本文關鍵詞：某新型核電汽輪機末級長葉片不銹鋼的疲勞斷裂力學行為研究

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【摘要】：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)階段葉片抗疲勞設計中,以葉根疲勞裂紋萌生為依據的常規(guī)疲勞設計方法和以葉根疲勞裂紋擴展為依據的損傷容限方法是兩種主要途徑。本文主要結合某國產新型核電汽輪機末級長葉片的抗疲勞設計需求,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計和壽命預測等提供完整的試驗數據和計算分析模型�；谌~片的常規(guī)疲勞設計方法,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,獲得了應力比R=-1下的S-N曲線與疲勞極限,并擬合獲得了對應的Basquin方程、三參數方程以及Langer方程,其中三參數方程擬合效果最好。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,本文還建立了葉根縱、橫方向上疲勞缺口系數(Kf)與缺口敏感性指標(q)隨疲勞壽命(Nf)變化的關系式。結果表明：隨著應力水平降低(或疲勞壽命增加),葉根縱、橫方向材料的疲勞缺口系數(Kf)均呈現(xiàn)增加并逐漸趨近于理論應力集中系數(Kt),相應的缺口敏感度指標(q)逐漸趨近1。這說明在低應力水平下,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。結果表明：在四種應力水平(包括高、低應力水平)下,估算值和試驗值的相對誤差在10%以內。因此,該計算模型可推薦為葉根疲勞缺口系數的近似估算公式�；谌~片的損傷容限設計方法,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。結合Matsueda等人建立的缺口試樣疲勞極限(σw,)與疲勞裂紋門檻值(ΔKth)之間的經驗模型,本文還進一步檢驗了該模型對XCrXNiXXX不銹鋼疲勞裂紋門檻值估算的適用性。結果表明：ΔKth估算值和試驗值的誤差保持在15%以內。因此,作為初步設計,Matsueda公式也可作為葉片葉根疲勞裂紋擴展門檻值的近似估算公式。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK263.3

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