（动力机械及工程专业论文）汽轮机转子钢30cr1mo1v低周疲劳特性研究.pdf

摘要 汽轮机由于频繁的启停或大幅度负荷变动，汽轮机转子要经常承受快速加热 或冷却引起的各种瞬态热应力和机械应力，导致局部区域发生塑性变形而产生低 周疲劳，影响了汽轮机的安全运行。国内外学者关于载荷、温度和加载波形等影 响汽轮机转子钢材料高温低周疲劳特性的因素进行了大量的研究，本文主要考虑 了加载速率的影响，对低周疲劳特性进行了实验研究，对汽轮机转子的设计、安 全运行等提供指导。 本文采用轴向总应变控制，拉压对称三角波，应变范围为0 4 1 o ，应 变比r = 1 ，应变速率分别选取0 1 s ，0 3 s ，0 5 s ，温度为5 3 8 ，对汽轮机 转子钢3 0 c r l m o l v 材料进行了低周疲劳实验。分析了加载速率对低周疲劳特性的 影响，结果表明随着加载速率的增加，循环应力随之增加，且循环应力随着循环 次数的增加呈现软化特性；根据连续介质损伤力学对3 0 c r l m o l v 转子钢低周疲劳 损伤演化方程进行了推导，并采用应力幅值法测量材料的损伤，在不同应变幅下， 3 0 c r l m o l v 转子钢低周疲劳损伤演化方程中的损伤指数口随着加载速率的增加而 增加，且口与加载速率成线性关系；同等应变幅下，当1 0 4 8 1 占0 2 s 。1 时，加载 速率对3 0 c r l m o l v 转子钢低周疲劳损伤的影响较大，随着加载速率的增加，该材 料的高温低周疲劳损伤减小。在此加载速率范围之外，加载速率的变化对损伤的 影响很小，可以不考虑加载速率的影响；而且在同一加载速率下，该材料的高温 低周疲劳损伤随着应变幅的加大而增大。 在5 3 8 下，研究了加载速率对3 0 c r l m o l v 转子钢低周疲劳寿命的影响，结 果表明，在同一应变下，随着加载速率的增加，寿命增加；在大应变处加载速率 对寿命的影响较小，随着应变的减小，加载速率的影响效果加大。另外，随着应 变的增加，寿命减小。并通过修正的频率修正公式、m a s s o n c o f f i n 公式和拉伸滞 后能损伤函数法进行了寿命预测，并将这三种方法对寿命的预测能力进行了比较， 结果表明，考虑加载速率对寿命影响的频率修正公式有着良好的预测效果，而 m a s s o n c o f f i n 公式和拉伸滞后能损伤函数法的预测能力相对较差。 对3 0 c r lm o l v 转子钢断口和断口纵向剖面进行了扫描电镜显微分析，从断口 分析可以看出，其断口分为裂纹源区、裂纹扩展区、瞬断区三个区域。其中裂纹 源区较为光滑、平坦；裂纹扩展区裂纹数量较多，裂纹向一个方向扩展，此阶段 裂纹扩展速率较为缓慢，但却占据着整个寿命的绝大部分；瞬断区断口比较粗糙， 且与前两区呈现一定角度的剪切唇。裂纹起源于试样表面的缺陷处，较低加载速 率下的断口氧化程度相对严重，主要是由于在较低加载速率下，试样在高温环境 下的时间相对较长，氧化更为充分，裂纹尖端氧化更为严重。这些氧化物促进了 裂纹扩展，加快了裂纹扩展速率，降低了疲劳寿命。从断口的纵向剖面分析可以 看到，裂纹氧化较为严重，其表面覆盖有氧化层。裂纹表面及其附近处的熔珠较 多，而离裂纹较远处的其他区域氧化物较少。 关键词：汽轮机转子；3 0 c r l m o l v 钢：高温低周疲劳；加载速率；损伤；寿命预 测；微观分析 l l a b s t r a c t w i t ht h ef r e q u e n ts t a r t s t o po rt h eg r e a tl o a d v a r i a t i o n ，t h es t e a mt u r b i n er o t o r o f t e nb e a r st h ed r a s t i c c h a n g i n go ft e m p e r a t u r ea n dt r e m e n d o u st h e r m a ls t r e s s e s p l a s t i cd e f o r m a t i o nw i l lb eo c c u r r e di nl o c a la r e a ，w h i c hl e a dt o l o w c y c l ef a t ig u e d a m a g e ，i tw i l la f f e c tt h es a f eo p e r a t i o no fs t e a mt u r b i n e t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h e p r o p e r t yo fh i g ht e m p e r a t u r el o w c y c l ef a t i g u ef o rs t e a mt u r b i n er o t o rs t e e lm a t e r i a l w h i c hi n c l u d i n g l o a d i n gw