【摘要】：NiCrMoV轉(zhuǎn)子鋼廣泛用于第三代核電、超超臨界汽輪機的低壓和中壓轉(zhuǎn)子等部件。近年來,隨著發(fā)電裝備的高參數(shù)和大型化趨勢,焊接轉(zhuǎn)子技術(shù)成為先進汽輪機制造的重要手段,NiCrMoV轉(zhuǎn)子鋼焊接接頭的疲勞和服役性能研究,成為新型轉(zhuǎn)子壽命強度設(shè)計和制造工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。本文以NiCrMoV轉(zhuǎn)子鋼焊接接頭為對象,開展了焊接接頭的母材、焊縫和熱影響區(qū)中疲勞裂紋擴展規(guī)律和微觀組織影響的分析研究,重點闡明試樣幾何形狀、應(yīng)力比、焊接接頭微組織及時效老化等因素對近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展規(guī)律的影響,建立了近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展速率和門檻值的預(yù)測模型,提出了焊接接頭抗疲勞評定曲線的修正方法。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：(1)探討了近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展測量及機理分析的試樣形狀選擇問題。進行了NiCrMoV轉(zhuǎn)子鋼CT、SENT和SENB3試樣的近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展試驗,測量并分析了裂紋尖端的閉合水平及其影響。結(jié)果表明：試樣幾何形狀對疲勞裂紋擴展Paris區(qū)的影響不明顯,但在近門檻值區(qū)表現(xiàn)出較大差異。在疲勞裂紋擴展的近門檻值區(qū),CT和SENB3試樣的疲勞裂紋擴展速率高于SENT試樣,這一差異主要源于幾何形狀導(dǎo)致的裂紋尖端拘束度不同。高拘束CT和SENB3試樣在近門檻值區(qū)表現(xiàn)為粗糙度誘發(fā)的裂紋閉合機制；低拘束SENT試樣由于裂紋尖端T應(yīng)力較低,裂尖呈現(xiàn)平面應(yīng)力狀態(tài)主導(dǎo)作用的較大塑性區(qū),因而裂紋擴展受塑性誘發(fā)裂紋閉合和粗糙度誘發(fā)裂紋閉合共同影響。比較而言,高拘束CT試樣最適合用于近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展和疲勞門檻值的測量研究。(2)研究了轉(zhuǎn)子鋼焊接接頭近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展曲線的轉(zhuǎn)折行為及影響因素。以25Cr2Ni2MoV鋼焊接接頭為對象,進行了初始裂紋分別位于母材、焊縫和熱影響區(qū)的疲勞裂紋擴展試驗,利用掃描電鏡和三維表面形貌儀,分析了近門檻值區(qū)裂紋轉(zhuǎn)折機理。研究表明：疲勞裂紋位于母材、焊縫和熱影響區(qū)擴展時,其疲勞裂紋擴展曲線在近門檻值區(qū)均存在轉(zhuǎn)折點現(xiàn)象,且與應(yīng)力比有關(guān)。低應(yīng)力比下,裂紋擴展曲線的轉(zhuǎn)折行為由△K主導(dǎo),高應(yīng)力比下則由Kmax主導(dǎo)。微觀分析發(fā)現(xiàn),母材中疲勞裂紋擴展曲線的轉(zhuǎn)折行為與面型斷裂分布有關(guān),而焊縫和熱影響區(qū)的裂紋轉(zhuǎn)折行為由斷口表面的褶皺數(shù)量及其分布變化引起。無論裂紋位于焊縫、母材還是熱影響區(qū),裂紋擴展的轉(zhuǎn)折點處斷面粗糙度均最小。進一步,研究提出了考慮微觀組織和應(yīng)力比綜合影響的轉(zhuǎn)折點預(yù)測模型,較好描述了焊接接頭不同部位的疲勞裂紋曲線轉(zhuǎn)折現(xiàn)象。(3)進行了時效老化對轉(zhuǎn)子鋼焊接接頭近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展影響的試驗研究。針對350℃×3000h時效老化處理前后的30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼焊接接頭,進行了疲勞裂紋擴展試驗和微觀分析研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：時效老化主要對低裂紋擴展速率階段(近門檻值區(qū))產(chǎn)生較大影響。時效老化引起焊接接頭母材中碳化物析出以及馬氏體板條粗化,導(dǎo)致抗疲勞裂紋擴展能力降低；相對而言,時效老化引起焊縫中微觀組織的均勻化及碳化物溶解,導(dǎo)致高應(yīng)力比下的抗疲勞性能有所增強。(4)建立了考慮材料微組織和應(yīng)力比影響的近門檻值區(qū)疲勞裂紋擴展預(yù)測模型。焊接接頭的母材、焊縫和熱影響區(qū)及服役老化導(dǎo)致材料的微組織不同,從而影響近門檻值區(qū)的裂紋擴展行為。首先,基于25Cr2Ni2MoV鋼焊接接頭的疲勞裂紋擴展數(shù)據(jù),考察了Kujawski、Huang和Zhang等雙參數(shù)模型在近門檻值區(qū)的適用性,發(fā)現(xiàn)其適用性受應(yīng)力比與轉(zhuǎn)折行為共同影響。提出了應(yīng)力比和微觀組織相關(guān)的等效特征參量λ,構(gòu)建了嵌入微組織影響的疲勞門檻值預(yù)測模型。另一方面,建立了考慮應(yīng)力比影響的裂紋閉合修正模型,實驗數(shù)據(jù)驗證表明,修正模型較好反映了應(yīng)力比對近門檻值區(qū)裂紋擴展的閉合效應(yīng)。(5)研究了考慮近門檻值區(qū)裂紋擴展行為的焊接接頭疲勞評定曲線的修正。首先,采用NiCrMoV轉(zhuǎn)子鋼焊接接頭的疲勞裂紋擴展數(shù)據(jù),驗證探討了現(xiàn)有規(guī)范中焊接接頭疲勞評定曲線的適用性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)曲線由于未能合理考慮焊接接頭近門檻值區(qū)的裂紋擴展行為,會導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果過于保守或存在失效風(fēng)險。如NiCrMoV轉(zhuǎn)子鋼的焊接接頭若按母材性能設(shè)計,WES2805疲勞評定曲線不能排除焊接熱影響區(qū)的失效。進一步,基于所建立的轉(zhuǎn)折點預(yù)測模型和疲勞裂紋擴展門檻值修正模型,實現(xiàn)了對焊接接頭疲勞評定曲線的修正,為NiCrMoV鋼焊接轉(zhuǎn)子的接頭強度設(shè)計提供了依據(jù)。
[Abstract]:NiCrMoV rotor steel is widely used in the low - pressure and medium - pressure rotor of the third generation nuclear power plant and super - supercritical steam turbine . In recent years , with the high - parameter and large - scale trend of power generation equipment , welding rotor technology has become the important means of the advanced steam turbine manufacturing .
In this paper , the fatigue crack growth curve of the welded joint is studied by means of SEM and 3D surface topography .
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【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG407

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本文編號：2125010