離心壓縮機(jī)葉輪用鋼X12Cr13是一種德國(guó)鋼號(hào)表示的Cr13型半馬氏體不銹鋼,與國(guó)內(nèi)12Cr13型不銹鋼類(lèi)似,在加工性能和耐腐蝕性能等方面表現(xiàn)良好,是制造輸送天然氣管道用離心壓縮機(jī)葉輪的材料之一。有關(guān)其應(yīng)力腐蝕(Stress Corrosion,SC)和疲勞特性的研究罕見(jiàn)于國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)。本文以離心壓縮機(jī)葉輪流場(chǎng)數(shù)值模擬為研究起點(diǎn),以慢應(yīng)變速率拉伸(Slow Strain Rate Tension,SSRT)試驗(yàn)、簡(jiǎn)化升降法疲勞試驗(yàn)為基礎(chǔ),輔以點(diǎn)蝕形核與轉(zhuǎn)變的有限元數(shù)值模擬,通過(guò)理論研究、數(shù)值模擬和試驗(yàn)測(cè)試等相結(jié)合的方法綜合評(píng)價(jià)葉輪用鋼X12Cr13應(yīng)力腐蝕和疲勞特性。本文的研究能夠在結(jié)合離心壓縮機(jī)葉輪流場(chǎng)的前提下,對(duì)葉輪用鋼X12Cr13的應(yīng)力腐蝕敏感性、疲勞特性、點(diǎn)蝕裂紋演變、應(yīng)力腐蝕和疲勞斷口形貌等方面有清晰的認(rèn)識(shí);對(duì)葉輪材料的選擇及其失效形式提供分析依據(jù),對(duì)防止葉輪應(yīng)力腐蝕和疲勞斷裂事故、保證生產(chǎn)工作安全有序進(jìn)行有重要意義。首先,利用三維建模軟件SolidWorks對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪及其流道進(jìn)行三維建模,利用ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行計(jì)算模型網(wǎng)格劃分,然后采用ANSYS FLUENT軟件對(duì)葉輪流域進(jìn)行數(shù)值模擬,得到葉輪帶缺陷葉片表面的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)變化情況。以楔形缺陷流場(chǎng)為例,來(lái)近似分析葉片裂紋處的流場(chǎng)變化,結(jié)果表明靠近缺陷尖端處的流場(chǎng)壓力和速度相對(duì)較大,對(duì)微裂紋擴(kuò)展有促進(jìn)作用。其次,以ABAQUS 6.14軟件為基礎(chǔ),對(duì)棒狀拉伸試樣在拉伸過(guò)程中點(diǎn)蝕坑處的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行了有限元模擬。通過(guò)設(shè)置不同形狀的點(diǎn)蝕坑,如半球形、半橢球形、錐形和彈頭形等,對(duì)比研究得出在相同拉伸載荷下,相同坑口直徑的點(diǎn)蝕坑,因?yàn)樾螤畹牟煌鋺?yīng)力應(yīng)變大小會(huì)有不同,但應(yīng)力最大的位置基本在坑底附近,彈塑性應(yīng)變最大的區(qū)域均在坑肩位置;半橢球形點(diǎn)蝕坑的應(yīng)力集中系數(shù)K與形狀系數(shù)S存在近似線性關(guān)系,當(dāng)坑口直徑相同時(shí),點(diǎn)蝕坑的應(yīng)力集中受自身深度的影響嚴(yán)重;利用“生死單元技術(shù)”對(duì)半橢球形點(diǎn)蝕坑的生長(zhǎng)過(guò)程模擬研究發(fā)現(xiàn),在生長(zhǎng)過(guò)程中應(yīng)力最大值始終在坑壁靠近坑底位置,彈塑性應(yīng)變最大區(qū)域均在坑肩處,但是塑性應(yīng)變較大的區(qū)域在試樣周向上逐漸出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象并且在垂直于拉伸方向上不斷變窄,起始裂紋很可能出現(xiàn)在兩側(cè)坑肩及坑底位置。