a v e f o r m ，t e m p e r a t u r e ，e t c h a v eb e e n i n v e s t i g a t e db v d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s i nt h ep a p e r , t h e i n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u t b a s e do ne x p e r i m e n t sw h i c hc o n s i d e r i n gt h ee f f e c t o fl o a d i n gr a t eo nt h e h i g h t e m p e r a t u r el o wc y c l ef a t i g u e ，i tw i l lp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h er e s e a r c ho f p r o p e r t v a n dd e s i g n i n go fs t e a mt u r b i n er o t o r t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e du n d e rs t a i nc o n t r o lu s i n ge x t e n s o m e t e rm o u n t e do n t h es p e c i m e n ，t h et o t a ls t a i na m p l i t u d e sw a sv a r i e db e t w e e no 4 a n di 0 a n dt h e r a t i oro ft h es t r a i n sw a s - 1 ，t h ew a v e f o r m sw e r et e n s i o n c o m p r e s s i o n s y m m e t r i c a l t r i a n g u l a r , t h el o a d i n gr a t e sw e r e0 1 s ，o 3 s ，a n d0 5 s t h et e m p e r a t u r ew a s 5 38 c b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ee f f e c t so fl o a d i n gr a t e o nl o wc y c l ef a t i g u e c h a r a c t e r i s t i c sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec y c l i cs t r e s si n c r e a s e sw i t h t h ei n c r e a s i n go fl o a d i n gr a t e ，t h ec y c l i cs t r e s ss h o w ss o f t e n i n gp r o p e r t i e sw i t ht h e c y c l e si n c r e a s i n g t h eh i g ht e m p e r a t u r el o w c y c l ef a t i g u ed a m a g ee v o l u t i o ne q u a t i o n f o r3 0 c r l m o l vr o t o rs t e e lb a s e do nt h ec o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c sw a sd e r i v e d a n ds t r e s sa m p l i t u d em e t h o dw a ss e l e c t e dt oc a l c u l a t ea c t u a l d a m a g e t h ed a m a g e e x p o n e n t 口i n c r e a s e sl i n e a r l yw i t ht h ei n c r e a s i n go fl o a d i n gr a t e w h e nt h el o a d i n g r a t ei sf r o m10 。