超超临界机组高温部件棘轮损伤机理及寿命预测方法

面向超超临界电站机组长周期可靠运行的需求，针对其高温部件在损伤评定及寿命分析中的基础科学问题展开研究。主要内容包括：(1)考察控制模式（应力、应变）对蠕变疲劳损伤评定的影响，形成蠕变疲劳损伤评定的一般方法。（2）通过细观尺度上的原位和循环中断观察分析，探讨空洞（微裂纹）演化所造成的棘轮损伤机制；结合微观分析和改进的Cottrell内应力分析方法，揭示棘轮变形过程中的微结构演化；提出基于物理机制的棘轮损伤描述的基本方法。（3）揭示棘轮和蠕变/疲劳之间的交互作用及其对寿命的影响规律，建立蠕变疲劳复杂载荷下考虑棘轮效应的寿命设计方法。本项目的成果对大容量先进电站装备的安全设计与制造将具有非常现实的工程意义，对材料的抗棘轮设计、多种机制交互作用下的寿命设计等方面同样具有重要的借鉴意义。

超超临界火电机组由于具有能源利用效率高，污染物排放少的特点，成为发展大型、高效、洁净煤发电技术的主要方向。然而随着超超临界机组容量的增大、温度和压力的上升，必然对汽轮机转子等机组关键部件的高温强度和寿命提出了许多新的挑战性。本项目针对超超临界机组的高温失效与可靠性问题，致力于研究高温环境下的棘轮损伤过程和复杂载荷下的寿命预测方法。主要内容及成果包括：细致研究了蠕变疲劳载荷下的循环塑性（包辛格效应和棘轮行为）及其损伤行为，通过内应力数据分析方法试验上证明了蠕变塑性叠加类本构模型在描述蠕变疲劳交互作用循环塑性方面的适用性，在此基础上，引入滞弹性效应，提出了一个能较好预测高温棘轮行为的本构模型。并结合微细观表征，分析了不同交互作用下棘轮损伤的物理起源，反映出了位错结构的不同分解机制（崩塌和长大）对损伤评定的重要影响。从位错力学和物理微观结构出发，构建了位错胞模型，定量描述循环变形过程中的微结构的重排过程及其导致的不同损伤行为。考察了控制模式对蠕变疲劳交互作用下循环响应和材料特性的影响，提出了一个可较好应用于应力控制模式中的蠕变疲劳损伤评定方法。本项目的研究结果体现了力学、物理和材料等多学科的交叉，为多种交互作用下的高温部件的寿命设计提供了新的思路，从而可为超超临界电站机组的损伤评定和寿命设计提供科学支持。