然后,利用均勻設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了組合環(huán)境變量下的X12Cr13不銹鋼SSRT試驗(yàn)。根據(jù)內(nèi)積功J和斷裂時(shí)間t的計(jì)算結(jié)果來(lái)看,不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性在六種設(shè)置環(huán)境中都有很強(qiáng)的表現(xiàn),其應(yīng)力腐蝕敏感性隨著H2S濃度的變化沒(méi)有明顯差異,而C02的存在會(huì)在一定程度上抑制不銹鋼的應(yīng)力腐蝕傾向;在試驗(yàn)條件下,未達(dá)到H2S臨界溫度時(shí),溫度升高會(huì)促進(jìn)應(yīng)力腐蝕,超過(guò)H2S臨界溫度時(shí),應(yīng)力腐蝕敏感性會(huì)隨溫度繼續(xù)升高而略微降低;應(yīng)力腐蝕敏感性受壓力的影響較小,并且沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)試樣斷口形貌分析,試樣斷口均具有應(yīng)力腐蝕斷口形貌,穿晶斷裂、沿晶斷裂和混合型斷裂均存在,隨著試驗(yàn)環(huán)境的變化,試樣斷口也具有不同的微觀形貌;在斷口能譜分析中,斷口成分中含有較多的S和C的氧化物,并且隨著腐蝕環(huán)境的不同,各元素含量也有較大變化。最后,采用簡(jiǎn)化升降法疲勞試驗(yàn)方法,測(cè)試了 X12Cr13不銹鋼在應(yīng)力比R=0.1時(shí)的疲勞特性曲線,得出其疲勞強(qiáng)度約為抗拉強(qiáng)度的0.5倍;X12Cr13不銹鋼的疲勞壽命受正應(yīng)力比R的影響顯著,隨著正應(yīng)力比R的增大,不銹鋼會(huì)明顯提高其疲勞壽命;在同一應(yīng)力比R下,最大載荷的變化不會(huì)明顯影響疲勞試樣斷口形貌的類(lèi)型;在相同的最大拉伸載荷條件下,正應(yīng)力比R越大,試樣斷口的斷面形貌也越細(xì)密、光滑。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TH452
【部分圖文】：

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文??產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的三要素［２９］：材料、應(yīng)力、環(huán)境。它們之間的關(guān)系如圖１－１所示。??應(yīng)力腐蝕必須具備以下條件才會(huì)發(fā)生［３（）］：??／?成分?工作應(yīng)力??（?組織廣、殘余應(yīng)力＼??熱處理Ｊ＿Ｌ??＼?Ｊ??＾壓力??圖１－１應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂三要素（文獻(xiàn)［２９］圖１－１）??１）金屬必須處在相匹配的特定腐蝕環(huán)境中，如奧氏體不銹鋼在含氯化物溶液??中的腐蝕［３１】。某種合金材料只有在特定的腐蝕介質(zhì)中才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐??蝕受介質(zhì)環(huán)境里雜質(zhì)的影響嚴(yán)重。２）必須有拉應(yīng)力存在：包括外加應(yīng)力、相變應(yīng)??力和殘余應(yīng)力Ｉ３２１等。一般情況下，應(yīng)力腐蝕中存在一個(gè)拉應(yīng)力臨界值，稱(chēng)為應(yīng)力腐??蝕門(mén)檻值Ｘ／ｓｃｃ，并且該值低于材料的屈服強(qiáng)度。金屬表面處理產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力??對(duì)抑制應(yīng)力腐蝕是有益的，然而也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)在特定的條件下，壓應(yīng)力或許也??會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕３）不銹鋼必須具有對(duì)應(yīng)力腐蝕的敏感性，材料不同，敏感??性也不同。材料自身的力學(xué)性能或者冷熱加工處理工藝等都會(huì)影響材料的應(yīng)力腐??蝕敏感性Ｐ６］，通常情況下強(qiáng)度高的材料，更傾向于發(fā)生應(yīng)力腐蝕。４）應(yīng)力腐蝕是??一種電化學(xué)現(xiàn)象