st o 0 2 s ，t h el o w c y c l ef a t i g u ed a m a g eo f3 0 c r lm olvs t e e l d e c r e a s e sw i t ht h el o a d i n gr a t ei n c r e a s i n gu n d e rt h eg i v e ns t r a i na m p l i t u d ea t5 3 8 * ( 2 ， e x c e e d i n gt h er a n g e ，t h ee f f e c to ft h el o a d i n gr a t en e e d n tc o n s i d e r i n g a n da tt h es a m e l o a d i n gr a t e ，t h el o w c y c l ef a t i g u ed a m a g eo f30 c rlm olvi n c r e a s e sw i t ht h es t r a i n a m p l i t u d e si n c r e a s i n g t h ee f f e c to ft h el o a d i n gr a t e so nt h el o wc y c l ef a t i g u el i f eo f3 0 c r lm o 1vr o t o r s t e e lw a sr e s e a r c h e da t5 3 8 t h er e s u l ts h o w e dt h a ta tt h es a m es t r a i na m p l i t u d e w i t ht h el o a d i n gr a t ei n c r e a s i n g ，t h ef a t i g u el i f ei n c r e a s e s ，a n dw i t ht h ei n c r e a s i n go f t h el o a d i n gr a t e ，t h ee f f e c to nt h el i f es h o w saw e a k e n i n gt r e n d a tt h e1 a r g es t r a i n a m p l i t u d e ，t h el o a d i n gr a t e sh a v el e s se f f e c to nt h el i f e 。w i t ht h es t r a i nd e c r e a s i n g ，t h e i l l e f f e c to fl o a d i n gr a t eo nt h el i f ei n c r e a s e i na d d i t i o n ，w i t ht h es t r a i ni n c r e a s i n g ，t h e f a t i g u el i f ed e c r e a s e s t h el o wc y c l ef a t i g u e l i f ew a sp r e d i c t e db yt h ea m e n d i n g f r e q u e n c yc o r r e c t i o nf o r m u l am e t h o d ，m a s s o n c o f f i nf o r m u l aa n dt e n s i l eh y s t e r e s i s e n e r g yd a m a g ef u n c t i o nm e t h o d t h er e s u l t so fl o wc y c l ef a t i g u el i f ep r e d i c t i o ns h o w s t h a tt h el i f ep r e d i c t i o n c a p a b i l i t yo ft h ef r e q u e n c yc o r r e c t i o n f o r m u l aw h i c h c o n s i d e r a t et h ee f f e c to fl o a d i n gr a t ei sb e t t e rt h a nt h o s eo fm a n s o n - c o f f i ne q u a t i o n a n dt e n s i l eh y s t e r e s i se n e r g yd a m a g ef u n c t i o nm e t h o d t h ef r a c t u r em o r p h o l o g ya n dt h ef r a c t u r el o n g i t u d i n a lm o r p h o l o g yo f3 0 c rlm olv r o t o rs t e e lw e r ea n a l y z e db yt h es e mm i c r o s c o p e t h ef r a c t u r ez o n ei sd i v i d e di n t o c r a c ko r i g i na r e a ，c r a c kp r o p a g a t i o na