摘要
新型国产马氏体耐热钢G115是620-650℃超超临界火电机组候选材料。保证电厂部件的长期安全可靠运行是极具挑战的关键科学问题，而蠕变-疲劳裂纹扩展（Creep-FatigueCrackGrowth，CFCG）将显著影响电厂部件服役寿命。本文结合试验和有限元模拟系统研究了G115钢不同条件下的CFCG行为、断裂机制及裂尖微观损伤机制，建立了CFCG损伤模型并对裂纹扩展行为进行了预测，为电厂部件的设计、维护和寿命评估提供了试验和理论基础。本文的研究工作和结论有： （1）探明了保载时间、载荷水平和温度对G115钢CFCG行为的影响规律。CFCG寿命和萌生时间均随初始应力强度因子范围ο???的降低及保载时间th的增加而显著增加，且增加th对裂纹扩展速率da/dN的加速在高ο?区域尤为明显。温度对G115钢CFCG的作用受th的影响，600s保载下da/dN随温度升高而增加。蠕变应力松弛和蠕变损伤的竞争机制显著影响CFCG。相同(Ct)avg下(da/dt)avg随th的增加而降低，而同一th下随着温度和ο???变化相同(Ct)avg下(da/dt)avg的变化较小，同时(da/dt)avg-(Ct)avg曲线在双对数坐标下存在两个应力相关的转折点。 （2）阐明了不同条件下CFCG断裂机制及其与裂纹扩展行为的内在联系。低ο?区域CFCG为穿晶开裂模式，随着ο?的增加逐渐转变为沿晶和穿晶混合的断裂模式。th越长，沿晶蠕变损伤和沿晶开裂越明显。ο?进一步增加时，裂纹扩展可能再次转变为穿晶断裂模式。裂纹扩展机制的两个转变ο?均随着th和温度的降低而增加。裂纹扩展速率的差异和转折与裂纹扩展扩展机制的差异和转折密切相关。 （3）研究了CFCG后裂尖马氏体板条、位错、析出相、晶粒类型等方面的演化规律，阐明了组织特征对CFCG行为的影响。进一步揭示了蠕变-疲劳裂纹尖端的微观损伤机制。600s保载下经历4140.5h试验后裂尖发生沿晶加速氧化，形成双层氧化物，氧化物-基体界面和氧化物本身是微裂纹或孔洞的优先形核位置，最终导致沿晶主导的开裂。Cr23C6和Laves相等对裂纹扩展具有一定阻碍作用。 （4）建立并验证了考虑多轴应力的蠕变-疲劳损伤模型和基于塑性应变能及延性耗散的蠕变-疲劳损伤模型。成功预测了G115钢不同条件下的CFCG行为，并对裂尖应力状态和损伤演化进行了分析。结果表明G115钢CFCG，尤其是长时保载试验及试样中间平面处为蠕变损伤主导。
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