KMN钢的高周/超高周疲劳机理与剩余寿命估算方法研究

摘要

离心压缩机是用于气体输送的主要动力部件，在西气东输、煤化工、石油化工等重要工程和产业中都有广泛应用。随着大型离心压缩机转速的不断提高，服役几年甚至十几年的叶轮转子工作寿命已经远远超过107循环周次，已经进入超高周疲劳范围。因此研究离心压缩机叶轮材料KMN的超高周疲劳损伤机理，建立离心压缩机叶轮的剩余寿命估算方法，是保障离心压缩机超长寿命设计和安全服役的重要基础。作者研究了热处理工艺、表面缺陷、试样尺寸、焊缝对叶轮材料KMN超高周疲劳损伤机理的影响规律，搭建了模拟叶轮实际工况的静态疲劳试验系统，利用非线性超声检测离心压缩机叶轮材料KMN的疲劳损伤，并建立了离心压缩机叶轮的剩余寿命估算方法。
　　对不同热处理工艺、试样尺寸以及带焊缝的叶轮材料KMN的超高周疲劳损伤机理进行研究，获得了企业急需的超高周疲劳S-N曲线，试验结果表明:经不同热处理工艺得到的KMN-I和KMN-S在超高周疲劳阶段的失效机理不同，KMN-I的S-N曲线在107循环周次后持续缓慢下降，在107循环周次以上仍会发生疲劳失效，其疲劳裂纹以表面起裂为主，部分内部疲劳裂纹萌生于试样内部的MnS夹杂物;而KMN-S存在传统的疲劳极限，且疲劳裂纹全部为表面起裂。KMN-I大尺寸试样的超高周疲劳失效机理与常规尺寸试样类似，在107循环周次之后仍会发生疲劳失效，不存在疲劳极限，其疲劳裂纹以表面起裂为主，在107循环周次以上有少量试样从内部夹杂物起裂;而KMN-I焊接试样的超高周疲劳特征不太明显，其疲劳裂纹在107循环周次之前均从表面起裂，在107循环周次之后主要萌生于内部基体。通过电子探针分析，利用碳化物弥散聚合理论对GBF区的形成进行了解释，碳化物的富集导致了材料内部基体薄弱处产生疲劳裂纹。利用断裂力学理论，对Murakami表面疲劳强度模型进行了修正，修正模型更加接近实验结果。利用平行层模型对叶轮材料KMN-I的超高周疲劳寿命进行了预测，证明了超高周疲劳裂纹的萌生寿命占总疲劳寿命的绝大部分。
　　模拟了叶轮在实际工况中由于尾流激振导致的叶轮共振时产生的最大应变，当应变率在0.0003s-1到0.1s-1的准静态试验范围内变化时，叶轮材料KMN-I的弹性模量没有明显变化，与静载荷下测得的本构关系基本一致。获得了叶轮材料KMN-I的振动疲劳S-N曲线，对比其超高周疲劳S-N曲线可以发现，在相同的疲劳循环周次下，KMN-I振动疲劳S-N曲线的疲劳强度相对于超声疲劳S-N曲线要低。断口分析表明其疲劳裂纹主要萌生于试样表面的位错滑移，且在低周疲劳阶段呈现多源疲劳的特征。通过设计相关夹具、辅件，建立了基于振动试验台的静态疲劳试验系统，可以完成5-4500Hz频率范围内的拉伸、弯曲、扭转等多种载荷及其复合形式下的静态疲劳试验。
　　对振动疲劳试验、弯曲疲劳试验和拉-弯疲劳试验等三组不同循环周次的叶轮材料KMN-I疲劳试样进行非线性超声检测试验研究，获得了三组疲劳试验下叶轮材料KMN-I的非线性系数-疲劳循环周次曲线，试验结果表明材料的非线性系数随着疲劳循环周次的增加先上升后下降。通过试样危险位置的微观分析，研究了材料内部微裂纹的扩展与非线性系数之间的关系，随着疲劳循环周次的增加，试样的微观组织逐渐劣化并产生裂纹。弯曲疲劳试验和拉-弯疲劳试验下叶轮材料KMN-I的非线性系数-疲劳循环周次曲线也表现出与振动疲劳试验相似的规律，证明了非线性超声检测可以用于表征材料疲劳早期微裂纹的萌生，可以用材料的非线性系数β来反映材料内部的疲劳损伤程度和疲劳寿命。研究了拉伸载荷、弯曲载荷对叶轮材料KMN-I非线性系数的影响，试验载荷的增加使得材料内部的微观损伤随之增加，进而导致非线性系数的变化。
　　利用位错弦模型分析了非线性系数的微观机理，在超高周疲劳S-N曲线和β-N曲线的基础上，建立了叶轮材料KMN-I的β-S-N三维空间模型。为了解决β-N曲线的“双值问题”，结合硬度测试提出了叶轮材料疲劳损伤程度的双判据方法。对试样内部疲劳裂纹进行数值统计，分别利用对数正态分布和Gumbel分布计算了疲劳裂纹的分布和极值。建立了叶轮材料KMN-I非线性系数和裂纹扩展尺寸的经验公式，进而提出了一种基于非线性超声检测的叶轮剩余寿命估算方法。
　　综上所述，通过对叶轮材料KMN的超高周疲劳损伤机理研究，揭示了热处理工艺、表面缺陷、试样尺寸、焊缝对KMN超高周疲劳损伤机理的影响规律，对离心压缩机超长寿命设计和安全服役有着重要的指导意义。利用非线性超声检测离心压缩机叶轮材料KMN的高周/超高周疲劳损伤，并建立了离心压缩机叶轮的剩余寿命估算方法，能够为离心压缩机叶轮的在役检测提供理论支持。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 高强钢的超高周疲劳

