疲劳裂纹扩展门槛值的影响因素综述.pdf

第42 卷第 2 期 20 13 年 6 月 V o 1 4 2 N O 2 Jun 2O l 3 疲劳裂纹扩展 门槛值的影响 因素综述 吴健栋 ， 蔡志鹏 ， 潘际銮 ， 刘 霞 ， 乔 尚飞 ， 王朋 ， 霍 鑫 ， 沈红卫 (1 清华大学机械工程系， 北京 100084 ； 2 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂， 上海 200240 ) 摘要 ： 对文献 中影响疲 劳裂纹扩展 门槛值的 多种 因素进 行综述， 对显微 组织、 晶粒取向尺寸 、 载荷 比 R 、 加载 频率和温度的影响做了较为详尽的归纳总结。研究表明， 显微组织、 晶粒尺寸、 载荷比 R 、 加载频率和试验温 度等对疲劳裂纹扩展门槛值的影响较突出， 其影响规律和机理则因材料的不同而异。 关键词 ： 门槛值 ； 疲 劳裂纹扩展 ； 裂纹 闭合 中图分 类号 ： TK263 61 文献标识码 ： A 文章编号 ： 16725549 (2013 )02-0084-06 O verv i ew of In flu en c i n g F a c to rs o f F a ti gu e C rac k G row th T h resh ol d W U Ji andong ， CAI Zhi -peng ， PAN Ji 1 an ， 删Xi a ， QIA O Shang-fei ， WAN G ， H U O X i n2 ， SH E N H ong w ei (1D epartm ent of M ec hani c al E ngineeri ng ， T si nghua U niversity，Bei ji ng 100084 ， C hi na ； 2S ha nghai E lec tric P ow er G enerati on Equi pm ent C o ，U d 。 ， S hang hai Steam P lant， S hanghai 200240 ， C hi na) A bstrac t： T he i nfl uenc i ng fac tors of fati gue c rac k grow th threshol d i s revi ew edInvesti gati ons have shown that the m i c rostru c tu re ，grai n si ze ，l oad rati o ，l oadi n g frequ enc y an d test tem peratu re h ave a great effec t on th e fati gue c rac k grow th thresh ol d ，and the i m pac t of th e l aw s and i nfl uen c e m ec h ani sm s w i l l vary w i th d i fferen t m ateri al s K ey w ord s ：th reshol d ；fati gu e c rac k grow th ；c rac k c l osu re 在汽轮机行业中， 疲劳性能是影响寿命安全 性的关键因素。疲劳性能的降低 ， 将容易导致疲 劳事故 ， 使人身、 财产安全遭到损害 ； 疲劳性 能的 提高 ， 可提高汽轮机运行安全系数 ， 不仅降低 了突 发事故的可能性 ， 还可提高汽轮机使用寿命 ， 减少 能源和材料的浪费 ， 创造更高的经济效益。 作为电力装备中影响发电效率和安全 I生的关键 构件， 汽轮机转子长期运行在复杂交变应力的作用 下 ， 因此对材料高周疲劳陛能提出了更高的要求。 疲劳裂纹扩展 门槛值 A K 是衡量材料 高周 疲劳性能的重要指标 ， 本文围绕 AK 的影响因素 进行综述 ， 对工程上长 寿命和无 限寿命的转子设 计具有重要 的参考意义。 1 AK h的影响因素 1 1 显微组织的影响 目前， 国内外大多数研究认为材料的微观组 织对其疲劳裂纹扩展门槛值影响很大。 张 毅 对 20Cr2N i 4A 、 20CrM nSi M oV A和 35CrM o 三种不 同钢在不同的组织状态下的疲劳 裂纹扩 展 门槛 值 的变化规律 进行 了研 究， 发 现 AK 按回火索氏体 、 铁素体 + 粒状贝氏体、 粒状贝 氏体 、 回火屈氏体 、 回火马氏体的顺序依次递减。 对于回火索氏体 、 粒状贝氏体等组织 ， 观察到裂纹 曲折地沿基体或相界面扩展。作者认为， 基体铁 素体塑韧性 良好 ， 加之第二相对裂纹扩展的阻碍 作用 ， 使得疲劳裂纹扩展需要消耗更多的能量 ， 从 而使门槛值提高 ； 对于马氏体， 裂纹横穿原奥氏体 晶粒并沿着马氏体板条束扩展 ， 遇到相邻束 界则 改变方向， 而裂纹扩展主要受到马氏体板条束径 大小和方向的控制， 故扩展阻力较小， 门槛值较 低 。