離心壓縮機葉輪用鋼X12Cr13是一種德國鋼號表示的Cr13型半馬氏體不銹鋼,與國內(nèi)12Cr13型不銹鋼類似,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葉輪的材料之一。有關其應力腐蝕(Stress Corrosion,SC)和疲勞特性的研究罕見于國內(nèi)外文獻。本文以離心壓縮機葉輪流場數(shù)值模擬為研究起點,以慢應變速率拉伸(Slow Strain Rate Tension,SSRT)試驗、簡化升降法疲勞試驗為基礎,輔以點蝕形核與轉變的有限元數(shù)值模擬,通過理論研究、數(shù)值模擬和試驗測試等相結合的方法綜合評價葉輪用鋼X12Cr13應力腐蝕和疲勞特性。本文的研究能夠在結合離心壓縮機葉輪流場的前提下,對葉輪用鋼X12Cr13的應力腐蝕敏感性、疲勞特性、點蝕裂紋演變、應力腐蝕和疲勞斷口形貌等方面有清晰的認識;對葉輪材料的選擇及其失效形式提供分析依據(jù),對防止葉輪應力腐蝕和疲勞斷裂事故、保證生產(chǎn)工作安全有序進行有重要意義。首先,利用三維建模軟件SolidWorks對離心壓縮機葉輪及其流道進行三維建模,利用ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分軟件進行計算模型網(wǎng)格劃分,然后采用ANSYS FLUENT軟件對葉輪流域進行數(shù)值模擬,得到葉輪帶缺陷葉片表面的壓力場、速度場變化情況。以楔形缺陷流場為例,來近似分析葉片裂紋處的流場變化,結果表明靠近缺陷尖端處的流場壓力和速度相對較大,對微裂紋擴展有促進作用。其次,以ABAQUS 6.14軟件為基礎,對棒狀拉伸試樣在拉伸過程中點蝕坑處的應力應變分布規(guī)律進行了有限元模擬。通過設置不同形狀的點蝕坑,如半球形、半橢球形、錐形和彈頭形等,對比研究得出在相同拉伸載荷下,相同坑口直徑的點蝕坑,因為形狀的不同其應力應變大小會有不同,但應力最大的位置基本在坑底附近,彈塑性應變最大的區(qū)域均在坑肩位置;半橢球形點蝕坑的應力集中系數(shù)K與形狀系數(shù)S存在近似線性關系,當坑口直徑相同時,點蝕坑的應力集中受自身深度的影響嚴重;利用“生死單元技術”對半橢球形點蝕坑的生長過程模擬研究發(fā)現(xiàn),在生長過程中應力最大值始終在坑壁靠近坑底位置,彈塑性應變最大區(qū)域均在坑肩處,但是塑性應變較大的區(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)在兩側坑肩及坑底位置。然后,利用均勻設計方法設計了組合環(huán)境變量下的X12Cr13不銹鋼SSRT試驗。根據(jù)內(nèi)積功J和斷裂時間t的計算結果來看,不銹鋼的應力腐蝕敏感性在六種設置環(huán)境中都有很強的表現(xiàn),其應力腐蝕敏感性隨著H2S濃度的變化沒有明顯差異,而C02的存在會在一定程度上抑制不銹鋼的應力腐蝕傾向;在試驗條件下,未達到H2S臨界溫度時,溫度升高會促進應力腐蝕,超過H2S臨界溫度時,應力腐蝕敏感性會隨溫度繼續(xù)升高而略微降低;應力腐蝕敏感性受壓力的影響較小,并且沒有明顯的變化趨勢。通過對試樣斷口形貌分析,試樣斷口均具有應力腐蝕斷口形貌,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,采用簡化升降法疲勞試驗方法,測試了 X12Cr13不銹鋼在應力比R=0.1時的疲勞特性曲線,得出其疲勞強度約為抗拉強度的0.5倍;X12Cr13不銹鋼的疲勞壽命受正應力比R的影響顯著,隨著正應力比R的增大,不銹鋼會明顯提高其疲勞壽命;在同一應力比R下,最大載荷的變化不會明顯影響疲勞試樣斷口形貌的類型;在相同的最大拉伸載荷條件下,正應力比R越大,試樣斷口的斷面形貌也越細密、光滑。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TH452
【部分圖文】：