r e aa n df a s tf r a c t u r ea r e a c r a c ko r i g i na r e ai s s m o o t h e r , m o r ef i a t t h en u m b e r so ft h ec r a c ka r em o r ei n t h ec r a c kp r o p a g a t i o n r e g i o n ，a n dt h ec r a c k se x t e n dt o w a r d s o n ed i r e c t i o n t h i ss t a g eo fc r a c kg r o w t hr a t ei s s l o w e r ，b u ti to c c u p i e sm o s to ft h el i f e t h ef a s tf r a c t u r ea r e ai sr o u g h ，a n di ts h o w s a c e r t a i na n g l es h e a rl i pw i t ht h eo t h e ra r e a s i tc a nb es e e nt h a tt h ec r a c k so r i g i n a t e f r o mt h ed e f e c to ft h es a m p l es u r f a c ea n dt h eo x i d a t i o no ft h ef r a c t u r ei sm o r es e r i o u s d u et ol o w e rl o a d i n gr a t e i ti sm a i n l yb e c a u s et h a tt h es a m p l ea th i g ht e m p e r a t u r e s t a y e dr e l a t i v e l yl o n g e ra tt h el o w e rr a t e s ，t h eo x i d a t i o ni s m o r es u f f i c i e n t ，a n dt h e o x i d a t i o no fc r a c kt i pi sm o r es e v e r e t h ec r a c kg r o w t hr a t ew a sa c c e l e r a t e db yt h e s e o x i d e s ，s ot h ef a t i g u el i f ew a sr e d u c e d i tc a nb es e e nt h a tt h eo x i d a t i o no f c r a c kw e r e m o r es e r i o u sb yt h ea n a l y s i so ft h el o n g i t u d i n a ls e c t i o no ft h ef r a c t u r e ，t h es u r f a c e w e r ec o v e r e dw i t ho x i d el a y e r t h e r ew e r em o r em e l t e db e a d sn e a rt h ec r a c ks u r f a c e ， w h i l ef e wi nt h em o r ed i s t a n tr e g i o n s k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n er o t o r ；3 0 c r lm o l vs t e e l ；h i g ht e m p e r a t u r el o wc y c l e f a t i g u e ；l o a d i n gr a t e ；l i f ep r e d i c t i o n ；m i c r o s c o p i ca n a l y s i s 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：k 礁铽日期：洲。年j 月矽e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：k ：篾氏 日期：弘f o 年岁月矽日 导师签名： 日肌叫辟月刁日 第一章绪论 随着我国经济的发展，用电需求不断扩大，尽管2 0 0 9 年受世界金融危机的影 响，上半年用电需求减少，全国电力供需呈现供大于求的态势。下半年，受国内 投资拉动及宏观政策等因素影响，全国经济丌始企稳回暖，用电需求开始逐月增 加，到年底呈现电力消费需求明显加快的趋势。中国电力企业联合会发布的9 2 0 0 9 年全国电力工业统计快报显示，截止2 0 0 9 年底，火电机组建设继续向大容量、 高参数、节能环保型方向发展，全国在运百万千瓦超超临界机组达到2 l 台，另有 1 2 台百万千瓦机组在建。