1．2．2 叶片的疲劳试验

1．2．3 基于非线性超声检测的疲劳损伤评估

1．3 问题提出及研究意义

1．3．1 问题提出

1．3．2 研究意义

1．4 研究内容

第2章 试验方法与过程

2．1 试验材料

2．2 超声疲劳试验

2．3 振动疲劳试验与静态疲劳试验

2．3．1 振动疲劳试验

2．3．2 静态疲劳试验

2．4 非线性超声检测试验

2．4．1 非线性超声检测原理

2．4．2 非线性超声检测系统

2．4．3 疲劳试样制备及试验过程

2．5 本章小结

第3章 叶轮材料KMN超高周疲劳行为与机理研究

3．1．2 热处理状态的影响

3．1．3 试样尺寸的影响

3．1．4 焊接状态的影响

3．2 GBF区形成机理研究

3．3 超高周疲劳强度预测模型

3．3．1 Murakami疲劳强度模型

3．3．2 疲劳强度修正模型

3．4 超高周疲劳寿命预测模型

3．5 本章小结

第4章 叶轮材料KMN-I高周疲劳行为与机理研究

4．1 叶轮材料KMN-I动态本构关系测定

4．2 叶轮材料KMN-I振动疲劳行为与机理研究

4．2．1 模态分析与谐响应分析

4．2．2 S-N曲线

4．2．3 断口特征

4．3 叶轮材料KMN-I静态疲劳行为与机理研究

4．3．1 S-N曲线

4．3．2 断口特征

4．4 本章小结

第5章 叶轮材料KMN-I非线性超声检测试验研究

5．1 叶轮材料KMN-I频散曲线与有效性验证

5．2 非线性超声系数映射曲线与断口特征

5．2．1 振动疲劳试验的非线性超声系数映射曲线与断口特征

5．2．2 弯曲疲劳试验的非线性超声系数映射曲线与断口特征

5．2．3 拉-弯疲劳试验的非线性超声系数映射曲线与断口特征

5．2．4 叶片疲劳试验的非线性超声系数映射曲线与断口特征

5．3 载荷作用方式对非线性超声系数的影响

5．4 本章小结

第6章 基于非线性超声检测的叶轮剩余寿命估算方法

6．2 β-N曲线的双值问题

6．3 疲劳裂纹数值统计

6．3．1 疲劳裂纹分布

6．3．2 疲劳裂纹极值

6．4 基于非线性超声检测的剩余寿命评估方法

6．5 验证案例

6．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文、参与课题及奖励情况