Benson 和 E dm onds 对 0 5Cr-0 5M o-0 25V 钢的研究也得到类似的结论 ， 他们采用不 同的热 处理方法分别得到铁素体、 贝氏体和 回火马 氏体 三种微观组织 ， 实验结果表明， 铁素体 的疲劳裂纹 收稿日期 ： 2o1210-08 修订 日期： 2013-0416 作者简介 ： 吴健栋 (1990 ) ， 男 ， 清华大学机械工程 系硕士研究生 ， 主要从事焊接转子焊接工艺 的研究。本论文获得 2012 年度 中国动力工 程学会透平专委会学术研讨会优秀论文奖。 -圈 一- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 疲劳裂纹扩展 门槛值 的影 响因素综述 热力透平 扩展门槛值最高 ， 贝氏体次之 ， 回火 马氏体最低 。 黄淑菊 和郑经绒 通过实验发现 ， 在马氏体 + 铁素体混合组织 中， 随着 F 含量的增加 ， 门槛值会 上升。Benson 和 Edm onds 进一步用光镜和扫描 电 镜对断 口和断 口金相进行观察 ， 发现铁素体组织 中， 疲劳裂纹穿过铁素体晶粒扩展 ， 贝氏体和回火 马氏体中， 裂纹则穿过原始奥氏体 晶粒扩展。李恩 勤 和陈黄浦 等人在 18Cr2N i 4W A 中， 发现粒 状贝氏体(B )的门槛值高于粒状贝氏体的高温 回 火组织 (S )， 马氏体的高温回火组织(S )的门槛 值最低 。通过对组织 、 裂纹扩展途径和断 口的观 察 ， 发现 B 中裂纹沿着 F 基体或 F 与 M A 小岛的 相界扩展， M A 小岛的均匀分布有效地阻碍了裂纹 的扩展， 因而门槛值较高 ； 粒状 贝氏体经过高温 回 火后 ， 原来的 M 分解成为了碳化物， 并不均匀地分 布在 F 基体上 ， 碳化物对裂纹扩展也有一定的阻碍 作用， 但相比于 M A 小岛， 其作用就小得多； S 中的 晶内的碳化物较为细小， 但晶界上有条带状的碳化 物， 局部沿晶界连续分布 ， 导致晶界部位对裂纹扩展 的阻力明显减小， 因此门槛值最低。 1 2 晶粒取 向的影响 对于多晶材料而言 ， 每个晶粒内部均有 自己 最易开裂的面 ， 称为裂纹面。相邻 晶粒 间裂纹 面 间角的存在会使裂纹在跨晶粒扩展的过程 中受到 阻碍， 且问角越大 ， 阻碍作用越突出。 如图 1 所示 ， 当裂纹穿过 晶粒 1 扩展 到晶粒 1 与晶粒 2 的晶界 时， 裂纹可能偏转一定角度后 沿着 晶界扩展 ， 也可能沿着 晶粒 2 的裂纹面穿过 晶粒 2 向前扩展。但由于晶粒 1 和晶粒 2 的裂纹 面之间存在一定的偏角， 裂纹穿过晶粒 2 扩展 时， 开裂面会发生 一定角度 的扭转 。考虑 到能量 因 素 ， Zhai T 等人认为 ， 相 比于扭转 ， 通过裂纹前缘 图 1 裂纹在晶界处的扭转和偏转扩展 裂 纹 面 2 的简单偏转更有利于裂纹的扩展 ， 且通过对 A l -Li 合金 的 EB SD 表面观察 ， 验证了这一观点 。 蹇海根 、 姜锋 等人采用 EB SD 技术 对 Al Zn M gCu 合金疲劳裂纹扩展过程进行研究分析 。 结果表明， 相邻晶粒的裂纹面间角较小时， 裂纹穿 越晶界扭转一定的角度扩展进入下一个晶粒； 当 相邻 晶粒的裂纹面间角较大时 ， 裂纹沿晶界扩展。 这与雷家峰 等人 的研究结果是一致 的。雷家 峰认为 ， 晶界两侧的裂纹面问角越小 ， 裂纹扩展越 过晶界的阻力就越小 ， 更有利于裂纹穿晶扩展。 陈圆圆 对 2197 铝锂合金和 2524 铝合金 晶粒取向和疲劳裂纹扩展途径之间的关系做 了相 应的研究 ， 发现疲劳裂纹优先沿有利滑移 面扩展 。 当相邻晶粒的优先滑移面一致时， 裂纹不发生偏 折 ； 当相邻晶粒的优先滑移面存在夹角时， 裂纹发 生偏折。2197 合金具有平面滑移特征 ， 裂纹主要 沿 111 面扩展 ， 当遇 到小 角度 晶界 时沿 晶界 扩 展 ， 因为小角度晶界主要 由位错构成 ， 裂纹沿其扩 展消耗的能量小于有利滑移面。 因此 ， 关于晶粒取向对裂纹扩展途径 的影响 可以归结到裂 纹扩展过程 中的低能量消耗原理 ， 即裂纹总是沿着其扩展消耗的能量较低的方 向扩 展。晶粒取向相差大， 裂纹穿晶扩展消耗的能量 高 ； 反之 ， 消耗的能量低 ； 晶界为小角度晶界 ， 裂纹 沿晶界扩展消耗 的能量也较低 ， 有利于裂纹沿晶 界扩展。 1 3 晶粒尺寸的影响 关于晶粒尺寸对疲劳裂纹扩展 门槛值的影响 规律和影 响机理 ， 目前仍没有一个 明确 的定论。 一 部 分人 认 为 ， 随着 晶粒 尺 寸 的增 大 ， 门槛值 AK , 会增大 ； 也有人认为 晶粒尺寸增大 ， 门 槛值 AK 保持不变或略有下降 。 凌超 基于 Zener 的研究 ， 给出公式 A K 。 h = A + B d ， 其 中 B 0 。邓蓉英 等人实验测得 某含 15 5Cr， 14 5N i 不锈钢的疲劳裂纹扩展 门槛值 和 晶粒度 之 问的关 系为 ： A K = 4 8 + 27 5d 。