蝕坑深度必須超過(guò)某一臨界深度；裂紋擴(kuò)展速率必須超過(guò)點(diǎn)蝕坑的生長(zhǎng)速率。在應(yīng)??用線彈性斷裂力學(xué)解釋?xiě)?yīng)力腐蝕裂紋尖端問(wèn)題時(shí)，這一理論模型存在其自身的局??限性。微觀裂紋生長(zhǎng)機(jī)制如圖１－２所示。??Ｃｒａｃｋｉｎｇ??ｐｌａｎｅ?＾?＾?＜?Ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋ??ａ??圖１－２微觀裂紋斷裂機(jī)制示意圖（文獻(xiàn)丨６４］圖１１）??Ｔｕｍｂｕｌｌ等人［６５＿６８］對(duì)點(diǎn)蝕裂紋轉(zhuǎn)變進(jìn)行了深入的研究。他們結(jié)合輸入?yún)?shù)的統(tǒng)??計(jì)性分布，利用確定性方程建立了葉輪用鋼３ＮｉＣｒＭ〇Ｖ應(yīng)力腐蝕過(guò)程中點(diǎn)蝕裂紋??演化確定性模型。他們利用模型預(yù)測(cè)的點(diǎn)蝕裂紋演變過(guò)程與實(shí)際試驗(yàn)中的觀測(cè)結(jié)??果相吻合，并且利用有限元模擬分析了圓柱形不銹鋼試樣中在張緊狀態(tài)下與單個(gè)??腐蝕坑相關(guān)聯(lián)的應(yīng)力應(yīng)變分布，將塑性應(yīng)變局部化到位于試樣表面之下的坑壁，模??擬結(jié)果表明在靜態(tài)應(yīng)力場(chǎng)中點(diǎn)蝕坑的塑性應(yīng)變率與應(yīng)力腐蝕相關(guān)的特定值相對(duì)應(yīng)，??并與物理方法觀測(cè)到的結(jié)果相吻合。Ｇｅｏｒｇｅ等總結(jié)了統(tǒng)一預(yù)測(cè)局部腐蝕損傷??的確定性和統(tǒng)計(jì)性方法的理論基礎(chǔ)，通過(guò)優(yōu)化點(diǎn)蝕坑生長(zhǎng)函數(shù)，建立了點(diǎn)蝕坑與環(huán)??境相結(jié)合的耦合模型，總結(jié)得出點(diǎn)蝕成核理論。黃小光等［７１，７２］將能量學(xué)原理應(yīng)用到??１０??

Ｈｏｍｅｒ等［７３］通過(guò)獨(dú)特的Ｘ射線三維顯微圖像證實(shí)了葉輪鋼試樣中的裂紋主要發(fā)生??在點(diǎn)蝕坑坑肩附近的凹坑／表面交界處，有限元數(shù)值模擬表明坑口正下方的坑壁上??應(yīng)變最大，其幾何模型和模擬結(jié)果如圖１－３和圖１－４所示。??｛ａ）ｍ?髮??Ｈｉ?＇??圖１－３軸向加載幾何模型（ａ試樣幾何模型，ｂ直徑１０〇ｎｍ點(diǎn)蝕坑網(wǎng)格，ｃｌＯＯ＾ｍ半球形??點(diǎn)蝕坑橫截面，ｄ５０〇ｎｍ深Ｕ形點(diǎn)蝕坑橫截面，文獻(xiàn)［７３］圖３）??⑷?＿?＿?—?一?２?ＭＫｉｍｕｍ?ｐｒｉＤｃｉｐｏｌ?ｓｔｒｅｓｓ．?ｋ?—?—?７??Ｉ?｜??（ｂ）－??Ｍａｘｉｍｍｎ?ｐｒｉｎｃｉｐａｌ?ｓｔｒａｉｎ．?ｉ?Ｕ＂＾??ｃｒｏＭ－ｓｏｉｉｏｏ?ｖｉｅｗ??ｔ．?Ｂｕ．?ｒ＊？Ｋｌｐａｌ??，ｋ＊？．??、―二??—??圖１￣４在７０％ｇｇ．２載荷下直徑為６．４ｍｍ圓柱形試樣上１００叫Ｔｉ半球形點(diǎn)蝕坑的??最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)變?cè)茍D（文獻(xiàn)［７３］圖２０）??１
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本文編號(hào)：2868637