基于損傷力學(xué)的錘鍛模疲勞斷裂分析及再制造工藝研究.pdf

1、錘鍛模是熱鍛模的一個(gè)重要分支，能夠通過(guò)較小噸位的錘鍛設(shè)備加工出難以成型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。服役過(guò)程中除了受到普通熱鍛模機(jī)械及熱的雙重負(fù)荷，還要承受鍛錘的高頻次沖擊載荷，因此相較于普通熱鍛模更容易出現(xiàn)底角疲勞斷裂、磨損、塑性變形等失效。本文特別針對(duì)該類(lèi)錘鍛模極為嚴(yán)重的底角疲勞斷裂問(wèn)題，以某超超臨界汽輪機(jī)葉片用錘鍛模為研究對(duì)象；從連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)入手，對(duì)模具材料內(nèi)部損傷的演化、裂紋的擴(kuò)展，直至失效的過(guò)程進(jìn)行深入研究并實(shí)現(xiàn)了有限元模擬；同

2、時(shí)結(jié)合力學(xué)性能、斷口分析等常規(guī)手段對(duì)疲勞斷裂失效問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。本文提出了基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工藝方法，并最終運(yùn)用于該汽輪機(jī)葉片用錘鍛模的再制造生產(chǎn)實(shí)踐中。本文主要展開(kāi)了以下方面的研究：
　?、馘N鍛模服役狀態(tài)分析
　　采用金屬塑性成型有限元方法對(duì)本文的研究對(duì)象-某汽輪機(jī)葉片用錘鍛模的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、磨損等服役狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析，為后續(xù)疲勞斷裂失效分析及再制造該類(lèi)錘鍛模提供支持；同時(shí)從減少錘鍛模應(yīng)力的角度出

3、發(fā)，對(duì)模具的設(shè)計(jì)及使用工藝方法做了一些改進(jìn)。
　?、谘h(huán)塑性損傷本構(gòu)模型的建立及有限元實(shí)現(xiàn)
　　針對(duì)錘鍛模服役過(guò)程中容易引起材料劣化并出現(xiàn)內(nèi)部宏觀裂紋的問(wèn)題。運(yùn)用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)（CDM）建立了一個(gè)循環(huán)塑性損傷本構(gòu)模型，借助 ABAQUS中UMAT子程序?qū)⒃撃Ｐ统淌交瑢?shí)現(xiàn)了有限元模擬。引入實(shí)驗(yàn)獲得的5CrNiMo相關(guān)材料參數(shù)，完成了試樣拉伸過(guò)程的損傷演化模擬。從疲勞累積損傷角度對(duì)循環(huán)載荷條件下服役的錘鍛模內(nèi)部損傷的演化以及

4、宏觀裂紋的產(chǎn)生情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析，并獲得了一些關(guān)于材料損傷演化的結(jié)論。
　?、坼N鍛模疲勞斷裂分析
　　針對(duì)錘鍛模在服役過(guò)程中出現(xiàn)的底角疲勞斷裂問(wèn)題。本文通過(guò)在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的大框架內(nèi)，從損傷力學(xué)開(kāi)始再延伸到斷裂力學(xué)的方法，來(lái)對(duì)循環(huán)載荷下的錘鍛模疲勞斷裂全過(guò)程加以研究；并結(jié)合材料力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)、斷口分析等分析方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)該類(lèi)問(wèn)題更為系統(tǒng)的分析。獲得了裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的裂紋三維形貌、尖端應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力強(qiáng)度因子、剩余壽命，模具材料力

5、學(xué)性能、微觀組織結(jié)構(gòu)、斷口情況等結(jié)果，進(jìn)而分析出該錘鍛模型腔底角疲勞裂紋形成及擴(kuò)展的機(jī)理。
　　④錘鍛模再制造工藝的研究
　　介紹了雙金屬梯度堆焊再制造熱鍛模工藝方法，并針對(duì)雙金屬梯度堆焊制造熱鍛模工藝方法難以同時(shí)解決錘鍛模易出現(xiàn)的疲勞斷裂、疲勞磨損、塑性變形等典型失效問(wèn)題，特別是疲勞斷裂問(wèn)題。分析了該方法存在的局限性，針對(duì)性的提出了基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工藝方法，給出了解決疲勞斷裂失效等問(wèn)題的對(duì)策。
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6、某汽輪機(jī)葉片用錘鍛模的再制造應(yīng)用
　　將提出的基于不同失效模式的梯度堆焊再制造工藝方法應(yīng)用于某汽輪機(jī)葉片用錘鍛模的再制造中?；讷@得的錘鍛模服役狀態(tài)、失效分析、壽命預(yù)測(cè)信息，分析了錘鍛模不同區(qū)域的堆焊材料需求；結(jié)合微觀組織、力學(xué)性能等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，針對(duì)性的設(shè)計(jì)了三種焊材及其組合，優(yōu)化的焊材分布方案；完成了對(duì)該錘鍛模的再制造工作。經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，該再制造錘鍛模與原新制錘鍛模相比較，成本降低了約1/2（含首次再制造設(shè)計(jì)費(fèi)用），周期縮短了約2