中小型机组比例相对减小，2 0 0 9 年全年关停小火电机组 容量2 6 17 万千瓦。电网负荷的变化，使得峰谷矛盾同益突出，因此提高调峰能力 成为电网可靠运行的关键问题。火电机组作为调峰的主导力量，要面对频繁启停、 大幅变负荷等问题，而汽轮机转子作为汽轮机组的关键部件，要经常承受剧烈的 温度变化和交换热应力，其运行环境具有高温、高压、高速的特点，因此在变工况 模式下运行时，其工况变化的程度越剧烈，转子承受的载荷越大，导致产生的低 周疲劳损耗越大，对其寿命损害也越严重。因此，研究汽轮机转子低周疲劳特性 对机组的安全、经济、稳定运行有着重要意义。 据统计，由于构件的断裂、疲劳等损伤，r 、美、欧等国每年造成的经济损 失，占国民生产总值的8 1 2 。据我国劳动部统计，在8 0 年代发生的锅炉和压 力容器的爆炸事故约5 0 0 0 起，人员累计伤亡近万人，占国内事故的次位。基于此， 深入研究材料的力学性能，疲劳、蠕变等规律就显得十分重要。经过无数科学工 作者的辛勤努力，目前对构件低周疲劳的规律、损伤理论和寿命预测方面取得了 很大进展。 1 1 高温低周疲劳损伤的研究状况 连续损伤力学( c o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s c d m ) ，从狭义上讲，是用宏观 理论解决微观断裂问题，研究对象是物体内连续分布的缺陷。从宏观来看，这些 缺陷分布于全物体，这些缺陷的发生和发展表现为材料的变形与破坏。损伤力学是 研究在一定条件下，物体中的损伤随变形而发展并最终导致破坏的演化过程和规 律。研究损伤的方法分为细观方法和宏观方法。细观方法是根据材料的微细观成 分单独的力学行为以及它们的相互作用来建立宏观的考虑损伤的本构关系，进而 给出比较完整的损伤力学问题提法。宏观方法是以连续介质损伤力学的观点来研 究材料的损伤破坏，它通过引入表征材料内部微细缺陷的损伤内变量，建立合适 的损伤模型，在不可逆热力学和连续介质力学的均衡定律基础上导出材料本构关 系，用损伤广义力表征微细缺陷损伤的作用和影响，建立唯象的损伤演变方程。 1 1 1 损伤变量 l m k a c h a n o v 在研究单轴拉伸蠕变的脆性断裂时，引入无量纲标量场变量 一连续性矽，来表征材料劣化的综合作用。对完全无损材料，妒= 1 ；随着材料劣化 和损伤加剧使连续性降低，即咖 0 ；d = 1 时标志着材料 体元的完全破坏。 在损伤力学研究中，首先要定义具有宏观统计特征的“损伤变量 ，用来描 述损伤状态及其演化过程。这种“损伤变量的定义应该是能通过实验数据来验 证的。另外，损伤演变时，因塑性变形或空洞萌生导致能量的不可逆耗散，从热 力学角度看，损伤的演变表示物质内部结构的不可逆变化过程。因此，损伤变量 是一种内变量。损伤变量是物质结构某种不可逆变化的一种定量表示，作为热力 学内变量的损伤变量，不像塑性变形和弹性变形可以直接测量，通常要由中间变 量来确定。人们根据不同的研究对象和学术观点，可以以不同的形式来定义损伤 变量。一般用来表征疲劳损伤的损伤变量有以下几种： 1 ) 承载面积法 早期研究工作大多都用标量表征材料的损伤。其基本思想是：用横过截面的 缺陷相对面积度量损伤，因此，材料体元的损伤度d 定义为： d ：坐：1 一兰 ( 0 d 1 )( 1 2 ) 彳4 、。 没有损伤时截面的面积为a ，损伤后有效承载面积变为万。 2 ) 弹性模量法 对于一般弹塑性材料，实验表明，弹性模量的变化与原子键的失效相联系； 2 而塑性流动发生反映了晶格滑移，但原子键则保持不变。 单轴拉伸试验的应力应变关系曲线的卸载响应反映出来： 卸载斜率不同；而后者的初始加载斜率与卸载斜率相同。 的有效弹性模量表征材料的损伤度，定义损伤度为： d ：l 一旦 e 这两种机制在宏观上由 前者的初始加载斜率与 因此，可以用受损材料 ( 1 - 3 ) 其中营为材料受损后的弹性模量，e 为材料的原始弹性模量。 3 ) 应力范围法 王卫国1 2 1 等认为在应变控制的疲劳试验中，损伤发生在稳定循环之后，通过推 导，采用了材料受损前后应力范围的变化来表征低周疲劳的损伤变量，即： d ：l 一尘! a o - ( 1 - 4 ) a o - 为材料达到稳定循环时的应力范围，a o - 为材料出现损伤后的应力范围。 4 ) 电阻值法 陈荐等【3 1 从微观角度考虑，将电阻的变化分析为：材料一旦产生微裂纹，裂纹 面处原子与原子发生分离，电流就不能沿与裂纹面垂直的方向通过；裂纹尖端由 于存在应力奇异性，不同程度地会在裂纹尖端产生塑性变形，使原子间距发生变 化，从而导致材料导电性能即电阻的变化。用损伤前后电阻值的变化作为高温蠕 变材料损伤的损伤变量： 心一鲁( 1 - 5 ) r ，r 分别为损伤后、损伤前材料的电阻值。 5 ) 等效模量法 范志超等【4 1 对1 6 m n r 钢损伤研究时选用等效模量作为损伤变量，认为等效模 量的变化能够综合反映循环蠕变损伤和疲劳损伤：如果材料损伤主要由循环蠕变 所引起，则等效模量的下降能够充分反映因循环蠕变而引起的迟滞徊线持续右移 现象；如果损伤主要由疲劳引起，而循环蠕变损伤较小，这时的迟滞徊线比较稳 定，因此等效模量的下降也能反映因疲劳损伤而导致的弹性模量下降。 