朱明亮 在研究 25Cr2N i M ol V 转子 钢时， 测得高压端晶粒直径为36 m ， 低压端晶粒 直径为21 m ； 在应力比R =0 1 的条件下测得高 压端门槛值高于低压端。作者给出的解释与凌超 等人的观点相同， 他们认为， 随着晶粒尺寸的增 大 ， 裂纹在扩展过程 中发生偏折的程度增加 ， 导致 一一 l 豳 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 期 疲劳裂纹扩展 门槛值 的影响 因素综述 裂纹面粗糙度增大， 诱发裂纹闭合， 故 升高。 但随着研究的深入 ， 人们发现， 并不是所有材 料的疲劳裂纹扩展门槛值都是随着晶粒尺寸的增 大而升高的。曾振鹏 研究发现 ， 18Cr2N i 4W A 低碳高强钢在不同晶粒尺寸下的疲劳裂纹扩展行 为时 ， 随着晶粒尺寸从 58 m 增 大到 207 m ， 疲 劳断 口表面粗糙度增大将近 3 倍 ， 但是近门槛值 区疲劳裂纹扩展速率和门槛值基本不变。因此作 者认为 ， 在低碳高强钢中， 在其微观结构参数基本 相 同的情况下， 粗糙度的变化并不改变近门槛值 区裂纹扩展行为 ， 也不会引起裂纹尖端 闭合， 因 而 ， 疲劳裂纹扩 展门槛值基本不变 。Carl son_l 8_ 和 Ri tehi e 等人采用 Fe c rc高强钢， 在保持屈服 强度基本相同的条件下 ， 只改变晶粒大小 ， 发现疲 劳裂纹扩展 门槛值 随 晶粒增大反而略有下 降， 结果见表 1。王均石 对 P50 钢轨钢进行实 验研究后 认 为， P50 钢 的疲 劳裂纹扩 展 门槛值 与材料的奥 氏体晶粒尺寸密切相关 ， 随着奥 氏体晶粒尺寸的减小 ， 门槛值升高。 表 1 相 同屈IR i 度下 。 晶粒尺寸与门槛值 的关系 因此 ， 晶粒尺寸对疲劳裂纹扩展 门槛值 A K 。 的影响规律 因材而异。对低强钢而言， 随着 晶粒尺寸的增大而增大 ； 而高强钢 的 AK 则随着 晶粒尺寸的增大而保持不变或略有降低。关于晶 粒尺寸对低强度钢和高强度钢疲劳裂纹扩展门槛 值影响 的不 同原 因 目前 还不是 很 明确 ， 但 葛庆 麟_2 给出了如下解释 ： 高强度钢的韧 脆转变温 度较高 ， 室温时材料就处于脆性或半脆性状态， 疲 劳裂纹的扩展不需要大量 的塑性变形 ， 滑移特征 也不会因晶粒大小而发生变化。Stonesc i fer 采 用屈服强度相 同、 晶粒尺寸不 同的三种材料在其 韧一 脆转变温度以下进行疲劳试验时 ， 发现室温下 AK 。 随晶粒增大略有下降 ； 在 77K 下 ， 晶粒大小对 A K 毫无影 响， 实验结果 和葛庆麟的推测是相吻 合的。 1 4 应力比 R 的影响 应力比 R 是周期应力下 限与上限的比值 ， 即 K mi K ， 其大小对低应力下疲劳裂纹扩展 门槛 值有着重要影响。大量实验证实， 各种材料应力 比尺增大， 门槛值降低 。 。但是， 关于应力 比尺对 tK。 影响的具体的数学模型， 在不同材料 中却有不同的结果， 至今仍然没有找到一个普遍 使用的理论模型。 在工程应用中， 一般都是根据材料在不同 R 下的门槛值的实验结果经推算得到包含材料常数 的各种关系式， 具有代表性的有： 曩I l l (1)指数关系式 ： h = th0 ( 1 一尺) 式中： K 为应力 比 R = 0 时的门槛值 ； 为材料 常数。 的大小因材料及材料 的性质 的不同而 异。赵 荣 国 实 验 得 出 N i基 高 温 合 金 G H 4133B 空气 中的 为 0 975 ； Luc a Col l i ni 给 出 U FG c opper空气中的 为 1 88 ； 葛庆麟 总 结了前人的实验结果 ， 收集了各种材料的 y 值。 (2 )折线关系式 卜 ： K h = K th0(1 一m R ) 当 R R K t = 常数 C 当 R R Sc hm i dt和 Pari sl 4 在铝合金 中， 发现 门槛值 随应力比 尺的增加而线性下降 ， 当 减小到 某个值 (R )时， R 对 A K 没有影响。后来 ， 邓蓉 英 等 人 在 珠 光 体 钢 中， 周 清 跃 等 人 在 U71M n 钢 中， 刘长禄 等人在 18Cr2N i 2W A 钢 中 也 得 到 相 同 的 结 论。 邱 海 等 人 对 09CuPCrN i 的焊接接头各区的 R 与 的关系也 做了研究 ， 发现母材和焊缝也遵循折线关系式 ， 作 者测得母材的 m ： 0 782 ， R = 0 66 ， C = 4 68 ； 焊 缝的 m ： 0 691， R = 0 8 ， C = 5 46 。邱海和李广 铎 进一步研究发现， 材料的残余应力会影响到 裂纹尖端闭合效应 ， 从而影响折现关系式 中的 m 、 R C 和 AK 。 的 值 ， 如 图 2 所 示。A hi ned 和 Trom ans_4 给 出 Cu 30N i ， Cu 30Zn 和 90Cu-7A 1 2Fe 三种不同合金的 m 、 R 、 C 和 zIK h。 