某新型核電汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片不銹鋼的疲勞斷裂力學(xué)行為研究.pdf

1、我國(guó)核電工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)核電汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片高度提出了新的要求。增加葉片高度可提高機(jī)組效率，但同時(shí)也增加了葉片葉根疲勞斷裂的可能性。在現(xiàn)階段葉片抗疲勞設(shè)計(jì)中，以葉根疲勞裂紋萌生為依據(jù)的常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法和以葉根疲勞裂紋擴(kuò)展為依據(jù)的損傷容限方法是兩種主要途徑。本文主要結(jié)合某國(guó)產(chǎn)新型核電汽輪機(jī)末級(jí)長(zhǎng)葉片的抗疲勞設(shè)計(jì)需求，開展了葉片葉根縱、橫方向材料（XCrXNiXXX沉淀硬化不銹鋼）的一系列疲勞試驗(yàn)，目的是為該新型長(zhǎng)葉片的抗疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命

2、預(yù)測(cè)等提供完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算分析模型。
　　基于葉片的常規(guī)疲勞設(shè)計(jì)方法，本文開展了末級(jí)長(zhǎng)葉片葉根縱、橫方向XCrXNiXXX沉淀硬化不銹鋼的光滑與缺口試樣高周疲勞試驗(yàn)，獲得了應(yīng)力比R=-1下的S-N曲線與疲勞極限，并擬合獲得了對(duì)應(yīng)的Basquin方程、三參數(shù)方程以及Langer方程，其中三參數(shù)方程擬合效果最好。通過對(duì)比葉根兩個(gè)方向上的S-N曲線發(fā)現(xiàn):在中短壽命區(qū)，縱、橫方向材料的疲勞強(qiáng)度差異很小;而在長(zhǎng)壽命區(qū)，縱向的疲勞強(qiáng)度略大

3、于橫向。對(duì)光滑與缺口試樣疲勞斷口的顯微觀察發(fā)現(xiàn):葉根縱、橫取向光滑試樣的裂紋均源于試樣表面，且為單源萌生機(jī)制;而在缺口試樣表面具有多個(gè)疲勞臺(tái)階，呈現(xiàn)出典型的多源裂紋萌生特征。對(duì)比光滑和缺口試樣的S-N曲線進(jìn)一步發(fā)現(xiàn):隨著疲勞壽命的增加，缺口對(duì)疲勞強(qiáng)度的縮減作用變得明顯。針對(duì)疲勞缺口效應(yīng)，本文還建立了葉根縱、橫方向上疲勞缺口系數(shù)(Kf)與缺口敏感性指標(biāo)(q)隨疲勞壽命(Nf)變化的關(guān)系式。結(jié)果表明:隨著應(yīng)力水平降低（或疲勞壽命增加），葉根

4、縱、橫方向材料的疲勞缺口系數(shù)(Kf)均呈現(xiàn)增加并逐漸趨近于理論應(yīng)力集中系數(shù)(Kt)，相應(yīng)的缺口敏感度指標(biāo)（q）逐漸趨近1。這說明在低應(yīng)力水平下，該葉片材料將表現(xiàn)出較為顯著的缺口敏感性。結(jié)合缺口根部彈塑性變形的有限元模擬，本文還檢驗(yàn)了葉等提出的Kf計(jì)算模型的精度。結(jié)果表明:在四種應(yīng)力水平（包括高、低應(yīng)力水平）下，估算值和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差在10％以內(nèi)。因此，該計(jì)算模型可推薦為葉根疲勞缺口系數(shù)的近似估算公式。
　　基于葉片的損傷容限設(shè)計(jì)

5、方法，本文開展了葉根縱、橫方向XCrXNiXXX沉淀硬化不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，獲得了兩種方向上材料的疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值以及裂紋擴(kuò)展速率曲線。結(jié)果表明:葉根橫向疲勞裂紋擴(kuò)展門檻略大于縱向;而葉根縱、橫方向的疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線基本一致，Paris模型和Walker模型對(duì)兩者均可很好地描述。結(jié)合Matsueda等人建立的缺口試樣疲勞極限（σw1）與疲勞裂紋門檻值（ΔKth）之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，本文還進(jìn)一步檢驗(yàn)了該模型對(duì)XCrXNiXXX不銹