如导2 耵o m a x ( 1 - 6 ) 占i n “ o m “ l q 其中e 为等效模量，占一为循环最大位移换算而来的最大应变，为循环 最大应力，厶为试件初始长度，k 循环最大位移。 定义损伤变量为： d - 1 。每 ( 1 - 7 ) e 。为材料损伤前的等效模量初始值。 在实用上，损伤变量可以有各种定义，可用质量密度变化、塑性特性变化、 粘性特性交化、疲劳循环周次、残余强度变化等定义损伤变量。一般说，连续性够 或损伤度d 并无几何上的真实意义，它是材料性能劣化的相对度量与间接表征。 1 1 2 低周疲劳损伤力学模型 疲劳损伤主要是塑性应变累积的结果。根据c d m 理论，低周疲劳的损伤演变 方程可由一个合适的耗散势来描述，由构造出的耗散势导出材料的损伤演变方程， 通过积分得到损伤模型，再由试验来进行验证和确定常数。 定义缈为耗散势，d 为损伤，为v o nm i s e s 当量应力，】，为应变能释放率， 瓯为与温度有关的材料常数，p 为累积塑性应变。为方便的描述模型，引入 ， 其意义为：当x 0 时，有 = x ；当z m 该模型适合在小范围的应力二轴反情况卜便用o 2 ) c h a b o c h e 模型 西：( 后l b ) 卢( 占口) ( 1 一国) 一届 心一h ) 儿展 式中k 。，b ，声，届一材料参数 3 ) s c h a n d r a k a n t h 6 ll 幂j 损伤模型 4 ( 1 - 11 ) ( 1 1 2 ) d = d = ( ，形+ z d 髟+ z 、i g 尼一s 。) ( 1 1 3 ) ( 老) l ( 唰o m d - 多 m 4 ， 彭+ 2 + ( 彭“一彭+ 2 ) 缈= ( 南瑚耻1 多 。= 斟1 多= 南卜m y 甜卜 其中若s o = 1 ，则简化为经典二次式： 伊= ( 了s o ) 斟- y 多 ( 1 - 1 5 ) ( 1 - 1 6 ) ( 1 1 7 ) ( 1 - 1 8 ) 对于比例载荷损伤可表示为： 。= 南 m 5 ) x h y a n g 8 】的损伤模型 考虑低周疲劳的损伤特征，耗散势取为： 缈= d =聊 2 e s o 5 ( 1 - 2 0 ) 薪西 ( 1 - 2 1 ) 丫i ，一形 爿万 i d-一d 一2 缈 丽 商 旦砜 心小岛 ( 一玎 m 2 2 ， 其中口为材料常数，用来表征累积损伤的程度，卸为每一循环中的累积塑性 应变范围，m 为循环应变硬化指数。 1 2 高温低周疲劳寿命预测方法 针对疲劳寿命的预测，国内外学者进行了很多的研究，提出了大量的疲劳寿 命预测模型，这些模型大都是从疲劳寿命与应力、应变、塑性功或应变能密度等 参量的关系出发得到的。 1 2 1m a n s o n - c o f fin 公式 堕=堡+丁aep=crz(2ni)622e + 占，( 2 ，户 2 。、 川 这就是广泛应用的m a n s o n - c o f f i n 公式。其中为总应变范围， 范围，a e p 为塑性应变范围，仃，疲劳强度系数，为疲劳塑性系数， 度指数，c 为疲劳塑性指数，e 弹性模量，n 循环次数。 ( 1 - ：3 ) 巳弹性应变 b 为疲劳强 m a n s o n c o f f i n 公式一般用在常温下的低周疲劳寿命预测，在高温下，由于涉 及到与时间相关的蠕变和高温氧化腐蚀等情况，该模型并不适用。 1 2 2 频率修正法及频率分离法 频率修正法模型是在m a n s o n c o f f i n 公式基础上提出的，考虑到高温下的时间 效应，对m a n s o n c o f f i n 公式进行了频率修正【9 】： a 6 ，= s p + a e 。= c l 【n f v k i - i 】一嘞+ c 2 【，y 屯- 1 】一嘞 ( 1 2 4 ) 其中n 为循环寿命次数，1 ) 为循环频率，c l ，c 2 ，k l ，k s ，口l ，口2 为材料 常数。 该模型适用于具有相同拉伸、压缩应变速率的连续疲劳情况。 虽然频率修正公式引进了频率项，单不能很好地反应出保载时间的影响，于 是c o f f i n m 1 对该式进行了修正，提出了频率分离法： 厂、七 r = c ( a 6 m 尸i 羔l ( 1 2 5 ) y ， 为非弹性应变，u ，y 。分别为拉、压进程频率， k ，m 为材料常数。 频率分离模型简便，在环境作用突出的场所适用性较好。但不能准确反映波 形的影响，当蠕变作用显著时，可能造成严重的误差。 当高温下同时有平均应力的影响时，o s t e r g r e n 提出了频率修正损伤函数法【l l j ： 6 盯一f y ( 卜1 ) = c ( 1 - 2 6 ) 其中，为最大拉应力，k 为材料常数。 1 2 3 应变范围划分法 对于与时间无关和时间相关的两类应变，即使应变的量相同，但所引起的损 伤并不是相同的。