【摘要】：我國核電工業(yè)的快速發(fā)展對汽輪機末級長葉片長度提出了新的要求。增加葉片長度可顯著提高汽輪機工作效率,但同時帶來了葉片發(fā)生低周疲勞失效的風險。鑄態(tài)等軸Ti-6A1-4V合金是我國新一代核電汽輪機長葉片主要用材,盡管國內(nèi)外對該材料的低周疲勞性能已有大量研究報道,但有關Ti-6A1-4V合金的低周疲勞微觀機制,特別是用于汽輪機末級長葉片服役溫度下的疲勞力學行為與變形失效機制等仍缺乏系統(tǒng)深入的研究工作。本文主要針對某核電汽輪機新開發(fā)的Ti-6A1-4V合金長葉片的服役條件,從低廚疲勞過程中材料內(nèi)應力變化與微觀結構演化兩者關聯(lián)出發(fā),來深入研究其在室溫和250℃下的低周疲勞力學行為、微觀機制以及疲勞壽命預測模型等。本文的主要目的是為該型汽輪機長葉片抗疲勞設計與壽命預測提供更為堅實的實驗基礎與理論分析模型,因此,具有重要的理論意義與工程應用前景。本文首先開展了室溫和250℃下Ti-6A1-4V合金的低周疲勞試驗,獲得了兩種溫度下鈦合金的內(nèi)應力(背應力與摩擦應力)隨疲勞循環(huán)的變化特征,并揭示出在室溫和250℃下鈦合金循環(huán)軟化行為與內(nèi)應力演化密切相關。其中,低應變幅(εpa≤0.2%)下材料的循環(huán)軟化是背應力循環(huán)硬化和摩擦應力循環(huán)軟化相互競爭的結果;而高應變幅(εpa0.2%)下循環(huán)軟化則是背應力和摩擦應力共同軟化引起。同時指出:在本文涉及的試驗溫度范圍內(nèi),服役溫度對材料摩擦應力產(chǎn)生顯著影響,而對背應力影響較小。結合疲勞過程中Ti-6A1-4V合金顯微結構觀察與晶粒尺度變形行為的數(shù)字圖像相關(DIC)分析,本文進一步研究了室溫和250℃下鈦合金內(nèi)應力變化的微觀機制。結果表明:低周疲勞過程中背應力的循化硬化/軟化與微觀結構的變形不均勻程度密切相關。在低應變幅(εpa≤0.2%)下,αp晶粒之間以及α/β兩相之間的塑性變形不協(xié)調(diào)程度隨循環(huán)增加而增加,并由此導致背應力循環(huán)硬化;而在高應變幅(εpa0.2%)下,αp晶粒之間和α/β兩相之間的塑性變形隨循環(huán)趨于均勻,從而導致背應力循環(huán)軟化。據(jù)此初步分析了引起低周疲勞下Ti-6A1-4V合金Coffin-Manson曲線呈現(xiàn)雙線性的主要原因。根據(jù)Cottrell理論與疲勞能耗原理,本文將循環(huán)塑性功Wp分離為背應力塑性功WpB和摩擦應力塑性功WpF,并研究了兩者在疲勞過程中的變化特征。結果表明:在一個循環(huán)內(nèi)累積背應力塑性功與循環(huán)過程中儲能的演化特征具有相似性。本文結合Tanaka與Skelton經(jīng)典儲能模型,進一步分析了背應力塑性功與儲能之間的關聯(lián),并探討了疲勞循環(huán)中反向加載儲能釋放的物理機制。基于疲勞損傷過程的能量耗散以及背應力塑性功的物理意義,本文以背應力塑性功作為疲勞損傷能耗參量,建立了新的疲勞裂紋萌生能量模型與疲勞裂紋擴展能量模型。并結合室溫和250℃下Ti-6A1-4V合金低周疲勞試驗與裂紋擴展試驗結果,驗證了上述模型的預測精度。通過與現(xiàn)有的經(jīng)典疲勞壽命預測模型進行比較,表明了本文建立的疲勞能量模型具有更高的預測精度。因此,本文基于疲勞過程中背應力塑性功耗散的壽命預測模型可應用于汽輪機長葉片低周疲勞設計和壽命預測研究。
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１．２．１雙相釹合金的塑性變形機制逡逑大量研究表明［８］，ａ＋ｐ雙相鈦合金的塑性變形主要源于ａ相的滑移和孿生，其中逡逑滑移占主導地位。鈦合金ａ相滑移特征由其密排六方晶體結構決定，如圖１．１所示，逡逑其滑移面主要包括｛０００１｝基面（ｂａｓａｌ邋ｐｌａｎｅ），邋｛１0１0｝柱面（ｐｒｉｓｍ邋ｐｌａｎｅ）和｛ｌ0Ｉｌ｝逡逑錐面（ｐｙｒａｍｉｄａｌｐｌａｎｅ）。其中柱面滑移系的臨界剪切應力（ＣＲＳＳ）最低，基面次之，逡逑錐面最大。在低應變幅下，，柱面滑移和基面滑移是ａ相的主要滑移系［９，１（）］，其特征為逡逑平行分布的螺型位錯線［１１］。隨著應變幅的增加，平行位錯線之間的間距不斷降低［１２，１３］，逡逑同時會在晶界等局部應力高度集中的地方啟動錐面滑移，這些錐面滑移通常以交滑逡逑移的形式出現(xiàn)［１３］。逡逑Ｃ逡逑＿逡逑囊；｛夬｝柱面逡逑圖１．１鈦合金ｃｔ相的ＨＣＰ結構及其滑移系逡逑基面和柱面各有三個滑移系，但是ａ相內(nèi)真正相互獨立的滑移系只有４個［１４］。逡逑根據(jù)Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ準則，金屬材料發(fā)生均R芐員湫沃遼儺枰蹈齠懶⒒葡擔餼偷煎義現(xiàn)賂骶Я＜淶男鞅湫文芰Σ

本文編號：2684166