某新型核电汽轮机末级长叶片不锈钢的疲劳断裂力学行为研究

摘要

我国核电工业的快速发展对核电汽轮机末级长叶片高度提出了新的要求。增加叶片高度可提高机组效率，但同时也增加了叶片叶根疲劳断裂的可能性。在现阶段叶片抗疲劳设计中，以叶根疲劳裂纹萌生为依据的常规疲劳设计方法和以叶根疲劳裂纹扩展为依据的损伤容限方法是两种主要途径。本文主要结合某国产新型核电汽轮机末级长叶片的抗疲劳设计需求，开展了叶片叶根纵、横方向材料（XCrXNiXXX沉淀硬化不锈钢）的一系列疲劳试验，目的是为该新型长叶片的抗疲劳强度设计和寿命预测等提供完整的试验数据和计算分析模型。
　　基于叶片的常规疲劳设计方法，本文开展了末级长叶片叶根纵、横方向XCrXNiXXX沉淀硬化不锈钢的光滑与缺口试样高周疲劳试验，获得了应力比R=-1下的S-N曲线与疲劳极限，并拟合获得了对应的Basquin方程、三参数方程以及Langer方程，其中三参数方程拟合效果最好。通过对比叶根两个方向上的S-N曲线发现:在中短寿命区，纵、横方向材料的疲劳强度差异很小;而在长寿命区，纵向的疲劳强度略大于横向。对光滑与缺口试样疲劳断口的显微观察发现:叶根纵、横取向光滑试样的裂纹均源于试样表面，且为单源萌生机制;而在缺口试样表面具有多个疲劳台阶，呈现出典型的多源裂纹萌生特征。对比光滑和缺口试样的S-N曲线进一步发现:随着疲劳寿命的增加，缺口对疲劳强度的缩减作用变得明显。针对疲劳缺口效应，本文还建立了叶根纵、横方向上疲劳缺口系数(Kf)与缺口敏感性指标(q)随疲劳寿命(Nf)变化的关系式。结果表明:随着应力水平降低（或疲劳寿命增加），叶根纵、横方向材料的疲劳缺口系数(Kf)均呈现增加并逐渐趋近于理论应力集中系数(Kt)，相应的缺口敏感度指标（q）逐渐趋近1。这说明在低应力水平下，该叶片材料将表现出较为显著的缺口敏感性。结合缺口根部弹塑性变形的有限元模拟，本文还检验了叶等提出的Kf计算模型的精度。结果表明:在四种应力水平（包括高、低应力水平）下，估算值和试验值的相对误差在10％以内。因此，该计算模型可推荐为叶根疲劳缺口系数的近似估算公式。
　　基于叶片的损伤容限设计方法，本文开展了叶根纵、横方向XCrXNiXXX沉淀硬化不锈钢的疲劳裂纹扩展试验，获得了两种方向上材料的疲劳裂纹扩展门槛值以及裂纹扩展速率曲线。结果表明:叶根横向疲劳裂纹扩展门槛略大于纵向;而叶根纵、横方向的疲劳裂纹扩展速率曲线基本一致，Paris模型和Walker模型对两者均可很好地描述。结合Matsueda等人建立的缺口试样疲劳极限（σw1）与疲劳裂纹门槛值（ΔKth）之间的经验模型，本文还进一步检验了该模型对XCrXNiXXX不锈钢疲劳裂纹门槛值估算的适用性。结果表明:ΔKth估算值和试验值的误差保持在15％以内。因此，作为初步设计，Matsueda公式也可作为叶片叶根疲劳裂纹扩展门槛值的近似估算公式。

目录

声明

致谢

摘要

插图与附表清单

1 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 叶片的常规疲劳设计

1．2．1 叶片常规疲劳设计方法概述

1．2．2 疲劳S-N曲线及其描述模型

1．2．3 疲劳缺口敏感性

1．3 叶片的损伤容限设计

1．3．1 叶片损伤容限设计方法概述

1．3．2 疲劳裂纹扩展门槛值预测模型

1．3．3 疲劳裂纹扩展速率描述模型

1．4 核电末级长叶片受力特点与材料选择

1．4．1 叶片受力特点

1．4．2 叶片材料选择

1．5 研究内容与技术路线

2 材料与试验方法

2．1 引言

2．2 试验材料与试样设计

2．3 高周疲劳试验

2．4 疲劳裂纹扩展试验

2．5 疲劳断口观察

3 叶根纵、横取向光滑试样的高周疲劳试验结果

3．1 引言

3．2 XCrXNiXXX不锈钢光滑试样的S-N曲线及其描述

3．2．1 光滑试样的疲劳试验结果

3．2．2 光滑试样S-N曲线拟合方程

3．3 光滑试样的疲劳断口特征

3．4 本章小结

4 叶根纵、横取向缺口试样的高周疲劳试验结果

4．1 引言

4．2 XCrXNiXXX不锈钢缺口试样的S-N曲线与疲劳断口特征

4．2．1 缺口试样的S-N曲线及其描述

4．2．2 缺口试样的疲劳断口特征

4．3 XCrXNiXXX不锈钢的疲劳缺口效应

4．3．1 缺口对疲劳强度的影响

4．3．2 基于试验确定疲劳缺口系数

4．3．3 基于缺口根部弹塑性变形估算疲劳缺口系数

4．4 本章小结

5 叶根纵、横取向试样的疲劳裂纹扩展试验结果

5．1 引言

5．2 XCrXNiXXX不锈钢的疲劳裂纹扩展门槛值测试与估算

5．2．1 疲劳裂纹扩展门槛值试验结果

5．2．2 疲劳裂纹扩展门槛值估算

5．3 XCrXNiXXX不锈钢的疲劳裂纹扩展速率试验结果

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历