劳失效时材料的非弹性应变能密度。

[0069] 步骤S65，根据蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变能密度率之间的关系，以及非弹性应变能密度率 得到最终的蠕变疲劳试验每一周的蠕变损伤 如
式(12)所示：

[0070]

[0071]

[0072] 转入步骤S7。

[0073] 步骤S7，利用线性损伤累积法则，根据前述每一周的疲劳损伤以及每一周的蠕变损伤预测该材料在蠕变疲劳载荷下的循环寿命Nc‑f可以表示为式(13)

[0074]

[0075] 转入步骤S8。

[0076] 步骤S8，根据每一周的疲劳损伤和蠕变损伤，确定蠕变疲劳试样加载过程中的累积疲劳损伤Df(n)以及累积蠕变损伤Dc(n)：

[0077]

[0078]

[0079] 其中n表示循环周次数，i表示当前循环周次数。

[0080] 将确定的累积疲劳损伤和累积蠕变损伤绘制于蠕变疲劳损伤评定图中，其中每一个损伤状态点横坐标为累积疲劳损伤，纵坐标为累积蠕变损伤。发现失效试样的损伤状态
点均位于美国ASME III‑NH标准(锅炉及压力容器设计规范，2019版)规定的双线性损伤包
络线之外，从而验证了本发明损伤方法的准确性和合理性。接着将其他承受蠕变疲劳载荷
试样对应的损伤状态点绘制于损伤评定图上，判定材料在此蠕变疲劳载荷任意时刻下的损
伤状态：若损伤状态点在双线性包络线以外，则判定为材料失效，反之则为未失效。

[0081] 实施例1采用本发明的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法预测了不同温度以及不同材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷下的循环寿命。

[0082] 选取数据为15组P92钢在625℃下的应力应变混合控制蠕变疲劳试验，保载时间为300s,600s,1800s，保载应力为140MPa‑180MPa，其试验方法如说明书中所述。4组P92钢在
650℃下的应变控制蠕变疲劳试验，以及5组P92钢在600℃下的应变控制蠕变疲劳试验，试
验方法如说明书中所述。不同温度以及应变幅值下P92钢的疲劳试验采用发表论文的数据
【Wang X,Zhang W,Zhang T,et al.A New Empirical Life Prediction Model for 9–
12％Cr Steels under Low Cycle Fatigue and Creep Fatigue Interaction Loadings
[J].Metals,2019,9(2).和Zhang T,Wang X,Ji Y,et al.P92 steel creep‑fatigue 
interaction responses under hybrid stress‑strain controlled loading and a 
life prediction model[J].International Journal of Fatigue,2020:105837.】。不同
温度以及不同应力下P92钢的蠕变试验采用论文数据【Kimura K,Takahashi Y.Evaluation 
of Long‑Term Creep Strength of ASME Grades 91,92,and 122Type Steels[C]//ASME 
2012Pressure Vessels and Piping Conference.2012.】。9组P91钢在550℃下的应变控制
蠕变疲劳试验以及纯蠕变和纯疲劳试验采用论文数据【Asayama T.Update and Improve 
Subsection NH‑Alternative Simplified Creep‑Fatigue Design Methods[R].ASME 
Standards Technology,LLC.2009.】。

[0083] 首先按照本发明的步骤S2，根据所述的疲劳试验数据，计算出任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，然后根据步骤S3，确定蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变
能密度率之间的定量关系，接着按照步骤S5，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，根
据半寿命周次的应变幅值确定每一周的疲劳损伤；按照步骤S6，计算非弹性应变能密度及
非弹性应变能密度率，最终得到每一周的蠕变损伤。最后利用线性累积损伤法则，预测出不
同材料在不同试验载荷下的循环寿命。

[0084] 由图3的结果可见，无论是应变控制蠕变疲劳还是应力应变混合控制的蠕变疲劳试验，利用本发明预测的寿命均在2倍误差带以内。因此本发明的适用于判定应力应变混合
控蠕变疲劳损伤状态的通用方法对蠕变疲劳载荷，试验材料，试验温度都具有普适性。

[0085] 实施例2采用本发明的适用于判定应力应变混合控蠕变疲劳损伤状态的通用方法，判定材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷的任意时刻下的损伤状态。

[0086] 线性损伤累积没有考虑蠕变疲劳交互的作用，常常会低估蠕变疲劳损伤的情况。因此在现行蠕变疲劳设计中，引入了双线性设计准则。对于9Cr‑1Mo材料，ASME III‑NH(锅
炉及压力容器设计规范)定义累积蠕变损伤以及累积疲劳损伤均达到0.3为双线性准则中
的交互转折点，如图4所示。本实施例选取数据与实施例1相同，基于本发明提出的蠕变及疲
劳损伤表达式，本实施例判定材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷的任意时刻
下的损伤状态。

[0087] 首先按照本发明的步骤S2，根据所述的疲劳试验数据，计算出任意应变幅值下疲劳试验的循环寿命，然后根据步骤S3，确定蠕变失效时的非弹性应变能密度与非弹性应变
能密度率之间的定量关系，接着按照步骤S5，以蠕变疲劳试验的半寿命周次为特征周次，根
据半寿命周次的应变幅值确定每一周的疲劳损伤；按照步骤S6，计算非弹性应变能密度及
非弹性应变能密度率，最终得到每一周的蠕变损伤。按照步骤S8，计算蠕变疲劳加载过程中
的累积蠕变损伤以及累积疲劳损伤，验证本发明损伤方法的准确性和合理性。最后，取多个
试验损伤状态点，判定材料在该蠕变疲劳以及该时刻下的损伤状态。

[0088] 由图5和图6的结果可见，基于本发明提出的蠕变及疲劳损伤，大部分的蠕变疲劳失效点几乎都落在标准规定的包络线以外，而基于ASME III‑NH标准中蠕变及疲劳损伤，相
当多的失效点落在标准规定的包络线以内，尤其对于应力应变混合控蠕变疲劳载荷，大部
分失效点都落在标准规定的包络线以内。因此验证本发明的蠕变疲劳损伤是合理的且准确
性高于美国ASME III‑NH标准提出的损伤方法。

[0089] 除此以外，由图6可见，多个试验损伤状态点位于双线性蠕变疲劳包络线以内，表明这些试验点对应的试样未发生失效，与实际损伤状态相符，因此本发明可以判定材料在
该蠕变疲劳以及该时刻下的损伤状态。

[0090] 从实施例1和实施例2的结果看出：采用本发明的方法，可以很好地预测不同材料在应变控以及应力应变混合控蠕变疲劳载荷下的循环寿命，且基于本发明的蠕变及疲劳损
伤，几乎所有的蠕变疲劳失效点都落在标准规定的包络线以外，同时本发明还可以判定材
料在蠕变疲劳载荷下任意时刻下的损伤状态。