高溫氧化對30Cr1M o1V鋼蠕變-疲勞裂紋擴展速率的影響

任延杰, 陳 薦, 何建軍, 邱 偉, 陳建林, 周鵬展

(長沙理工大學(xué) 能源高效清潔利用湖南省普通高等學(xué)校重點實驗室,長沙 410076)

裂紋擴展速率是高溫結(jié)構(gòu)部件損傷容量設(shè)計和 壽命預(yù)測的重要指標(biāo).影響裂紋擴展速率的因素很多,如溫度、環(huán)境、加載頻率、保載時間、材料的晶界及晶粒尺寸等,其中環(huán)境對裂紋擴展的影響較復(fù)雜.在高溫下,金屬不可避免地受到高溫氧化作用,一些研究結(jié)果表明:氧化是高溫下影響金屬疲勞裂紋擴展的一個主要因素[1].有關(guān)氧化作用對裂紋擴展速率影響的研究較多[2-4].J.P.Pedron[2]等認(rèn)為,對于鎳基合金,氧可加速空洞的形核和長大,提高了蠕變速率;C.F.Miller[3]和M.Guo[4]認(rèn)為氧可降低表面能,降低孔洞形核的臨界應(yīng)力,促進(jìn)孔洞的形成,且可使疲勞裂紋的斷裂擴展方式由穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔?盡管目前的研究大多認(rèn)為高溫下氧化作用不可避免地加劇了疲勞裂紋擴展的速度,但也有研究人員提出:氧化作用可增大裂紋尖端的半徑,使裂紋尖端鈍化.另外,在較低的應(yīng)力強度因子區(qū),氧化物可使裂紋閉合,因而縮小了有效應(yīng)力強度因子范圍,并阻止了裂紋開裂[5].

目前,關(guān)于高溫氧化對低周疲勞裂紋擴展速率影響的研究大多針對IN718等鎳基高溫合金.一般,由于30Cr1M o1V鋼具有較好的抗腐蝕和力學(xué)性能,常用于汽輪機葉片材料,其工作溫度為400～600℃,由于應(yīng)力作用下的頻繁起停,轉(zhuǎn)子鋼不可避免地遭受疲勞-蠕變損傷.毛雪平等[6]對30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鋼的高溫低周疲勞特性進(jìn)行過相應(yīng)的研究,但目前關(guān)于高溫氧化對30Cr1M o1V鋼高溫低周疲勞裂紋擴展影響的研究卻鮮見報道.筆者研究了在空氣和惰性環(huán)境下,30Cr1M o1V鋼分別在540℃和650℃下的蠕變-疲勞裂紋擴展行為,并分析了氧化對其裂紋擴展速率的影響.

1 試驗

1.1 材料

試驗材料為30Cr1M o1V轉(zhuǎn)子鋼,熱處理工藝為:預(yù)備熱處理,1 010℃,空冷;720℃回火后爐冷;調(diào)質(zhì)熱處理,955℃鼓風(fēng)冷卻,680℃爐冷;去應(yīng)力退火,≥620℃爐冷.金相組織為回火貝氏體加鐵素體,30Cr1M o1V鋼的化學(xué)成分列于表1.

表1 30Cr1Mo1V鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chem ical composition of 30Cr1Mo1V steel%

在表1中,除列出的化學(xué)成分外,其余為Fe的含量.

1.2 試驗方法

試驗在長春試驗機研究所生產(chǎn)的RDL05電子蠕變-疲勞試驗機上進(jìn)行,試驗機上高溫爐充入氬氣進(jìn)行保護(hù),測量控制系統(tǒng)為德國DOLI公司生產(chǎn)的EDC222的數(shù)字控制器.試樣按 Standard ASTM E647進(jìn)行加工,制備標(biāo)準(zhǔn)緊靠拉伸試樣.疲勞試驗與蠕變疲勞試驗需預(yù)制疲勞裂紋.預(yù)制疲勞裂紋采用△K漸減方法在常溫條件下進(jìn)行,預(yù)制疲勞裂紋長2mm,在540℃和650℃下分別進(jìn)行疲勞或蠕變-疲勞試驗.加載波形為三角波或梯形波,梯形波在拉應(yīng)力最大值時分別引入保載時間60 s、360 s和1 200 s.裂紋擴展長度采用離位直讀法測量,試樣經(jīng)過一定循環(huán)周次后停止試驗,降溫后將醋酸纖維素薄膜粘貼在待測試樣表面,干后取下,在200MAT顯微鏡下對薄膜進(jìn)行裂紋長度測量.經(jīng)修正后得到裂紋長度和循環(huán)數(shù)的對應(yīng)值,采用七點遞增多項式方法進(jìn)行了計算,得出疲勞裂紋擴展速率d a/d N和裂紋長度的擬合值以及應(yīng)力強度因子幅△K.

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞裂紋擴展

圖1給出了在空氣和氬氣中,室溫、540℃和650℃下的疲勞裂紋擴展速率(FCGR).圖1中的加載頻率為20 Hz.由圖1可知:在540℃和650℃時的裂紋擴展速率明顯高于在室溫時的純疲勞裂紋擴展速率,且在高溫下空氣中的FCGR約是惰性氣體中的3倍,這主要歸因于裂紋尖端的表面吸附效應(yīng).在△K較低時,溫度由540℃升高到650℃,FCGR略有提高;當(dāng)△K較高時,在540℃和650℃下,FCGR的變化并不明顯.這一結(jié)果與報道中其他合金的試驗結(jié)果相吻合.

