文献类型：学位论文

中文题名：环境影响下典型汽轮机材料的超高周疲劳失效机理及长寿命设计

作者：朱刚[1];

机构：[1]华东理工大学;

导师：朱明亮;华东理工大学|轩福贞;华东理工大学

授予学位：博士

语种：中文

中文关键词：超高周疲劳;内部疲劳开裂;超声循环振动强化;寿命预测;强度考核;长寿命设计

摘要：新一代蒸汽/燃气轮机的旋转部件在高温及腐蚀服役环境下呈现低应力长寿命(>107周次)趋势,超高周疲劳破坏是其典型的失效模式之一,长期困扰装备的服役安全。超声疲劳测试方法适合超高循环周次疲劳行为的研究,但超声频率引起材料发热及强化变形微观机制尚未澄清,严重影响数据的可靠性。因此,研究严苛环境下服役材料的超高周疲劳失效机理、寿命预测与强度考核方法对高端装备的长寿命强度设计、可靠性制造和安全运维具有重要工程意义。本文以先进火/核电汽轮机结构完整需求为牵引,面向机械结构长寿命抗疲劳设计方法的开发及优化,综合利用疲劳试验、微观表征和理论分析等方法,对典型汽轮机材料长寿命阶段临氢/高温环境下的内部疲劳开裂规律、超声疲劳变形机理、寿命预测与强度考核方法开展深入研究。主要内容和结果如下:(1)分析氢元素对长寿命阶段疲劳裂纹萌生区形成机制的影响,获得了马氏体钢内部微缺陷引起疲劳开裂的一般规律。开展了 100℃饱和湿蒸汽和80℃下3%NaCl水溶液下不同应力比的高频单轴超高周疲劳试验,基于微缺陷周围组织损伤表征和氢含量测定,讨论氢与细晶区(fine granulararea,FGA)形成的关系,结合氢致开裂的理论模型,构建了内部缺陷致裂的化-力学机理模型,获得了马氏体钢疲劳内部缺陷致裂的一般规律。结果表明,临氢环境下的FGA形成机制仍遵循FGA是马氏体板条断裂形成的位错胞(Zhu模型),FGA的形成与局部断裂模式强相关,氢元素可促进板条马氏体的断裂,进而促进FGA的形成。研究认为,缺陷-基体-环境三者交互作用是缺陷致裂的核心问题,内部缺陷致裂的化-力学机理模型统一了 Murakami氢致开裂模型与Zhu模型。(2)开展不同强度等级的马氏体钢在不同加载模式下的超声疲劳试验,澄清了超声疲劳热损伤的本质。对4种不同强度等级、3种加载模式下的马氏体钢进行单轴超声疲劳试验,并基于原位热成像技术,获得了超声疲劳过程中试棒表面的温度演变规律,表征了超声疲劳损伤的不均匀性。结合热力学理论,建立了定量评估超声疲劳微塑性变形的评估方法。结果表明,在未冷却模式下,超声疲劳损伤机制为材料在强力-热耦合下的不均匀塑性变形。(3)开展不同强度等级的马氏体钢在超声及常规频率下的疲劳试验,澄清了超声循环振动强化的本质。基于微观组织表征、位错密度的测定和理论分析结果表明,长时间的室温超声循环振动驱使位错与析出相交互作用引起析出相细化且弥散分布,提高了材料的抗拉强度;同时,可移动位错演变成位错胞,降低了位错密度,引发应力松弛,进而提高了材料塑性,缓解了循环加载引起的应变局部化,抑制了疲劳裂纹萌生。结果表明,冷却模式下,超声疲劳强度显著提高的机制为材料在高循环应变速率下抗拉强度和塑性的同步提高。(4)考虑高温和平均应力的影响,阐明了内部微观组织引起的疲劳开裂规律,提出了基于失效机理的长周期疲劳寿命预测模型。开展了 550℃、650℃应力比为-1以及630℃应力比为-1、-0.3和0.5的高频单轴高周疲劳试验,基于基体微观组织表征,讨论了高温疲劳强度影响因素,表明较小的孪晶间距,碳化物的尺寸和长宽比、γ'相尺寸有利于更高的疲劳强度。揭示了内部微观组织引起的小刻面(facet)开裂机制,构建了基于facet开裂机制的疲劳寿命预测模型。结果表明,facet是疲劳裂纹萌生和短裂纹扩展共同作用的结果,形成过程为内部不均匀微结构在循环加载过程中引起的应变局部化,导致滑移带和孪晶交互作用,造成孪晶结构崩塌萌生裂纹并扩展。(5)基于超高周疲劳失效机理、寿命预测与强度考核方法,发展了面向长寿命服役机械结构的抗疲劳设计方法。在考虑高温蠕变-高周/超高周疲劳交互作用的基础上,建立了双判据等寿命图对高温大型旋转结构进行疲劳强度考核。结果表明,双判据图比传统的Goodman和Soderberg等寿命图的评估精度高。基于超声循环振动强化机制,提出了一种强化方法,实现了长周期服役机械结构的延寿。结合临氢/高温环境下的内部疲劳开裂规律,提出了极端环境下长寿命服役结构的安全调控方法。上述的研究结果最终形成了长寿命服役机械结构设计/制造一体化的疲劳防断理念和设计准则。总之,本文深入研究了严苛环境下典型汽轮机材料长寿命阶段的疲劳失效机理,获得了内部缺陷/不连续组织致裂的微观机制,澄清了超声频率引起的材料发热和强化变形的本质,建立了长寿命疲劳寿命预测和强度考核方法,最终形成了长寿命服役机械结构设计/制造一体化的疲劳防断理念和设计准则。