值见表 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 疲劳裂纹扩展门槛值的影响因素综述 热力透平 R 图2 09CuPC rN i 钢焊缝区消除残余应力前后 折线关系式的变化 表 2 三种材料 的折线关系式系数 (3 )抛物线关 系式 ： K th = tK h0( 1 一A R B R ) Pari sl 4 在 A533 和 A 508 钢 的研究 中给 出 AK h = K tho(1 一R ) ， 马珏敏 和颜 学奇 等人 认为 在 中、 低 碳 钢 和 低 合 金 钢 中， 用 K t = A K ，m ( 1 0 7R 一0 21 R ) 比折线关 系式 和指数 关系式计算 的结果更便于工程应用 ， 且计算结果 与实验结果吻合较好。 应力 比R 对疲劳裂纹扩展 门槛值 的影 响， 目 前给出的解释是 R 越小 ， 裂 纹闭合效应越 显著 ， 疲劳门槛值 tK 。 会偏高 ； 反之 ， 越大 ， 裂纹 闭合 效应 的影 响越小 ， 疲劳门槛值 tK 也会更低且更 接近材 料 本 征 门槛 值 AK 。薛 伟 。 。 等人 在 26Cr2N i 4M oV 转子钢 中观察 到， 随着 R 的增 大 ， K 下降， 但 K 保 持不变。W ang Y i fei 等 人在总结 前人 的结论 时发现 ， Ti 一 8A1 1M o一 1V 、 冷 加工铜 、 纯铜和 2024 -T3 铝 合金的 ,4K 随 R 的增 加而迅速下降， 但 在不同的 下变化不大。 当 R 尺 时， ,AK 随 的增 大 略微 下 降。因此 ， 根据 = K t + 。 式 ， K f】op代表裂纹闭合效应 的大小 ， 可知 门槛值随 R 的增大而减小是 由裂纹 闭合效应随R 的增大而逐渐减弱造成的。 1 5 加载频率的影响 加载频率对疲劳裂纹扩展特性 ， 特别是对疲 劳裂纹门槛值 的影响 ， 目前仍存在争论 。不同的 材料会得到不同的实验结果。 Pari s_4 等在 总结 前人 工作 的基础上 ， 认 为 加载频率在 40 220 H z 之间时 ， 对 门槛值没有影 响 ； 在 342 800 H z 之间则随着频率的增加 ， 门槛 值下降； 当频率升高到 800 H z 以上时， 门槛值又 不随频率而变化。作者还在铝合金的实验中验证 了 自己的结论 ， Branc o_5 和 Cl avel 在 中强 钢 的实验中也得 到 了类似 的结果。Pari s 对 342 800 H z 之间门槛值 随频率 的变化规律做 出了解 释 ： 裂纹尖端在高频的作用下 ， 局部地区温度迅速 升高， 导 致 门 槛 值 降 低。而 Bi gnonnet 和 R i tc hi e_5 等人却持有不同的观点 ， Bi gnonnet在 淬火一 回火低合金钢 中发现 ， 加载频率为 65 H z 时 的门槛值 比7H z 时的高 ， 进一步观察发现 ， 门槛值 越高 ， 断 口上 的氧化物碎 片越多。因此 ， 作者认 为 ， 随着频率的增加 ， 断 口上 的氧化程度加重 ， 由 氧化物导致的裂纹闭合效应也增大 ， 从而导致 门 槛值提高。R i tc hi e 在 Ti _6A l 4 V 合金 中的研究表 明， 加载频率在 5O 20 000 H z 内， 加 载频率对门 槛值均无影响。 1 6 温度的影响 温度升高 ， 材料的屈服强度一般降低 ， 疲劳裂 纹门槛值一般升高； 另一方面， 温度的升高， 会导 致材料的氧化 ， 而由氧化物导致的裂纹闭合程度 则增大 ， 门槛值下降。因此 ， 温度对材料裂纹扩展 门槛值的影 响是复杂的， 因材而异。 K azuya Tsutsum i和 K enji Y am am oto 在 SU S316 和 SU S304 钢的母材和焊缝金属中， 杨雨 烟 。 。 在 30Cr2M oV 转子钢中 ， 都观察到疲劳裂纹 扩展 门槛值随温度 的升高而下降的现象。同时 ， 对断口形貌的观察均发现高温条件下断 口氧化较 为严重。因此 ， 他们认 为温度 的升高致使裂纹 闭 合效应增大是导致 门槛值升高 的主要原 因。而 Gerberi c h 等人在 H SLA 钢和一系列铁 硅合金 的研究中却得到了相反的结果 ， 随着温度 的升高 ， 门槛值则 降低。G ejza Rosenberg_5 在低碳钢 和 H SLA 钢中， 以及 E1一 Shabasy_2 等人在珠光体钢 中的 实 验 结 果 均 与 Gerberi c h 的 相 同 ， 且 E1 Shabasy 并没有观察到高温下断 口氧化严重 的现 象 ， G ejza R osenberg 则认为随着温度的升高 ， 材料 屈服强度下降 ， 并给出关系式 ： 一 I _团 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2 期 疲劳裂纹扩展门槛值的影响因素综述 A K th 77K ： f AK th 29 5 295K 式中 ： AK 、 y77K分别为 77K 下的门槛值和屈服 强度(以此类推 )。 