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(guān)其應(yīng)力腐蝕(Stress Corrosion,SC)和疲勞特性的研究罕見于國內(nèi)外文獻(xiàn)。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(yīng)變速率拉伸(Slow Strain Rate Tension,SSRT)試驗、簡化升降法疲勞試驗為基礎(chǔ),輔以點蝕形核與轉(zhuǎn)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(jié)合的方法綜合評價葉輪用鋼X12Cr13應(yīng)力腐蝕和疲勞特性。本文的研究能夠在結(jié)合離心壓縮機葉輪流場的前提下,對葉輪用鋼X12Cr13的應(yīng)力腐蝕敏感性、疲勞特性、點蝕裂紋演變、應(yīng)力腐蝕和疲勞斷口形貌等方面有清晰的認(rèn)識;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(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對離心壓縮機葉輪及其流道進(jìn)行三維建模,利用ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行計算模型網(wǎng)格劃分,然后采用ANSYS FLUENT軟件對葉輪流域進(jìn)行數(shù)值模擬,得到葉輪帶缺陷葉片表面的壓力場、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(jié)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(jìn)作用。其次,以ABAQUS 6.14軟件為基礎(chǔ),對棒狀拉伸試樣在拉伸過程中點蝕坑處的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律進(jìn)行了有限元模擬。通過設(shè)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(yīng)力應(yīng)變大小會有不同,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,點蝕坑的應(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(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)計方法設(shè)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(jié)果來看,不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性在六種設(shè)置環(huán)境中都有很強的表現(xiàn),其應(yīng)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(yīng)力腐蝕傾向;在試驗條件下,未達(dá)到H2S臨界溫度時,溫度升高會促進(jìn)應(yīng)力腐蝕,超過H2S臨界溫度時,應(yīng)力腐蝕敏感性會隨溫度繼續(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(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(yīng)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(yīng)力比R的影響顯著,隨著正應(yīng)力比R的增大,不銹鋼會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(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)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：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)力腐蝕中存在一個拉應(yīng)力臨界值，稱為應(yīng)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(yīng)力??對抑制應(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??會導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕３）不銹鋼必須具有對應(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影響材料的應(yīng)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(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(yīng)??用線彈性斷裂力學(xué)解釋應(yīng)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(xiàn)丨６４］圖１１）??Ｔｕｍｂｕｌｌ等人［６５＿６８］對點蝕裂紋轉(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)力腐蝕過程中點蝕裂紋??演化確定性模型。他們利用模型預(yù)測的點蝕裂紋演變過程與實際試驗中的觀測結(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??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)力場中點蝕坑的塑性應(yīng)變率與應(yīng)力腐蝕相關(guān)的特定值相對應(yīng)，??并與物理方法觀測到的結(jié)果相吻合。Ｇｅｏｒｇｅ等總結(jié)了統(tǒng)一預(yù)測局部腐蝕損傷??的確定性和統(tǒng)計性方法的理論基礎(chǔ)，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(jié)合的耦合模型，總結(jié)得出點蝕成核理論。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(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(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半球形點蝕坑的??最大主應(yīng)力和最大主應(yīng)變云圖（文獻(xiàn)［７３］圖２０）??１
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本文編號：2868637