FB2/CrMoV异种钢转子焊接接头疲劳性能及断裂机理研究

摘要

随着经济的快速发展，世界对能源的需求越来越多。同时由于火力发电过程中效率低排出大量CO2气体会导致温室效应，造成全球变暖。因此要提高火力发电的效率，而火力发电的效率与蒸汽温度与压力有紧密联系，高蒸汽压力与温度必然对材料的要求提高。欧洲COST项目研发的FB2钢相比于传统的CrMoV钢具有强度高、抗裂性好等优势，但其成本过高，为了充分发挥不同材料在不同运行条件下的优势，本文采用窄间隙埋弧焊接方法将FB2与CrMoV钢进行连接以满足高-中压转子运行的需求。而由于转子在不同工况下运行，其疲劳性能非常关键。本文开展了FB2/CrMoV异种钢焊接汽轮机转子疲劳性能的研究，采用试验研究与组织表征相结合的方法，探讨FB2/CrMoV异种钢焊接接头微观组织对疲劳性能的影响，揭示微观组织与疲劳断裂位置及断裂机理的内在联系，为FB2/CrMoV中低压一体化焊接转子安全运行提供试验及理论依据。
　　本文采用OM、SEM、EDS观察并分析了整个FB2/CrMoV异种钢焊接接头各区域的微观组织，发现CrMoV侧组织为回火马氏体与回火贝氏体，FB2侧及焊缝组织为回火马氏体，同时在FB2熔合线附近出现碳迁移；碳化物在各区域析出量不同，其中在CrMoV热影响区回火区析出最多。结合显微硬度验证了由于微观组织不同造成的硬度差异，证实CrMoV热影响区回火区为整个接头的薄弱区域。
　　基于对FB2/CrMoV异种钢焊接存在元素扩散、残余应力等问题，采用在FB2侧增加10 mm堆焊层来改善异种焊接问题。本文分别对有/无过渡层焊接接头进行低周疲劳性能测试，结果表明采用2CrMoV过渡层焊接，并没有提高接头的低周疲劳寿命。对接头显微组织及硬度分析，发现过渡层热影响区的多次回火区析出了大量碳化物，进一步削弱了接头的疲劳性能。两种接头的断口分析显示疲劳裂纹源均位于试样表面，断口上的韧窝及解理面表明此断裂为韧脆混合断裂。
　　本文同时研究了焊接接头在室温、400℃、470℃下高周疲劳性能，结果表明随着温度升高，接头的高周疲劳性能下降。同时发现随着温度升高，碳化物逐渐析出聚集，疲劳裂纹垂直于试样轴向扩展，疲劳裂纹源为靠近试样表面的内部夹杂物，EDS证实夹杂物为Al、Si的氧化物，其尺寸随温度升高逐渐减小，并且在470℃时出现两个裂纹源；而在FB2熔合线附近随温度升高碳元素迁移逐渐严重，贫碳区宽度增加，对接头疲劳性能带来影响。

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第一章 绪论

1.1课题研究背景

1.2焊接汽轮机转子的发展

1.3低周疲劳与高周疲劳性能研究

1.4疲劳裂纹萌生、扩展及断裂

1.5本文研究意义及主要内容

第二章 实验材料、设备及方法

2.1实验材料

2.2研究方法

第三章 FB2/CrMoV异种钢转子焊接接头微观组织分析

3.1焊接接头微观组织表征

3.2焊接接头硬度分布情况

3.3本章小结

第四章 有/无过渡层接头低周疲劳性能及断裂机理研究

4.1有/无焊接接头低周疲劳结果及分析

4.2有/无过渡层接头低周疲劳断裂机理研究

4.3本章小结

第五章 不同温度下接头高周疲劳性能及断裂机理研究

5.1不同温度下焊接接头高周疲劳结果及分析

5.2不同温度下焊接接头高周疲劳断裂机理研究

5.3本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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