因此 ， 氧化物对裂纹闭合的影响作用越突出， 门槛值越大。何子淑、 粱益龙 等人在镍基高温 合金 GH 4049 的研究 中发现 ， 疲 劳长裂纹 的门槛 值随着温度的升高而升 高， 短裂纹随着温度的升 高而下降， 且短裂纹 A K 均低 于长裂纹 的 。 作者认为裂纹闭合不是来 自裂纹尖 的前方 ， 主要 来 自裂纹尖端后方的塑性 区、 粗糙 裂纹面和氧化 物 ， 裂纹闭合将很大程度上依赖裂纹尾迹的长度 ， 因此短裂纹的裂纹闭合程度较小 ， A K 较小 ； 当温 度升高时 ， 由于氧化物对短裂纹 的闭合作用影响 不明显 ， 表现出短裂纹的 A K 随温度 的升高而下 降。长裂纹 由于尾迹较 长， 裂纹面氧化作用对裂 纹闭合的影响较 突出， 掩盖了其他 因素的影响作 用， 因此 表 现 出 K 随 温 度 的 升 高 而 升 高。 Saburo M atsuoka 等人在 c r M 0 V 低合 金钢和 12Cr不锈钢 中的研究也说 明了裂纹面氧化物对 A K 温度关系 的重要性。实验结果显示 ， CrM o V 低合金钢的 A K 随着温度的升高而升高 ， 12Cr 不锈钢的A K 随着温度的升高而保持不变。进一 步观察发现 ， CrM o V 钢裂纹面上的氧化物厚度 随着温度的升高迅速增加 ， 而 12Cr钢 中增加的速 率相对较慢 。因此， 随着温度的升高 ， CrM oV 钢 裂纹 闭合 程 度迅 速 增加 ， 导致 AK 下 降； 对于 12Cr 钢 ， AK 升高的速度和其他 因素对 门槛值 的 降低作用相抵消 ， 表现出 K 随温度的升高而保 持不变。 因此 ， 温度对门槛值的作用是裂纹面氧化物 、 裂纹尖端塑性变形 、 材料屈服强度等 因素随温度 变化的共 同作用的结果。 2 结 论 影响疲劳裂纹扩展门槛值的因素除了显微组 织、 晶粒取向和尺寸、 载荷比、 加载频率 、 实验温度 以外 ， 还有介质环境 、 应力历史 、 应力波形 、 残余应 力等方面， 都是很重要的因素。通过本文的综述 研究， 可以得出以下结论 ： 1)疲劳裂纹扩展门槛值对材料的组织和试 _冒 一 露 验 的环境较为敏感 ； 2)疲劳裂纹扩展 门槛值不是简单 的某个参 数 的单值 函数， 各个影响因素之间的交互作 用导 致 门槛值 随材料性能和环境 的变化规律较 为复 杂。 参考文献： 1 张毅影响结构钢疲劳 门槛值 AK h的 因素及其分析 J机 械强度 ，1986，(1)： 12 17 2 BENSON J P ， EDM ONDS D VEff ec t of M i c rostruc ture on Fat培ue i n Threshol d Region i n Low-Al l ow Steel J M etal Sc i enc e ，1978 ，12 (5 ) ： 223232 3 黄淑菊，邓春枝 ， 宋余九析出铁素体 对中碳 回火马 氏体裂 纹扩展的影 响J金属热处理学报 ，1986， 7(1)： 77 79 4 郑经纺 ， 梁振锋 ， 沈甫法 ， 等18Cr2Ni 4W A 钢 中温转变产物 与马氏体 混合 组织 的力 学性 能 J上 海交 通 大学 学报 ， 1985 ，19 (5 ) ： 78-88 5 李恩勤 ， 姜锡山 ，马茂元18Cr2Ni 4W A 钢的组织 与疲劳裂 纹扩展特性 J机械工程材料 ， 1984，(2)： 63-68 6 陈黄浦 ， 金达曾 ， 邓增杰 ， 等18Cr2Ni 4W A 钢不 同组织形态 及其机械性能之间关 系J西安交通 天学学报 ，1984 ，18 (6 ) ： 45-55 7 ZHA I T ，JIANG X P，LI J X ，et a1The Grai n Boundary Geometry for ti mum Resi stanc e to Growth of Short Fatigue Crac ks i n Hi gh Strength Al -Al l oysJInternati onal Journ al of Fati gue ， 2005 ， 27 (1Ol 2 ) ：1202-1209 8 蹇海根，姜锋 ， 郑秀媛，等采用 EBSD 研究高强铝合金的疲 劳裂纹扩展行 为J材料热处理学报 ， 2011， 32(2)： 75-80 9 雷家峰 ， 刘羽寅 ，杨锐 一种亚稳 B 钛合金中疲 劳短裂纹穿 晶扩展 晶体学特征 的 EBSD 研 究 J金属学 报 ， 2002，38 (Z 1) ： 272-276 1O 陈 圆圆2xxx航 空铝合金的疲 劳与断裂行 为研究D 湖 南 ： 中南大学材料学 ， 2010 11 周清跃， 周晨光粗糙度诱发裂纹闭合的研究J铁道学 报 ，1990，12(3)： 66-73 12 周清跃 ，周晨光钢轨 显微组 织与疲 劳性 能 J金属学 