圖1 在空氣和氬氣中,室溫、540℃和650℃下疲勞裂紋擴展速率Fig.1 Crack grow th rate at RT,540℃and 650℃,in air and argon environment

圖2給出了在540℃下、空氣和氬氣中頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響.由圖2可知:在空氣和氬氣2種氣氛中,加載頻率較低時的裂紋擴展速率明顯高于加載頻率較高時.這一結(jié)果表明:在循環(huán)載荷作用下,蠕變損傷對疲勞裂紋擴展速率有一定的影響;在空氣中,低頻時的疲勞裂紋擴展速率最大.為研究高溫下蠕變對裂紋擴展速率的影響,筆者在三角波的最大值時引入了保載時間.圖3為540℃時保載時間對疲勞裂紋擴展速率的影響.從圖3可知:保載時間顯著地提高了疲勞裂紋擴展速率.

圖2 在540℃下,空氣和氬氣中頻率對疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.2 Effect of frequency on fatique crack grow th rate at 540℃in air or argon environment

圖3 540℃時保載時間對疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.3 Influence of holding time on crack g row th rate at 540℃

2.2 蠕變-疲勞裂紋擴展

為了研究蠕變與氧化因素對疲勞裂紋擴展速率的影響,筆者分析了不同保載時間作用下的蠕變-疲勞裂紋擴展速率.圖4為空氣中540℃時保載時間對蠕變-疲勞裂紋擴展速率的影響.圖5為氬氣中540℃時保載時間對蠕變-疲勞裂紋擴展速率的影響.引入保載時間后,空氣中的蠕變-疲勞裂紋擴展速率明顯高于惰性環(huán)境中.從圖4可知:在空氣中,當(dāng)保載時間小于60 s時,保載時間對CFCG的影響較小,表明此時CFCG與疲勞循環(huán)周次有關(guān).當(dāng)保載時間為360 s和1 200 s時,CFCG隨著保載時間的延長而增加,表明此時與時間因素相關(guān)的蠕變與氧化作用影響疲勞裂紋的擴展速率.這與文獻(xiàn)[7]中1Cr10Mo1W 1NiVNbN合金的蠕變-疲勞裂紋擴展行為的結(jié)果一致.R.P.Wei[8]對873～973 K鎳基合金在氬氣中的疲勞裂紋擴展速率的研究也得到類似的結(jié)果.D.G Prakash等[9]認(rèn)為,高溫下氧對裂紋的擴展有兩方面的影響:首先,氧的合金元素反應(yīng)促進(jìn)了孔洞的形成;另外,氧沿晶界的擴散可阻止空位的擴散,減少孔洞的形成.因此,當(dāng)保載時間為 60 s時,這兩個反應(yīng)過程存在競爭.當(dāng)保載時間延長時,氧沿晶界擴散并與合金元素發(fā)生反應(yīng)這一過程占優(yōu).因此,在蠕變-環(huán)境二者共同作用下,裂紋擴展速率迅速增大,可推斷保載時間可能存在一個臨界值.當(dāng)高于此臨界值時,CFCG與保載時間呈一定線性關(guān)系;當(dāng)?shù)陀诖伺R界值時,CFCG與保載時間無關(guān).關(guān)于這一推論還需通過試驗進(jìn)一步驗證.

由圖5可知:隨著保載時間的延長,疲勞裂紋擴展速率增大.此時,與時間相關(guān)的蠕變損傷對疲勞裂紋擴展速率有一定影響.

圖4 空氣中540℃時保載時間對蠕變-疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.4 Effect of holding time on CFCG rate at 540℃in air environment

圖5 氬氣中540℃時保載時間對蠕變-疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.5 E ffect of holding time on CFCG rate at 540℃in argon environment

圖6為空氣中540℃時一定K max值下不同保載時間對蠕變-疲勞裂紋擴展速率的影響.圖7為氬氣中540℃時一定K max值下不同保載時間對蠕變-疲勞擴展速率的影響.由圖6和圖7可知:在氬氣和空氣中,CFCG均與保載時間成一定比例,表明與時間相關(guān)因素對裂紋的擴展有較大的影響.其中,由于氧對裂紋擴展速率的影響,空氣中的CFCG明顯高于氬氣中.

圖6 空氣中540℃時一定K max值下不同保載時間對蠕變-疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.6 Effect of holding tim e on CFCG rate in air for a certain K max at 540℃

圖7 氬氣中540℃時一定K max值下不同保載時間對蠕變-疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.7 Effect of holding time on CFCG rate in argon for a certain K max at 540℃

3 結(jié) 論

(1)在加載頻率一定時,高溫下空氣中30Cr1Mov1V鋼的疲勞裂紋擴展速率明顯高于氬氣環(huán)境中.

(2)在空氣和氬氣2種環(huán)境中,在540℃和650℃下的疲勞裂紋擴展速率明顯高于室溫下,且在△K較低時,650℃時的疲勞裂紋擴展速率明顯高于540℃;在△K較高時,540℃和650℃2個溫度下的疲勞裂紋擴展速率相差不大;在540℃時,加載頻率降低,空氣和氬氣環(huán)境中的疲勞裂紋擴展速率均增大.

(3)當(dāng)在加載過程中引入保載時間時,空氣中的疲勞裂紋擴展速率明顯高于氬氣環(huán)境中.在氬氣中,隨著保載時間的延長,裂紋擴展速率增大,此時蠕變作用促進(jìn)裂紋的擴展;在空氣中,在不同的保載時間下,高溫氧化作用對裂紋擴展速率的影響不同.當(dāng)保載時間為60 s時,高溫氧化作用對裂紋擴展速率的影響不明顯,表明此時裂紋擴展速率與循環(huán)有關(guān);當(dāng)保載時間增加到360 s和1 200 s時,裂紋擴展速率隨時間延長呈線性增大,此時因高溫氧化及蠕變等時間相關(guān)因素的交互作用促進(jìn)了裂紋擴展.

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