在研究疲劳蠕变交互作用损伤时，将应力应变循环中的非弹性 应变范围a c 加，按他们的性质不同分解成纯机械的应变范围分量和与时间有关的应 变范围分量组合，即刀、印、p c 、c c 分量，如图l - 1 所示。通过简单循环实验可 建立类似c o f f i n m a n s o n 公式的各应变分量与寿命之间的关系式，即： 勺= 勺；鳓( 1 2 7 ) 式中，i 、j 分别代表即、印、p c 、c c 。 疲劳蠕变交互作用的循环总寿命可以由式( 1 2 8 ) 表示 万i=瓦1(1-28)n n f 厶q 蚍歹一变 ， 么流动 蠕变 图l 一1 典型迟滞徊线( p p 、p c ，c c 的组合) 应变范围划分法的优点是可以利用a s 加的不同分量来分别反映塑性、蠕变及其 之间的交互作用对高温低周疲劳损伤的贡献，温度、频率、波形的影响都能体现 在模型里面，在蠕变作用突出时适用性较好。缺点为对非弹性应变范围的划分及 公式的拟合比较麻烦。 1 2 4 非零平均应变下的寿命估算 在工程上完全对称的零平均加载循环并不多见。关于存在非零平均应变时的 寿命计算可以分为以平均应变为基础的模型i 、以平均应变为基础的模型i i 和基于 平均应力和平均应变为基础的混合模型。 1 ) 以平均应变为基础的模型i 7 全垒：里上(2广+占。，(2广(1-29)2e 、， 。 、， 式中，n = n i ( 1 + l o o 占j 卢，为平均应变。该模型认为平均应变对总应 变的弹性和塑性部分均有影响。 2 ) 以平均应变为基础的模型i i 考虑到平均应变对总应变中的弹性部分和塑性部分可能有不同的影响，以平均 应变为基础的寿命预测模型可以写为： 全 ：三 ( 2 广+ g ，( 2 ”广( 1 - 3 0 ) 2e 、 7。、7 式中，= m ( 1 1 0 0 卢，“= ，( 1 + 1 0 0 卢。 3 ) 基于平均应力和平均应变的混合模型 在同时存在平均应力和平均应变的情况下，一般认为平均应变主要影响总应 变的塑性部分，而平均应力主要影响应变的弹性部分。所以寿命预测方程可以写 为： 垒生：里(2了+gjr(2”广(1-31)2e 、， 。 、， 式中，：m 6 一2 仃j 2 卢，”：j ( 1 + 1 0 0 靠严，仃坍为平均应力。 1 2 5 能量法寿命预测 1 ) 应变能划分法 何晋瑞等人综合应变范围划分法和频率修正损伤函数法模型，提出了应变能 划分模型【1 2 】：认为决定疲劳损伤的主要因素是消耗于裂纹扩展时所需的非弹性应 变能，并假设只有裂纹张开的拉伸迟滞徊线面积所代表的应变能才会产生疲劳损 伤，使微裂纹扩展。把非弹性应变能的拉伸部分作为控制参量。应变能划分法继 承了应变范围划分法关于不同应变范围对损伤起不同贡献的观点，建立了各应变 能分量与寿命的关系，即应变能表达式： a u = 口盯肼a 6 胁( 1 3 2 ) 式中，口为拉伸部分应力应变滞回曲线面积与矩形o m a 8 咖面积之比，为循 环中的最大拉应力。 通过应变能可计算出寿命，应变能分量与寿命间的关系为： a u ，= 乃町巧 ( 1 - 3 3 ) 8 应变能划分法模型主要用于对高温合金的寿命预测。从对高温合金寿命预测 能力的比较来看，应变能划分法比应变划分法更精确，但未能对微裂纹萌生之前 的裂纹“扩展 “张开 做出解释。 2 ) 塑性应变能理论及总应变能理论 塑性应变能理论认为循环塑性变形及其累积是导致疲劳损伤的基本原因，塑 性应变能是描述疲劳损伤的一个重要参量1 1 3 1 。塑性应变能密度与疲劳寿命满足如 下关系式： = 召【，厂 ( 1 3 4 ) 其中睨为塑性应变能密度，五、曰为材料常数。 总应变能理论认为塑性应变能和弹性应变能都对疲劳损伤起作用，总应变能 密度与疲劳寿命满足如下关系： 形；= c ( 1 3 5 ) 其中，彬为总应变能密度，口，c 为材料常数。x i a 等【14 1 ，e l l y i n 等【1 5 椰1 对 总应变能密度和疲劳寿命之间的关系进行了大量的研究，认为材料的疲劳损伤主 要受平均应力和循环蠕变速率的影响，在式( 1 3 5 ) 的基础上，提出了相应的预测模 型。 3 ) 耗散能理论 耗散能理论认为疲劳破坏过程包括疲劳裂纹的萌生和扩展，本质上是一个能 量损耗过程。材料吸收的应变能大部分以热辐射、声发射和原子振动等形式被吸 收和耗散掉，剩余部分被材料吸收造成疲劳损伤。 f e l t r i e r 和m o r m w 1 8 】认为材料的疲劳破坏是吸收塑性应变能和非弹性能量的 结果，并且总耗散能与疲劳寿命满足线性关系如式( 1 3 6 ) ，总耗散能按l i n 1 9 1 提出 的公式( 式( 1 3 7 ) ) 进行计算： 形，= c + d n ( 1 - 3 6 ) 陟，= 陟名+ q + e o + e k ( 1 3 7 ) 其中为总耗散能，为总塑性应变能，q 为热能，为动能，乓为其它 形式的能量，为疲劳寿命，c 、d 为材料常数。 