报 ，1990， 26(4 )： 303-308 【 13 刘瑞堂铁素体珠光体钢的晶粒尺寸和微观断裂机理与疲 劳裂缝扩展行 为的关 系 J哈尔 滨船 舶工程 学 院学报 ， 1985 (1 ) ： 41 53 14 OBERW INKLER B M odel i ng the Fatigue Crac k Growth Behavi or of Ti -6Al -4 V Consi deri ng Grai n Size and Stress Rati o JM ateri al s Sc i enc e and Engi neeri ng A ， 201l ， 528(18 )： 5 9 8 3 -5 9 9 2 15 LAL D N A M odel for the Com bi ned Effec ts of Stress Rati o and Grai n s oa the LEFM Fa ti gue Threshol d Condi tion J F a ti gu e and F rac ture of E n gi n ee ri n g M ate ri al s an d S truc tu re s ， 1992 ， 15 (8 ) ： 775-792 16 崔昆 ， 胡镇华 ， 衷杰锋 ， 等显微组 织对工模具钢疲 劳裂纹 扩展速率和门坎值的影 响J钢铁 ， 1989 ， 24(4)： 4853 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 疲劳裂纹扩展门槛值的影响因素综述 热力透平 17 曾振鹏断口粗糙度与近 门槛疲劳裂纹扩展行为 J上海 金属 ，1989 ，11(1)： 56-59 18 CARLSON M F，RITCH IE R 0 On the Effec t of Pri orAusteni te Grai n Size on N ear-Threshol d F ati gae Crac k Grow th J 1 Sc ri ptaM etal l urgi c a ， 1977 ， 11 (12 ) ：11131118 119 M A R CH A N D N J，B A IL O N J P ，D IC K SO N J INe ar T h resh ol d F a ti g u e C ra c k G ro w th i n C op p er a n d A lp ha B ra ss ： Grai nSize and E nvi ronmental Eff ec ts J M etal l urgi c al T ransac ti ons A ，1988 ，19 A ( 10 ) ： 2575-2587 20 凌超 ， 李 国彬 ，孟宪玲疲 劳裂纹扩 展 门槛 值与 晶粒尺 寸 关系的研究一 位错理论的应用 J河北 工学院学报 ，1992 ， 2 l (3 ) ： 67-72 21 邓 蓉英 ， 于桂清 ，李禾晶粒 尺寸对 奥 氏体 不锈 钢疲劳 裂 纹低速 扩 展 及其 顶 端 塑 性 变 形 的 影 响 J金属 学 报 ， 19 86 ， 22 (5 ) ： 409 -4 12 22 ZHU M L，X UAN FZ ，W ANG GZEffec t of M i c rostruc ture on F at培ue Crac k Prop agati on B ehavi or a Steam Turbi ne Rotor Steel JM ateri al s Sc i enc e and Engi neeri ng A ， 2009 ， 515(1 2 ) ： 85-92 23 王钧石P50 钢轨钢 的奥 氏体 晶粒度对其 门槛值 和裂纹扩 展速率 的影响 J机械工程材料 ，1993，17(5)： 9 1O 24 葛庆麟影响低应力下疲劳裂纹的扩展和门槛值 AK h的因 素 J上海金属 ，1983， 5 (1)： 23-35 25 STONESIFER F R Effec t of Grai n Size and Temperature on Fati gue Crac k Propagati on i n A533 B Steel J Engi neeri ng Frac ture M ec hani c s，l 978 ，10 (2 ) ： 3053 14 1 26 j HUTH M ANN H ，LIV ESEY VB ，R OBERT G Fa tigue Crac k G row th Th resh o l d a n d S h ort C ra c k G row th i n A u sten i ti c M a teri a l s l JInternati onal Journ al of Pressure Vessel s and Pi pi ng， 1996 ， 65 (3 ) ： 23 l -2 39 27 STEINBOCK