【摘要】：我國核電工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)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(jī)工作效率,但同時(shí)帶來了葉片發(fā)生低周疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。鑄態(tài)等軸Ti-6A1-4V合金是我國新一代核電汽輪機(jī)長葉片主要用材,盡管國內(nèi)外對(duì)該材料的低周疲勞性能已有大量研究報(bào)道,但有關(guān)Ti-6A1-4V合金的低周疲勞微觀機(jī)制,特別是用于汽輪機(jī)末級(jí)長葉片服役溫度下的疲勞力學(xué)行為與變形失效機(jī)制等仍缺乏系統(tǒng)深入的研究工作。本文主要針對(duì)某核電汽輪機(jī)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(yīng)力變化與微觀結(jié)構(gòu)演化兩者關(guān)聯(lián)出發(fā),來深入研究其在室溫和250℃下的低周疲勞力學(xué)行為、微觀機(jī)制以及疲勞壽命預(yù)測(cè)模型等。本文的主要目的是為該型汽輪機(jī)長葉片抗疲勞設(shè)計(jì)與壽命預(yù)測(cè)提供更為堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與理論分析模型,因此,具有重要的理論意義與工程應(yīng)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(yàn),獲得了兩種溫度下鈦合金的內(nèi)應(yīng)力(背應(yīng)力與摩擦應(yīng)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(yīng)力演化密切相關(guān)。其中,低應(yīng)變幅(εpa≤0.2%)下材料的循環(huán)軟化是背應(yīng)力循環(huán)硬化和摩擦應(yīng)力循環(huán)軟化相互競(jìng)爭的結(jié)果;而高應(yīng)變幅(εpa0.2%)下循環(huán)軟化則是背應(yīng)力和摩擦應(yīng)力共同軟化引起。同時(shí)指出:在本文涉及的試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),服役溫度對(duì)材料摩擦應(yīng)力產(chǎn)生顯著影響,而對(duì)背應(yīng)力影響較小。結(jié)合疲勞過程中Ti-6A1-4V合金顯微結(jié)構(gòu)觀察與晶粒尺度變形行為的數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)分析,本文進(jìn)一步研究了室溫和250℃下鈦合金內(nèi)應(yīng)力變化的微觀機(jī)制。結(jié)果表明:低周疲勞過程中背應(yīng)力的循化硬化/軟化與微觀結(jié)構(gòu)的變形不均勻程度密切相關(guān)。在低應(yīng)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(dǎo)致背應(yīng)力循環(huán)硬化;而在高應(yīng)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(dǎo)致背應(yīng)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(yīng)力塑性功WpB和摩擦應(yīng)力塑性功WpF,并研究了兩者在疲勞過程中的變化特征。結(jié)果表明:在一個(gè)循環(huán)內(nèi)累積背應(yīng)力塑性功與循環(huán)過程中儲(chǔ)能的演化特征具有相似性。本文結(jié)合Tanaka與Skelton經(jīng)典儲(chǔ)能模型,進(jìn)一步分析了背應(yīng)力塑性功與儲(chǔ)能之間的關(guān)聯(lián),并探討了疲勞循環(huán)中反向加載儲(chǔ)能釋放的物理機(jī)制。基于疲勞損傷過程的能量耗散以及背應(yīng)力塑性功的物理意義,本文以背應(yīng)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(kuò)展能量模型。并結(jié)合室溫和250℃下Ti-6A1-4V合金低周疲勞試驗(yàn)與裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了上述模型的預(yù)測(cè)精度。通過與現(xiàn)有的經(jīng)典疲勞壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行比較,表明了本文建立的疲勞能量模型具有更高的預(yù)測(cè)精度。因此,本文基于疲勞過程中背應(yīng)力塑性功耗散的壽命預(yù)測(cè)模型可應(yīng)用于汽輪機(jī)長葉片低周疲勞設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)研究。
【圖文】：

１．２．１雙相釹合金的塑性變形機(jī)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(dǎo)地位。鈦合金ａ相滑移特征由其密排六方晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)力（ＣＲＳＳ）最低，基面次之，逡逑錐面最大。在低應(yīng)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(cuò)線［１１］。隨著應(yīng)變幅的增加，平行位錯(cuò)線之間的間距不斷降低［１２，１３］，逡逑同時(shí)會(huì)在晶界等局部應(yīng)力高度集中的地方啟動(dòng)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(jié)構(gòu)及其滑移系逡逑基面和柱面各有三個(gè)滑移系，但是ａ相內(nèi)真正相互獨(dú)立的滑移系只有４個(gè)［１４］。逡逑根據(jù)Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ準(zhǔn)則，金屬材料發(fā)生均R芐員湫沃遼儺枰蹈齠懶⒒葡擔(dān)餼偷煎義現(xiàn)賂骶Я＜淶男鞅湫文芰Σ

本文編號(hào)：2684166