4 ) 拉伸滞后能损伤函数法 拉伸滞后能损伤函数法由o s t e r g r e n 】提出，该方法认为低周疲劳损伤是由试 样吸收的拉伸滞后能或应变能来控制的，由损伤函数来近似的这个能量为非弹性 应变范围和峰值拉伸应力o r r 的乘积，即： = s j ，仃r ( 1 - 3 8 ) 滞后能与疲劳寿命之间遵循幂指数关系： 崂；= c( 1 3 9 ) 9 式中：盯r 为最大循环拉伸应力；a 6 加为非弹性应变范围，纯疲劳时用a 6 。代 替。 1 3 汽轮机转子钢低周疲劳研究状况 1 3 1 汽轮机转子钢低周疲劳影响因素 温度是影响材料性能的主要因素，随着温度的变化，材料的各方面性能也随 之改变。温度升高，金属材料的疲劳强度发生较大的变化，强度指标逐步下降。 屈服强度和屈强比的降低将会导致材料抗疲劳性能的降低。随着温度的升高，疲 劳裂纹的形核机理也不同，在温度较低时，疲劳裂纹萌生以穿晶方式萌生为主， 而在温度较高时，裂纹萌生于晶界。众多文献研究表明 2 0 , 2 1 l ，对于不同的温度， 材料的力学性能不同，尤其是高温和常温下相比更为明显，材料的疲劳寿命因此 也不尽相同。一般来说，当部件的工作温度超过材料的熔点温度( 绝对温度) 3 0 ， 就必须考虑蠕变的影响。所以，关于温度的影响，是对疲劳寿命的研究和进行疲 劳设计时必须参考的因素。文献 2 2 1 关于温度对疲劳寿命的影响做了研究，研究材 料为3 0 c r lm 0 1 v 转子钢，从室温到5 6 5 不同的温度，研究指出，温度对低周疲 劳总寿命影响的趋势是随着温度的提高而降低，但在2 8 0 、4 0 0 数据反常，特 别是2 8 0 ，小应变的寿命高于室温，大应变的寿命甚至低于5 6 5 的数据，这可 能是在材料加工过程中经高温( 5 0 00 c 6 5 0 ) 回火得到回火索氏体组织，因2 8 04 c 和 4 0 0 远低于材料的回火温度，其性能与其它温度时有所差异。s k b a m b r i 等【2 3 j 对c r m o v 转子钢材料在常温和5 3 5 下的循环应力响应、应变寿命关系、微观 机理等进行了研究，该文献主要研究了两种温度对c r - m o v 转子钢材料的影响， 而其他方面的影响未进行研究。e k l i a w 等f 2 4 】研究了应力比和温度对c r - m o v 转子钢近门槛值低周疲劳裂纹扩展行为的影响，结果表明，在各实验温度下，应 力比的增加减少了裂纹扩展的阻力，但应力比的影响随着温度的增加而降低。从 2 4 1 4 9 ，随着温度的增加，近门槛值的裂纹扩展速率加快，超过1 4 9 ，温度 对裂纹扩展速率的影响达到了饱和，而且温度的影响也随着应力比的增加而降低。 李雅武【2 5 1 采用应变控制的方法进行了3 0 c r l m o l v 转子钢的低周疲劳实验，研究了 温度( 5 1 0 和5 3 8 ) 对3 0 c r l m o l v 转子钢低周疲劳应力应变关系以及低周疲 劳损伤和应变寿命的影响。刘宗德等【2 6 】对3 0 c r 2 m o v 转子钢在3 0 0 1 1 0 0 。c 温度范 围内进行了拉伸力学性能实验，得到了较宽温度范围内的拉伸应力应变曲线和屈 服强度、抗拉强度与温度的关系，为解决转子碰磨后的弯曲校直提供参考依据。 应变控制保持时问条件下的疲劳一蠕变交互作用机理则非常复杂，对不同的 材料的实验，拉伸和压缩保持波形对疲劳寿命的影响也不同。不同的研究者给出 了不同的结果和解释【27 1 。文献 2 8 对c r m o v 钢的研究表明，压缩应变保持的寿 1 0 命大于连续应变的寿命，而拉伸应变保持时间的寿命最小。在拉伸保持时间大于 压缩保持时间的不对称循环中，压缩保持起到了愈合损伤的作用。k n e l t o n t ”l 等研究了加载波形和保持时间对1c r m o v 转子钢高温低周疲劳的影响，研究指出， 能量损伤法并不能很好的描述该材料的低周疲劳特性，而应变范围划分法和频率 分离法能够较好的对低周疲劳特性进行分析，文章认为拉伸部分的蠕变比压缩部 分的蠕变对损伤的影响更大。 当在拉伸或压缩过程中引入保持时间，此时试样不仅有疲劳损伤，还有蠕变 损伤，所以引入保持时间的低周疲劳要考虑疲劳蠕变的交互作用。保持时间的增 加存在一个饱和效应【3 们，当超过一个保时临界值时，进一步增加保时产生的效果 趋向于恒定。t h o m a s 和d a w s o n l 3 l 】研究了在大应变长期应变控制保持时间对循环 寿命的影响，他们的结果表明，保持时间对疲劳寿命的影响与应变范围和实验温 度有关。在5 5 0 ，在应变范围大于0 4 时，增加保持时间会减小疲劳寿命，而 低于此应变范围，所有的疲劳曲线收敛与0 5 小时的寿命曲线。在5 0 0 下，存在 同样的趋势，只是发生收敛的应变小些。t a r u n t 3 2 】就保留时间对高温疲劳的机理进 行了分析。损伤机理表明，在高温5 6 5 下，可以明显的看到蠕变、疲劳对损伤的 贡献。在连续循环中，在0 5 5 2 的应变范围内不存在明显的晶界滑动、沿晶裂纹 和蠕变孔洞。而在拉伸保持时间的试验中，则存在晶界滑动。蠕变孑l 洞的形成与 应变范围、应变速率、试验温度以