J， G UDLADT H J M ore Insights i nto Fatigue Crac k Growth from Experi ments on Steels and Al umi ni um Al l oys- Threshol dsJM ateri al s Sc i enc e and Engi neeri ng A ，2011 528 (3 ) ：1296 130 1 28 STANZL TSCH EGG S，SCHON BA UER B Ne ar Thresh0l d Fat Me Crac k Propagati on and Internal Crac ks i n Steel J P roc ed ia Engi neeri ng ， 20 10 ， 2 ( 1) ：1547-1555 29 EL-SHABASY A B ， LEW ANDOW SKI JJEffec ts of Load Rati o R ， and Test Temperature on Fati gue Crac k Growth of Ful l y Pearl i ti c Eutec toi d Steel(Fatigue Cr ac k Grow th of Pearl i tic Stee1) J Intern ati onal Joum al of Fati gue ， 2004， 26(3 )： 305-309 30 杨 雨 烟30Cr2M oV 转 子 钢 门槛 值 附近 的疲 劳 裂 纹扩 展 J机 械强度 ，1991， 13(3)： 454 9 31 曾春华疲 劳裂 纹扩展 的门槛 值 的确定 方法及其影 响因素 J机械强度 ，1983(4 )： 374 4 32 NALL R K ， CAM PBELL J P RITCHIE R 0Eff ec ts of M i c rostruc ture on M i xedM ode ，H igh-Czde F atigue Crack Growth Threshol ds i n Ti -6AI-4V Al loy J Fati gu e and Frac ture of Engi neeri ng M ateri al s an d Stru c tur es， 2OO2 ， 25 (6 )： 587-606 33 BO YCE BL，RITCH IE RO Effec t of Load R atio and M axi m um Stress ntensi ty on the Fati gue Threshol d i n Ti -r A14 V J Engi neeri ng Frac ture M ec hani c s， 200 1， 68 (2 ) ： 129 147 34 PADULA l I SA ，SHYA M A ，RITCHIE RO ，et a1H igh Frequenc y F atig ue Crac k P ropagati on B ehavi or of a N i c kel B ase Turbi ne Di sk Al l oyJInternati onal Journal of Fati gue，1999 ， 2 1(7 ) ： 725-73 1 35 郑修麟 ， 陈永茂 ， 张建国， 等15M nVN 钢 56 毫米厚板的疲劳 裂纹扩展速率与门槛值J机械强度 ， 1987，(3)： 29 33 36 李小 刚，李广铎16M nR 钢焊接 接头疲劳 裂纹扩展行 为及 裂纹 闭合效 应 的研究 J大连铁 道学 院学 报 ，1993 ，14 (3 ) ：15616 1 37 刘艳萍 ， 陈传尧， 李建兵，等14MnNbq 焊接桥梁钢的疲劳裂 纹扩展行为研究 J 工程力学， 2O08， 25 (4)： 209-213 38 KUJAW SKIDA Fati gue Crac k D ri vi ng Forc e Parameter wi th Lo ad Rati o Eff ec tsJIntern ati onal Journ al of Fati gue， 2001， 23 (SU PPL ) ： $239 一 $246 39 赵 荣 国，罗 希 延 ， 任 璐 璐 ，等航 空 发 动 机 涡 轮 盘 用 GH4133B 合金疲劳裂纹扩展行为研究J机械工程学报 ， 20 1 1 ，5 5 -6 5 40 COLLINIL Fati gue Crac k Growth Resi stanc e of Ec aped UhrafineGrai ned CopperJEngi neeri ng Frac ture M ec hani c s 20 10 ， 77 (6 ) ：100 1-10 11 41 LIU HW A Di sl oc ati on Barri er M odel for Fati gue Crac k Growth Threshol d