12Cr1MoVg短期高温冲击断裂有限元分析

　　l2CrlMoVg是国内外电力设备制造业广泛采用的一种低合金耐热钢,在高温条件下组织结构稳定,具有较高的持久强度,多用于制造管壁温度小于580℃的过热器管,汽温小于540℃的蒸汽管道等。目前,对此材料高温断裂性能的研究[1,2],是在长期高温作用下,利用材料中大量的碳化物沿晶界析出并聚集粗化[3]的理论来解释,且趋向于用高温蠕变理论来说明[4]。这些研究主要集中于长期高温的作用,但实际上却常发生短期高温爆管现象[5~7],对此,本文采用有限元法对12Cr1MoVg在高温短期冲击条件下的断裂韧性等参数进行计算,并通过三点弯曲方法进行验证,其结果可

　　为实际运行提供判断依据。

　　1　试样模型的建立

　　1.1　工况条件和参数测量

　　试验的高温冲击温度设定为580℃→530℃→580℃→480℃,各温度梯度变化均间隔5 h。根据断裂力学的K判据有下式:

　　修正系数Y的数值跟工况条件有很大的关系,因一般给出的都是常温条件下的修正系数,对于短期高温冲击条件很难满足。因此,本文通过有限元方法得到不同温度条件下的修正系数,为断裂力学的计算提供依据。

　　1.2　试验材料

　　试验所采用的材料是普通的12Cr1MoVg,其化学成分、力学和热学性能见表1和表2。

　　试样为I型裂纹形式,试样尺寸和试验方法按照金属材料平面应变断裂韧性KIC试验方法制定[10]。试样厚度为30、20、16、8 mm,图1所示为试样结构及尺寸。表3为不同厚度试样的具体尺寸值。

　2　有限元方法

　　2.1　有限元模型的建立

　　试验用ANSYS进行分析,采用1/2对称模型结构进行有限元的计算,计算步骤如下。

　　(1)根据给定尺寸以PLANE2, 6-node三角形模型建立系统模型。

　　(2)给定材质参数,对模型进行网格化分割,对裂纹尖点处进行KCALC操作,其操作后的结果如图2所示。

　　(3)加入温度冲击负载和作用力。温度载荷主要是用来计算热胀冷缩引起的热应力和变形,根据AN-SYS施加温度负载。按照温度梯度580℃→530℃→580℃→480℃依次施加温度载荷,并在模型的中点处依次施加1 000 N的载荷。

　　(4)得出材料的断裂应力强度因子。

　　(5)改变作用力大小,得到不同作用力下材料的断裂应力强度因子。

　　(6)对不同尺寸的模型分别计算得出在高温冲击作用和不同作用力影响下的断裂应力强度因子值。

　　2.2　计算结果

　　对厚度分别为30、20、16、8 mm的试样进行计算得到断裂应力强度因子(表4)。