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1、武汉水利电力学院学报年第期关于高温蠕变裂纹扩展规律王文安建筑力学教研室断裂力学研究组本文扼要地介绍了国内外关于高温构件的蠕变裂纹扩展断裂的实验研究与理论研究的,,现状着重论述了对高温构件的蠕变裂纹扩展速率的描述方法并提出了今后应着重研究。的课题,,高温蠕变断裂问题的研究对于电力工业中的汽轮机组燃气轮机组锅炉机组及其他,,热动力装置的一些重要零部件的合理设计与安全运行促进电力工业的大发展均具有重。要意义一引论,,,自五十年代以来被誉为固体力学发展前沿的断裂力学由于它在发展形成过程中,,紧密地联系着工农业生产和
2、国防工程实际发展十分迅速在断裂理论和实验技术方面都已。,,,初具规模因此对带裂纹的构件在定显地予计构件的剩余强度疲劳裂纹扩展速,,率耐劳寿命以及确定在腐蚀条件下构件的承载能力等方面断裂力学理论已经显示出它。,的卓越效能尽管断裂力学理论是源出于弹性力学塑性力学和板壳理论等传统的强度科,,工、,、,。、。学但是由于在断裂力学中发现和引进了材料的断裂韧性如及、,,各等新的力学参数指标应力强度因子概念裂坟扩展力概念与路经无关的,,能量线积分概念应变能密度因子概念以及裂坟张开位移概念等极大地。促进了固体力学研究局部区
3、域应力应变场的效能,由于,在断裂静力学理论中线弹性祈裂力学是建立在线弹性理论基础之上它认为构,,件材料是带裂纹的具有理想弹性的变形固沐在外邵因素例如工作负荷温度变化或腐蚀,,性介质影响等作用下其裂纹尖端处的材料在按近平面应变条件下产生的塑性变形范围一民度相比都是作常小的,这时裂纹失稳扩展时的条件或塑性区域与试样宽度以及裂纹基本上可以由裂纹尖端处极小的塑性变形区或以外的广大弹性变形区域里的应力应变状态。所决定基于这个观点求得了用应力场强度因子这个力学新参数来描述裂纹尖端附近。,的应力应变场状况的表达式在垂直于
4、裂纹平而的拉应力作用下裂纹扩展是张开,工,,。,型此时渗数用表示当逐渐达到苗界值作为应力场强度断裂判据它已被。较多的工程实际证明对于强度高而断裂韧性较低的材料制作的带裂纹构件的低应力脆性,。断裂是能够作出很好的抗断裂分析的,,通过分析一些高温构件的断裂事故资料发现在高温蠕变持久应力作用下一些高强,度低韧性材料制造的高温构件的断裂是由于构件上的裂坟源扩展引起低应力脆性断裂。,,的因此把上述线弹性断裂力学中分析解决问题的思路运用于高温构件的抗断裂分析。是可行的,,但是对于电力工业巾火电厂汽抡发电机组的一些重要零
5、部件例如汽轮机转子轴采,,用犷钢或叮钢叶轮采用钢紧固件采用犷,,钢等这类材料的强度是随着温度升高而显著下降的例如厂钢和犷,烧“和汀。,钢在时的屈服极限分别为汀而在时的分““。,别为。和。同时这类材料的断裂韧性也是随着温度升降而变化的,因,由于目前尚末找到试验方法准确地测定其高温断裂韧性此线弹性断裂力学理论在高。温构件设计中的应用就暂时受到了限制,,众所周知高温构件在其断裂前总有较显著的塑性变形那么将其列入弹塑性断裂力,学研究范畴并运用描述裂纹尖端产生大范围屈服条件下的应力应变场参数的和乙建立,、、、的断裂判
6、据对高温构件的设计是否可行呢考虑到由于汽轮机转子轴叶轮汽缸叶,,涡,片及紧固件燃气轮机的热端部件轮盘及燃烧宝等在运行过程中必将发生高温蠕,,,变同时这类高温构件在运行时所承受的负荷并非简单加我而是比较复杂的从一些断,,。裂事故的断口状况可以看出它并非单纯塑性断裂而是蠕变断裂在一些断裂物理文献,,中指出塑性断裂的特征是晶内变形发展为晶内破裂从而引起断裂是比较均匀的而高。,温蠕变断裂则表现为晶界滑移引起沿晶界不均匀的蠕变变形而造成断裂可见二者是形。,,态完全不同的两种断裂因此随着温度的升高热力学过程对于构件上裂
7、纹源的形成和。,扩展都将起到显著作用所以说基于塑性变形全量理论建立的断裂判据和各断裂判据,,,能较好的解决塑性断裂问题那么在分析高温蠕变断裂问题时就必须在塑性变形全量,,。理论基础上同时考虑到热力学过程的影响这将是一个边缘学科领域中的研究课题,,,由上可知在当前对于高温构件蠕变断裂的研究现有断裂力学理论都不能直接应,,。,用因此要从理论上研究解决是困难的但是在实际工程中不断发生的蠕变断裂事,故例如郑州电厂四号汽轮机第十级叶轮的断裂飞逸济南黄台电厂一号汽轮机第十六级,,山叶轮在进汽端受力侧产生轴向裂纹长度达毫
8、米而径向深度达毫米东炜庄电厂,以及电厂中常用的七号汽轮机第九级叶轮产生贯穿裂纹径向深度达刊毫米犷,钢高温螺检断裂和锅炉导管用厂钢管的爆裂等总是屡有所见迫切地提出了。,,必须研究解决能够防止高温构件发生蠕变断裂判据的要求那么切实可行的办法就是。,依靠由现代新技术装备起来的实验手段去进行深索近几年来高温蠕变条件下的断裂力,、、学研究着重于探讨静蠕变动蠕变高温应劳和高温冲击疲劳状态下裂纹开裂扩展的条、,·件蠕变裂纹扩展