JInternational Journ al of Frac ture，1999 ， 93(1)： 26 1 -2 80 42 SCHM ID TRA ，PAR ISPC Threshol d for Fati gue Crac k Propagati on and the Effec ts of Load Rati o and Frequenc yJ A ST M Sp ec i a l T e c h n i c al P ub l i c ati on ，19 7 3 ：7 9 -9 4 43 邓蓉英 ， 周爱华 ， 蒋怀庆 ，等裂纹在珠光体钢 中的近门槛 区扩展 J金属学报，1989，25(3)：A219-A225 44 刘长禄 ，李 金魁组织 、 强度 、 应力 LX,t 18Cr2Ni4W A 钢 疲 劳裂纹 扩展 门坎值 的影响 J哈尔滨船舶工程学 院学报 ， 1986 ， 7 ( 1) ： 46-6 0 45 邱海 ， 李 广铎应力 比 R 对 09CuPCrNi 钢焊接接头疲 劳裂 纹扩展 门槛值 AK h的影响J大连铁 道学院学报 ，1992 ， 13 (3 ) ： 74-79 46 邱海 ，李广铎残余应 力对 09CuPCrNi 钢 焊接接 头近 门槛 值域 内疲劳裂纹扩展行为的影响 J大连铁道学 院学报 ， 1992 ，13 (4 ) ： 61-67 47 AHM ED TM ，TRO MA NSDFatigue Threshol d Behavi or of A Phase Copper Al l oys i n Desi c c ated Ai r：M odul us Eff bc ts J Intenm ti onal Journ al of Fati gue ， 2004 ， 26(6 ) ： 64 1-649 14 8 PA R ISPC ， B U C C IR J， W E SSE L E T ， et a1E xtensi ve Study of LO w F atig ue C rac k Grow th Rates i n A 533 and A508 Steel s J A S T M S p ec i al T e c h n i c a l P u b l i c a ti on ，19 7 2 ：14 1 176 49 马珏敏 ， 颜学奇 ，朱爱 芬应 力 比对 疲劳裂 纹扩展 门槛值 的影响 J实验力学 ，1987 ， 2(4) ： 34 38 5O 薛伟 ，郭 成 海 ，姚枚 ，等大 型 汽 轮 发 电 机 转 子 材 料 26Cr2Ni 4M oV 钢疲劳性 能的研究 J大 电机技术 ，1991， (6 ) ：l 6-2 1 1 51 j W ANG Y F， W ANG Y W ， W u x Y et a1 A Sty+ on k Rel ation (下转第 127 页 ) 一 _囝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 数值研究弯叶片在级环境下对涡轮性能的影响 热力透平 4 结 论 采用商用数值 计算软件 N UM E CA 对某 型号 汽轮机低压缸第一 级涡轮 叶片进行 了数值研究 ， 比较了直叶片和弯叶片对通流的性能 ， 得到以下 结论 ： 1)周向弯曲叶片的引人， 在整体性能方面， 提高了机组的通流能力 ， 改造后 的弯 叶片机组的 流量提高 0 4。但是在本次计算 中， 弯技 术的 引入使机组 的效率略微下降。在流场 细节方 面， 弯叶片不仅可 以控制流道内的径 向压力梯度 ， 从 而降低 了叶片端部的损失 ， 而且 能够改变级 的反 动度沿叶高的分布。采用弯曲叶片明显提高了根 部反动度， 而根部反动度的提高能够改善动叶流 道 内根部区域的流动状况 。 2 )由于对 叶片 内部流 动结构 的控制 手段较 多 ， 在弯技术的实际应用和设计 中需要考虑与其 他技术的匹配问题。弯叶片技术的引入， 改变了 叶片的载荷经向分布和出气气功参数 。在设计 中 就应该考虑到上游叶片的变化对下游叶片沿叶高 冲角值 的影响。 参考文献 ： 1 COFER J I，REINKER J K ，SUM NER W J Advanc es i n Steam Path Tec hnol ogy J Transac ti ons-A meri c an Soc i ety of Mec hani c al E ngi neers Journal of E ngi neeri ng for G as T urbi nes an d P ow e r，19 9 6 ，1 18 ：3 37 3 5 2 2 W ANG Z ， H AN W ， SH U W An Experi m ental l nvesti gati on i nto the l fluence of Di ameter Bl ade Hei ght Rati os on Sec ondary Fl o