山東大學碩士學位論文??產(chǎn)生應力腐蝕的三要素［２９］：材料、應力、環(huán)境。它們之間的關系如圖１－１所示。??應力腐蝕必須具備以下條件才會發(fā)生［３（）］：??／?成分?工作應力??（?組織廣、殘余應力＼??熱處理Ｊ＿Ｌ??＼?Ｊ??＾壓力??圖１－１應力腐蝕開裂三要素（文獻［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)中才會發(fā)生應力腐蝕，應力腐??蝕受介質(zhì)環(huán)境里雜質(zhì)的影響嚴重。２）必須有拉應力存在：包括外加應力、相變應??力和殘余應力Ｉ３２１等。一般情況下，應力腐蝕中存在一個拉應力臨界值，稱為應力腐??蝕門檻值Ｘ／ｓｃｃ，并且該值低于材料的屈服強度。金屬表面處理產(chǎn)生的殘余壓應力??對抑制應力腐蝕是有益的，然而也有學者研究發(fā)現(xiàn)在特定的條件下，壓應力或許也??會導致應力腐蝕３）不銹鋼必須具有對應力腐蝕的敏感性，材料不同，敏感??性也不同。材料自身的力學性能或者冷熱加工處理工藝等都會影響材料的應力腐??蝕敏感性Ｐ６］，通常情況下強度高的材料，更傾向于發(fā)生應力腐蝕。４）應力腐蝕是??一種電化學現(xiàn)象

蝕坑深度必須超過某一臨界深度；裂紋擴展速率必須超過點蝕坑的生長速率。在應??用線彈性斷裂力學解釋應力腐蝕裂紋尖端問題時，這一理論模型存在其自身的局??限性。微觀裂紋生長機制如圖１－２所示。??Ｃｒａｃｋｉｎｇ??ｐｌａｎｅ?＾?＾?＜?Ｍｉｃｒｏｃｒａｃｋ??ａ??圖１－２微觀裂紋斷裂機制示意圖（文獻丨６４］圖１１）??Ｔｕｍｂｕｌｌ等人［６５＿６８］對點蝕裂紋轉變進行了深入的研究。他們結合輸入?yún)?shù)的統(tǒng)??計性分布，利用確定性方程建立了葉輪用鋼３ＮｉＣｒＭ〇Ｖ應力腐蝕過程中點蝕裂紋??演化確定性模型。他們利用模型預測的點蝕裂紋演變過程與實際試驗中的觀測結??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??腐蝕坑相關聯(lián)的應力應變分布，將塑性應變局部化到位于試樣表面之下的坑壁，模??擬結果表明在靜態(tài)應力場中點蝕坑的塑性應變率與應力腐蝕相關的特定值相對應，??并與物理方法觀測到的結果相吻合。Ｇｅｏｒｇｅ等總結了統(tǒng)一預測局部腐蝕損傷??的確定性和統(tǒng)計性方法的理論基礎，通過優(yōu)化點蝕坑生長函數(shù)，建立了點蝕坑與環(huán)??境相結合的耦合模型，總結得出點蝕成核理論。黃小光等［７１，７２］將能量學原理應用到??１０??

Ｈｏｍｅｒ等［７３］通過獨特的Ｘ射線三維顯微圖像證實了葉輪鋼試樣中的裂紋主要發(fā)生??在點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??應變最大，其幾何模型和模擬結果如圖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點蝕坑網(wǎng)格，ｃｌＯＯ＾ｍ半球形??點蝕坑橫截面，ｄ５０〇ｎｍ深Ｕ形點蝕坑橫截面，文獻［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半球形點蝕坑的??最大主應力和最大主應變云圖（文獻［７３］圖２０）??１
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