316L不锈钢扩散焊接头蠕变损伤和裂纹扩展研究

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印刷电路板换热器因其具有极高的结构紧凑度和传热效率,是下一代高温气冷堆换热器的有力选择。印刷电路板换热器是由扩散焊接加工而成,服役条件下扩散焊接头的蠕变强度成为影响换热器长周期可靠运行的关键问题。因此,准确预测扩散焊接头的蠕变损伤与裂纹扩展行为对印刷电路板换热器的寿命评估有着重要的意义。本文以316L不锈钢扩散焊接头为研究对象,对比研究了母材和扩散焊接头的常规拉伸力学性能及蠕变性能,建立了适合于描述扩散焊接头的蠕变损伤本构模型,并通过多轴蠕变试验验证了此模型的准确性。最后基于所建立的本构模型,通过有限元方法对印刷电路板换热器蠕变裂纹扩展的影响因素进行了探讨。论文的主要工作和结论如下:(1)经常规拉伸性能测试和蠕变测试,结合微观分析发现:316L不锈钢扩散焊接头弹性模量与母材相差不大,硬度略有升高,常温抗拉强度和屈服强度分别降低了13.9%和12.3%,高温抗拉强度和屈服强度分别降低了39.9%和10.5%。接头的蠕变曲线初始阶段和稳态阶段占比较大,同等应力条件下蠕变速率比母材高出35倍,断裂时间大大缩短,断裂应变也有了较大幅度的减小。(2)基于应变损伤力学理论,建立了多轴应力下适合于描述扩散焊接头蠕变损伤的本构模型。根据蠕变试验结果拟合了模型中所需的材料参数,通过编写USDFLD和CREEP子程序,利用有限元对扩散焊接头的蠕变裂纹扩展行为进行了研究分析,并通过试验进行了验证。结果表明,所建立的蠕变损伤本构模型能够较好地表征扩散焊接头的蠕变裂纹扩展行为。(3)基于上述本构模型和研究思路,对印刷电路板换热器在工作条件(600℃、20MPa)下的蠕变损伤和寿命进行了模拟分析。结果显示:蠕变应变最大值位于流道边缘焊缝处,当前结构能够满足设计压力和温度下连续工作100000h的需求。同时分析了印刷电路板结构在不同通道直径、间距和过渡圆角半径下焊缝位置处的蠕变裂纹扩展行为,结果表明随着通道直径的减小、间距的增大以及过渡圆角半径的增加,蠕变裂纹发生时间延长,蠕变寿命也随之增加,但是上述结构尺寸的增大必然会导致换热效率降低。因此若要提高换热器的使用寿命,应适当增加通道直径、间距以及流道过渡圆角半径。
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