分享：温度对汽轮机转子用2CrMo合金钢 高周疲劳性能的影响

摘 要:在室温和高温(450,500,566 ℃)下对某进口汽轮机转子用2CrMo合金钢进行了拉伸 试验和轴向力控制的高周疲劳试验,基于试验数据得到该钢的高周疲劳应力-寿命曲线,并通过广 义中值曲面模型得到了中值寿命曲面,研究了温度对高周疲劳性能的影响。结果表明:试验钢的屈 服强度、抗拉强度和弹性模量随温度的升高而下降;相同应力水平下,高周疲劳寿命随温度的升高 而下降,高应力比(0.5,0.8)下,高周疲劳寿命受应力水平影响较大。低应力比(-1,-0.3)下高周 疲劳断口为典型的轴向承载高周疲劳断口,在高温时疲劳源呈多源特点,室温时为单一裂纹源;高 应力比(0.5,0.8)下高周疲劳断口呈现拉伸断口特征,室温下断口存在明显的放射区、纤维区和剪 切唇区,高温下只有纤维区和剪切唇区。

关键词:汽轮机转子用合金钢;高周疲劳;疲劳寿命;断口形貌 

中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)04-0037-05

0 引 言 

汽轮机转子是决定汽轮机使用寿命的最关键部 件,其工作环境非常复杂,经常会在高温、高压、高转 速的恶劣环境中工作,受力情况复杂,裂纹容易萌 生,这对汽轮机转子用材料的高温性能提出了较高 要求。在高温循环载荷作用下,汽轮机转子若发生 高周疲劳断裂会造成严重后果。目前,国内外已发 生多起因高温循环载荷作用而引起的汽轮机断轴事故,并造成了巨大的经济损失。因此,研究温度对转 子疲劳寿命的影响具有重要意义,并可为转子的优 化设计及安全评估提供基本的依据[1-11]。

合金钢具有高的强度和韧性,导热性和导电性 良好,广泛应用在航空发动机、汽车发动机、燃气轮 机等方面,目前大量的汽轮机转子疲劳试验研究基 本集中在传统合金钢如20Mn、15Cr等方面。但是 由于传统合金钢具有焊接难度大、需要加工才能达 到工艺性能等缺点,因此国内有些公司引进了国外 新研制的汽轮机转子用2CrMo合金钢,而目前未见 有关该合金钢疲劳性能的研究报道。作者对该进口 合金钢在室温和高温(450,500,566 ℃)下进行了高 周疲劳试验,得到了高周疲劳应力-寿命(S-N)曲 线、中值寿命曲面等,分析了温度对该合金钢高周疲 劳性能的影响。

1 试样制备与试验方法 

试验材料为进口退火态2CrMo合金钢。在试验 钢上加工出如图1(a)所示的拉伸试样,分别按照GB/T 228.1—2010、GB/T228.2—2010,分别在Instron5887 型和Instron4507型电子万能试验机上进行室温和 高温(450,500,566 ℃)拉伸试验,在拉伸试验过程 中屈服前采用恒定应变速率(0.005min-1)控制,屈 服后采用恒位移速率(5 mm·min-1)控制,在试验 过程中实时记录载荷、应变、位移数据。在试验钢上 截取加工出如 图1(b)所 示 的 高 周 疲 劳 试 样,按 照 GB/T3075—2008,在电磁谐振式高频疲劳试验机 上进行高周疲劳试验,应力比为-1,-0.3,0.5,0.8, 应力集 中 系 数 为 1,高 频 疲 劳 试 验 频 率 在 70~ 160Hz之间,采用成组法测定5个或5个以上应力 水平下的疲劳寿命,并采用升降法测出疲劳寿命为 107 周次的疲劳强度。利用 Quanta600型扫描电子 显微镜(SEM)观察疲劳断口形貌。

