高、中压转子长期在蠕变条件下服役,材料微观结构的损伤累积造成宏观力学性能退化,进而对汽轮机安全构成威胁,所以,研究蠕变损伤对转子高温力学行为的影响有助于改进转子强度设计方法和实施对在役汽轮机转子的剩余寿命的准确预测。当前的蠕变损伤计算方法还不够完善,很难将损伤因子应用于对转子寿命的预测,所以,汽轮机高、中压转子的蠕变设计规范均未考虑损伤效应。为了改进汽轮机高、中压转子蠕变强度设计规范,有必要在完善蠕变损伤理论的基础上,建立基于损伤分析的转子蠕变强度设计方法。本文的研究对象是材料为30Cr1Mo1V的汽轮机高、中压转子。首先,对服役140000小时的转子进行解剖,得到蠕变损伤程度不同的材料;然后,对这些材料开展高温力学性能试验、蠕变试验和蠕变裂纹扩展试验,揭示转子不同部位的损伤特征,建立损伤因子与转子蠕变强度及蠕变裂纹扩展性能之间的关系;同时,以热力学损伤理论为基础修正蠕变损伤本构方程和蠕变裂纹扩展速率关系式;最后,提出汽轮机转子蠕变损伤设计方法,并通过真实转子算例验证该蠕变损伤设计方法的可行性。论文在如下几个方面取得了研究进展:(1)利用金相试验揭示蠕变损伤的微观特征和变化规律,发现蠕变损伤主要以杂质元素偏析、碳化物析出长大、晶粒粗化以及在晶界形成微小孔洞等形式呈现,蠕变的绝大部分时间内蠕变损伤表现为材料微观性能的劣化。(2)蠕变试验和高温拉伸试验结果表明,材料微观结构改变造成的蠕变损伤使转子钢的强度和蠕变延性下降。过去的蠕变损伤理论忽略了材料组织变化在蠕变损伤中的重要性,本文在热力学损伤理论的基础上以蠕变变形和环境热量作为蠕变损伤驱动力,推导出了一组新的蠕变损伤本构方程。新方程能够描述包括组织变化和孔洞成核聚集的完整蠕变损伤过程,可用于预测服役后高温材料的蠕变损伤状态。与其它蠕变损伤模型对比,该方程的预测结果与试验数据吻合较好,为完善高温转子的蠕变损伤设计方法奠定了理论基础。(3)通过蠕变裂纹扩展试验及对蠕变裂纹尖端微观形貌的分析,得到了损伤因子与蠕变裂纹扩展速率之间的关系。在损伤分析的基础上对断裂参量C*的预测公式进行了修正,修正后的方程能够更准确地预测服役转子材料的蠕变裂纹扩展规律。(4)以损伤理论为基础,提出了汽轮机转子蠕变应力和应变强度设计准则以及转子的蠕变损伤失效判据,建立了蠕变损伤设计方法。从而,不仅完善了汽轮机转子的蠕变强度设计方法,突破了服役环境对蠕变设计的局限,而且能够对超期服役的汽轮机构件进行再设计,简化了转子的整体设计流程。以30CrlMolV钢汽轮机高、中压转子作为分析算例,引入蠕变损伤应力应变控制准则和蠕变损伤判据对汽轮机高、中压转子进行设计,发现以损伤理论为基础的蠕变强度设计结果能更好符合实际情况。