某新型核電汽輪機末級長葉片不銹鋼的疲勞斷裂力學(xué)行為研究.pdf

1、我國核電工業(yè)的快速發(fā)展對核電汽輪機末級長葉片高度提出了新的要求。增加葉片高度可提高機組效率，但同時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)計中，以葉根疲勞裂紋萌生為依據(jù)的常規(guī)疲勞設(shè)計方法和以葉根疲勞裂紋擴展為依據(jù)的損傷容限方法是兩種主要途徑。本文主要結(jié)合某國產(chǎn)新型核電汽輪機末級長葉片的抗疲勞設(shè)計需求，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，目的是為該新型長葉片的抗疲勞強度設(shè)計和壽命

2、預(yù)測等提供完整的試驗數(shù)據(jù)和計算分析模型。
　　基于葉片的常規(guī)疲勞設(shè)計方法，本文開展了末級長葉片葉根縱、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，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。通過對比葉根兩個方向上的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度差異很小;而在長壽命區(qū)，縱向的疲勞強度略大

3、于橫向。對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，且為單源萌生機制;而在缺口試樣表面具有多個疲勞臺階，呈現(xiàn)出典型的多源裂紋萌生特征。對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，缺口對疲勞強度的縮減作用變得明顯。針對疲勞缺口效應(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，本文還檢驗了葉等提出的Kf計算模型的精度。結(jié)果表明:在四種應(yīng)力水平（包括高、低應(yīng)力水平）下，估算值和試驗值的相對誤差在10％以內(nèi)。因此，該計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

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展試驗，獲得了兩種方向上材料的疲勞裂紋擴展門檻值以及裂紋擴展速率曲線。結(jié)果表明:葉根橫向疲勞裂紋擴展門檻略大于縱向;而葉根縱、橫方向的疲勞裂紋擴展速率曲線基本一致，Paris模型和Walker模型對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?zāi)Ｐ?，本文還進(jìn)一步檢驗了該模型對XCrXNiXXX不銹