（毕业设计论文）《30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究》.docVIP

精品 30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究 1 概 述 1.1 课题研究背景、目的和意义。 电力是现代社会赖以生存和发展的基础。经过改革开放二十多年的发展，到2000年，我国的发电装机容量和发电量已经居世界第二位，到2002年底，全国发电设备总装机容量突破了3.50亿千瓦大关。但我国的人均装机容量只有世界平均水平的40％。到2007年，我国发电装机容量达到7亿千瓦。根据中国电力企业联合会发布全国电力供需与经济运行形势分析预测报告预计，2009年我国发电装机容量将达到8.6亿千瓦。 近几年电力行业的发展是突飞猛进，其中能源结构中，火电机组占到了发电容量的70%以上。而火电机组中燃煤机组占到了很高的比例。众所周知，火力工程中所用的金属材料处于高温高压条件下工作，并承受交变载荷的作用，因而深入研究材料的高温性能具有重要意义。材料的高温性能的研究可以促进我们进一步探讨构件在役高温条件下的寿命以及如何延长其寿命，或者如何去改进材料晶体结构使其具有更好的性能，从而不断开发出新的高性能材料。 在石油化工、动力、航空航天等部门中，有许多机械设备，如压力容器、发电锅炉汽轮机、燃气轮机、冶金机械等，长期在高温条件下工作，并且随着我国工业技术的迅速发展，这些设备工作的环境温度越来越高。另外，这些设备在工作过程中除承受一定的静载荷之外，通常还承受着动载荷作用，如频繁的启动停车、快速的较大范围内的温度波动等。这些因素引起的波动载荷叠加在静载荷上，产生疲劳损伤。 这些工程结构的安全性和使用寿命取决于结构材料的高温力学性能，特别是抗疲劳一蠕变性能，因为有85%以上的工程结构破坏与疲劳有关。据统计，由于机件结构的断裂、疲劳、腐蚀损伤，每年造成的经济损失，占美、日、欧共体等国每年国民生产总值的8%一12%。据我国劳动部统计，我国在80年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约5000起，人员累计伤亡近10000人，居国内事故的第二位。我国锅炉和压力容器的爆炸事故比工业化先进国家高十倍，其中恶性重大事故比工业化国家高一百倍。90年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故和人员伤亡数虽然有所减少，但仍居国内事故的第二位。我国乙烯厂的裂解炉炉管因长期承受800多摄氏度的高温而时常发生变形、断裂，每次报废所造成的经济损失高达几千万元。对材料高温断裂的宏观、微观研究可防范或减少上述破坏行为产生的巨大破坏作用。 30Cr1Mo1V钢是20世纪80年代后期开发的汽轮机转子钢，与传统的30Cr2Mo1V转子钢相比在力学性能和工艺性能方面具有明显的优势，在90年代以后30Cr1Mo1V成为30Cr2Mo1V的替代品，该材料被认为可用于制造23.5~25Mpa、538~540/566℃超临界机组转子材料。汽轮机转子是汽轮机的核心部件，而其制作材料30Cr1Mo1V钢，在高温条件下的疲劳裂纹扩展规律研究，可以得到材料的寿命周期问题，从而，降低疲劳失效而产生的事故率，并且，对延长30Cr1Mo1V材料的寿命问题有所帮助。 1.2 疲劳裂纹扩展规律的研究状况 1.2.1 常温条件下疲劳裂纹扩展规律的研究状况 人类对疲劳的研究19世纪就开始了，在研究初期，以断裂力学理论应用于疲劳研究，对裂纹扩展寿命的预测通常采用断裂力学的方法。1961年，Paris等人提出，在恒幅加载下，da/dN与应力强度因子的幅值△K有关，并给出了Paris公式 （1-1） 式中C和m为材料决定的常数。之后，在这一理论基础上考虑应力比R比与临界应力强度因子。对da/dN的影响，Forman和Walker分别提出了Forman公式 (1-2) 和Walker公式 （1-3） 随着对裂纹扩展机理的研究，人们对于了解应力强度因子在裂纹扩展过程中的变化的兴趣不断增长。1970年，Elber发现了裂纹扩展的闭合效应，之后，人们对裂纹的闭合进行了大量的实验和理论研究。一般认为裂纹在完全张开之前是不会扩展的，在应力循环中，对疲劳裂纹扩展有贡献的部分为最大应力与张开应力之差，即有效应力幅。基于闭合理论，人们发展了许多闭合模型，如Elber公式 （1-4） 自Pearson在1975年提出“小裂纹”的概念，并报导了疲劳短裂纹快速扩展的研究成果之后，小裂纹的形成和扩展构成了疲劳裂纹的形成阶段，当小裂纹扩展到一定程度时，则进入疲劳裂纹扩展阶段。人们为了描述小裂纹不同于长裂纹的扩展特性，相继提出了许多小裂纹模型。目前，普遍认为小裂纹的扩展速率不同于长裂纹是由于闭合效应造成的。尽管线弹性断裂力学在小裂纹阶段己经失