2 试验结果与讨论 

2.1 拉伸性能 

由图2和表1可以看出,随着试验温度的升高, 试验钢的强度和弹性模量均下降。试验温度的升高 使得拉伸过程中柯氏气团对位错的钉扎作用降低, 位错运动增强,变形抗力减小[12],宏观上表现为材 料的屈服强度和抗拉强度降低,由于强度降低,导致 弹性模量随之降低lgN =A1 +A2lg(σmax -A3) (1) 式中:A1,A2,A3 均 为 材 料 在 一 定 应 力 集 中 系 数 和一定 应 力 水 平 下 的 常 数;σmax 为 最 大 应 力;N 为循环次数,拟合方 程 的 有 效 循 环 次 数 范 围 为 成 组 法 最 短 中 值 寿 命 到 高 周 疲 劳 极 限 之 间 的 循 环 次数。对于多应力比下的高周疲劳数据,采用中值曲 面进行拟合可以更加综合、立体地研究温度对高周 疲劳性能的影响。由等寿曲线推导得到中值曲面方 程,常 见 的 等 寿 曲 线 模 型 有 Gerber 抛 物 线 型、 Goodman直线型、Soderbery直线型、Basic4 次 方 型4种形式,由于这 4 种等 寿 曲 线 的 方 程 形 式 类 似[13],得到广义等寿曲线方程: Sa S-1 + Sm σ m1 =1 (2) 式中:Sa 为应力幅;Sm 为平均应力;S-1 为应力比 为-1时的疲劳极限;m1 为材料参数。 

通过推导得到 m1 的估计值表达式,然后代入 式(1)中,取对数得到广义中值曲面 N 的表达式为 N =10a σm1b Sa σm1b -Smm1 -S0 -m (3) 式中:σb 为抗拉强度;S0 为疲劳极限;m 和a 均为 拟合参数。

由图3可知,在不同应力比下,随着试验温度的 升高,试 验 钢 的 高 周 疲 劳 寿 命 降 低,这 与 郭 伟 彬 等[14]的研究结果一致,这是因为高温加速了疲劳源 的形成及疲劳裂纹扩展速率,使疲劳寿命降低[15]。 此外,由温度带来的氧化程度增加和材料劣化程度 增大也会导致材料的疲劳寿命降低。在较高应力比 (0.5,0.8)下,高周疲劳寿命受应力水平影响较大, 很小的应力水平变化会引起较大的寿命波动。由图 4可以 看 出:试 验 钢 在 室 温 下 的 疲 劳 寿 命 远 高 于 500 ℃,这与S-N 曲线得出的规律一致。

2.3 疲劳断口形貌 

由于在应力比为-1及不同温度下试验钢的高 周疲劳断口形貌和应力比为-0.3下的相似,因此 以应力比-0.3为例,对其断口形貌进行观察。由 图5可以看出,在应力比为-0.3条件下,试验钢在 室温和450℃时的高周疲劳断口为典型的轴向承载 高周疲劳断口,由疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断 区组成。在疲劳源区存在较平坦区域,说明疲劳裂 纹是沿着一定晶体学平面以穿晶方式萌生的。断口 存在明显的疲劳条纹,且条纹与疲劳裂纹扩展方向 大致垂直,说明试验钢中裂纹发生了穿晶扩展[16]。 室温断口只有一个主要的疲劳源,而在450 ℃时疲 劳源呈现多源特点,这与高温下的氧化作用使得表 面弱化有关,较小的微观缺陷也能诱发疲劳源萌生,因此在高温下疲劳源更容易萌生,这也验证了高温 下高周疲劳寿命较低的结论。 

由于在应力比为0.5及不同温度下试验钢的高 周疲劳断口形貌与应力比为0.8下的相似,因此以 应力比0.5为例,对其断口形貌进行观察。由图6 可以看出:在应力比为0.5时,高周疲劳试验近似静 力拉伸试验,因此不同温度下试验钢的高周疲劳断 口均呈现拉伸断口特征;室温下高周疲劳断口存在 明显的放射区、纤维区和剪切唇区,而高温下高周疲 劳断口只有纤维区和剪切唇区,说明高温下试验钢的 塑性较强,试样在断裂前可以承受较大的塑性变形, 未经快速扩展阶段即发生了断裂。

3 结 论

(1)随着试验温度的升高,试验钢的屈服强度、 抗拉强度和弹性模量均下降。在不同应力比下,随 着试验温度的升高,试验钢的高周疲劳寿命均降低, 高应力比(0.5,0.8)下高周疲劳寿命受应力水平的影响较大。

(2)低应力比(-1,-0.3)下试验钢的高周疲 劳断口为典型的轴向承载高周疲劳断口,由疲劳源 区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区组成,在高温时疲劳源 呈多源特点,室温时为单一裂纹源;高应力比(0.5, 0.8)下高周疲劳断口呈现拉伸断口特征,室温下断 口中存在明显的放射区、纤维区和剪切唇区,高温下 仅存在纤维区和剪切唇区。

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