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超超临界汽轮机高中压转子用钢裂纹扩展行为研究

作　者: 侍克献
导　师: 林富生
学　校: 上海发电设备成套设计研究院
专　业: 动力机械及工程
关键词: 转子钢紧凑拉伸(CT)试样蠕变蠕变-疲劳断裂力学裂纹扩展
分类号: TM311
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在高温工程部件中存在着缺陷和瑕疵,在长期服役情况下,这些缺陷可能萌生裂纹并逐渐扩展。为了提高部件的可靠性和对其运行寿命进行较为精确的预测,有必要对其材料的高温裂纹扩展行为进行研究。转子工作在高温应力条件下,其裂纹扩展行为受蠕变条件影响,同时由于电站更为弹性的服役模式导致更频繁的启停事件和更多的载荷变化情况,蠕变-疲劳也越来越影响裂纹扩展行为。因此有必要对这两种条件下的裂纹扩展行为进行研究。本文对超(超)临界汽轮机高中压转子用钢1Cr10Mo1W1NiVNbN的裂纹扩展行为进行了研究。采取紧凑拉伸(CT)试样,开展了600℃下的蠕变裂纹开裂扩展试验和蠕变-疲劳裂纹开裂扩展试验。采用直流电位法(DC)测定了不同条件下的蠕变裂纹扩展速率,分析了不同应力条件对裂纹萌生时间和扩展速率的影响,拟合得到了不同条件下得裂纹扩展速率公式。通过金相显微镜(OM)和扫描显微镜(SEM)观察了不同试验条件的裂纹形貌,分析了蠕变(蠕变-疲劳)裂纹开裂扩展方式。研究结果表明:初始应力越高,蠕变裂纹萌生时间越短,裂纹扩展初始速率越高,裂纹扩展到相同长度所需的时间也越短;应力强度因子较好地描述了不同条件下本试验材料的蠕变裂纹扩展速率;应力强度因子较低的条件下,裂纹附近有比较明显的蠕变孔洞,裂纹主要以沿晶方式扩展;应力强度因子较高情况下,裂纹以穿晶沿晶结合的方式扩展。蠕变-疲劳条件下,裂纹以沿晶穿晶混合方式扩展。保持时间较短的情况下,蠕变-疲劳裂纹萌生所需时间也较短;随着保持时间增长,蠕变-疲劳裂纹萌生扩展所需时间变长,沿晶扩展比例逐渐增加。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章概述  10-30
  1.1 工程背景  10-11
  1.2 高中压转子用钢  11-12
    1.2.1 转子材料的研究进展  11-12
    1.2.2 转子钢的失效方式  12
  1.3 蠕变、高温疲劳及蠕变-疲劳交互作用的损伤机理  12-19
    1.3.1 蠕变  12-17
    1.3.2 高温疲劳  17
    1.3.3 蠕变-疲劳交互作用  17-19
  1.4 裂纹扩展  19-25
    1.4.1 裂纹扩展的研究意义  19-20
    1.4.2 裂纹扩展的研究内容  20-25
  1.5 影响转子钢裂纹开裂扩展的因素  25-28
    1.5.1 温度条件的影响  26
    1.5.2 环境的影响  26
    1.5.3 加载频率的影响  26-27
    1.5.4 应力比的影响  27-28
  1.6 本文的主要内容及意义  28
    1.6.1 主要内容  28
    1.6.2 研究意义  28
  1.7 小结  28-30
第二章高温裂纹扩展试验方法  30-44
  2.1 试验材料  30-33
  2.2 试验设备  33
  2.3 试验方法  33-38
    2.3.1 试样制备  34-35
    2.3.2 试验条件  35
    2.3.3 裂纹长度的测定  35-38
  2.4 试验数据处理  38-42
    2.4.1 计算蠕变裂纹扩展速率  38-40
    2.4.2 计算裂纹尖端应力强度因子  40
    2.4.3 拟合蠕变裂纹扩展速率公式  40-42
  2.5 试验流程  42
  2.6 小结  42-44
第三章蠕变裂纹扩展试验与结果分析  44-62
  3.1 试验方案  44-45
  3.2 蠕变裂纹扩展特性曲线  45-52
    3.2.1 裂纹扩展曲线  46-49
    3.2.2 蠕变裂纹萌生时间  49-51
    3.2.3 蠕变裂纹扩展平均速率  51-52
  3.3 蠕变裂纹扩展行为  52-61
    3.3.1 裂纹扩展速率da/dt 与裂纹增量Δa 曲线  53
    3.3.2 裂纹扩展da/dt 与应力强度因子K 曲线  53-55
    3.3.3 蠕变裂纹扩展速率公式  55-57
    3.3.4 不同参量与蠕变裂纹扩展速率的关联性比较  57-61
  3.4 小结  61-62
第四章蠕变-疲劳裂纹扩展试验与结果分析  62-73
  4.1 试验方案  62-63
  4.2 蠕变-疲劳裂纹扩展曲线  63-67
    4.2.1 蠕变-疲劳裂纹萌生时间  64-65
    4.2.2 蠕变-疲劳裂纹扩展速率  65-67
  4.3 蠕变-疲劳裂纹扩展行为  67-72
    4.3.1 保持时间对裂纹扩展行为的影响  67-70
    4.3.2 蠕变-疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子的关系  70-72
  4.4 小结  72-73
第五章转子钢裂纹扩展机理  73-86
  5.1 蠕变裂纹扩展机理  73-76
    5.1.1 蠕变裂纹扩展机制  73-75
    5.1.2 蠕变-疲劳裂纹扩展机制  75-76
  5.2 转子钢裂纹扩展方式  76-85
    5.2.1 蠕变条件下转子钢裂纹扩展方式  76-80
    5.2.2 蠕变-疲劳条件下转子钢裂纹扩展方式  80-85
  5.3 小结  85-86
第六章结论与展望  86-89
  6.1 结论  86-87
  6.2 展望  87-89
参考文献  89-93
致谢  93

超超临界汽轮机高中压转子用钢裂纹扩展行为研究

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