高溫復雜疲勞工況下10%Cr鋼壽命特性

崔 璐， 康文泉， 吳 鵬， 羅 浩， 魏文瀾， 李 臻

(西安石油大學機械工程學院， 西安 710065)

高溫設備在運行時都承受著復雜循環載荷,如低周疲勞(low cycle fatigue, LCF)、高周疲勞(high cycle fatigue, HCF)以及高低周復合疲勞(combined cycle fatigue, CCF)[1-9]。作為超超臨界汽輪機組的關鍵大型部件,例如汽輪機轉子在高溫運行過程中除了承受引起蠕變損傷的蒸汽壓力、離心力等載荷外,還有機組啟停過程中溫度或大幅度負荷變化引起的低周疲勞載荷[10-11],以及由例如自重、慣性等引起的高頻振動載荷[2,12-13]。幾種載荷相互疊加交互會引起汽輪機轉子表面開裂,機組的壽命會大幅下降。在傳統的壽命設計中,通常將由溫度場引起的低周疲勞損傷和由振動等因素引起的高周疲勞損傷分別考慮。雖然相對于溫差引起的大幅值低周疲勞載荷,高頻振動的載荷幅值很低并且可控,然而當高頻振動與低周疲勞載荷交互時,材料壽命會大幅降低[1-6]。因此,對高低周復合載荷下材料疲勞損傷特性研究,可以為發揮設備零部件最大潛能或者避免設計余量不足而帶來的極大不安全隱患提供理論依據。為了準確描述和預測高溫部件復雜蠕變疲勞交互作用下的壽命問題,復合高頻振動載荷成為繼恒溫低周疲勞、變溫低周疲勞(thermomechanical fatigue, TMF)等研究之后的下一個熱點研究方向[2]。近年來,對高低周復合疲勞載荷下的疲勞損傷研究有了很大進展,研究問題主要集中在高低周復合載荷下的疲勞性能[7,12]、高低周復合載荷下的裂紋擴展和裂紋萌生[2,14]、高周疲勞載荷下的裂紋擴展門檻值[2]、高低周復合疲勞壽命估算和微動磨損等[2-7]，以及高周疲勞載荷頻率、應變幅、平均應力[15-16]和熱機疲勞的溫度對壽命產生的影響等方面[1]。

目前對于高低周復合載荷下材料壽命模型的研究主要是基于裂紋擴展機理模型和累積損傷模型。Schweizer等[2]、Metzger等[3]提出了一種基于裂紋擴展機理的模型,對常用于高溫設備的10%Cr鋼和用于內燃機氣缸蓋的3種鑄鐵材料進行了壽命預測,并與實驗結果進行了對比,指出HCF與LCF的交互作用加速了裂紋擴展速率,降低了構件的疲勞壽命；因此,它可以很好地預測材料的疲勞壽命,且預測結果與實驗結果吻合度較好。William等[17]提出了一種概率模型,用來預測帶缺口部件的高周疲勞裂紋萌生和裂紋擴展。Norman等[18]提出了一種冪律法則模型來描述高周疲勞載荷對構件壽命的影響,此模型認為疲勞微裂紋的擴展取決于裂紋尖端張開位移水平。Stanzl-Tschegg等[19]使用疊加在LCF上的HCF進行了變幅疲勞測試,實驗結果表明,疊加變幅載荷下的疲勞壽命比在定幅載荷下短得多。通過表征高周應力幅值和低周應力幅值對復合疲勞損傷的影響,Zheng等[6]發現高低周疲勞載荷的交互作用會對構件造成一種額外的損傷,為此提出了基于指數衰減定律的高低周復合疲勞交互壽命預測模型,此模型應用指數規律來近似描述疲勞交互損傷的演化,考慮了高低周疲勞載荷的交互作用,可以較好地評估這種交互作用造成的壽命失效問題。趙振華等[13]對鈦合金TC11試件進行了低周、高周和高低周復合疲勞實驗,提出了線性和非線性損傷累積模型。通過對比兩種模型的估算結果與實驗結果,發現考慮了高低周復合疲勞循環比和應力(應變)幅比的非線性模型的估算精度較好,誤差分布均勻,與實驗值吻合較好。章勝等[20]以Goodman直線模型構造考慮了結構應力集中和材料分散性后的最差件等壽命曲線,將循環應力等效成當量穩態應力,從而建立了相應的高低周復合疲勞壽命分析方法。石欣桐等[21]基于多機制損傷耦合模型,以LY12CZ為研究材料,建立了高低周復合疲勞金屬疲勞壽命預估模型,其預測結果較為準確。郭學東等[22]對不同溫度、不同應力比下瀝青混合料疲勞壽命展開研究,結果表明,溫度相同時,應力比的增大使瀝青路面疲勞壽命變短,且裂紋擴展壽命占疲勞全壽命的百分比和溫度呈指數關系。

可以看到,近幾年來,對于高低周復合問題的研究是疲勞領域的重點。在當前的疲勞壽命預測方法中,對由HCF/LCF交替變化導致的交互作用引起的損傷考慮較少,且對于應變比與壽命間的關系研究較少。由于載荷間相互作用會對復合疲勞壽命產生重大影響,在此基礎上,以超超臨界火力發電廠汽輪機用新型馬氏體轉子鋼的典型代表10Cr-1Mo-1V(10%Cr鋼)為研究對象,分別通過實驗分析高周、低周和高低周復合疲勞特性,提出了一種高低周復合疲勞壽命預測模型,考慮了交互作用對高低周復合疲勞壽命的影響。

1 實驗材料及方案

實驗包括低周疲勞實驗、高周疲勞實驗及高低周復合疲勞實驗。其中,低周疲勞實驗用于分析低周疲勞分量對疲勞壽命產生的影響,高周疲勞實驗用于分析高周疲勞分量對疲勞壽命產生的影響,材料在高低周復合疲勞載荷下的實驗用于分析高低周復合疲勞交互作用對壽命產生的影響。

1.1 實驗材料

材料選用9%～12%Cr現代鐵素體-馬氏體耐熱鋼的典型代表10%Cr鋼,由歐盟COST項目研發,主要應用于服役工況高達600 ℃/300 bar(1 bar=100 kPa)的先進汽輪機轉子。其化學成分和力學性能分別如表1和表2所示,熱處理工藝為奧氏體化1 050 ℃/7 h/油冷+570 ℃/10.25 h/空冷+690 ℃/10 h/爐冷。

表2 10%Cr鋼的力學性能Table 2 Mechanical properties of 10%Cr

1.2 實驗方案

實驗主要分為三大類型:高溫低周疲勞實驗、高溫高周疲勞實驗以及高溫高低周復合疲勞實驗。低周疲勞實驗和高低周疲勞實驗采用應變控制形式,低周疲勞實驗溫度分別為600、550、500、450、300 ℃,高低周復合疲勞實驗溫度分別為600、550、400 ℃。高周疲勞實驗采用應力控制形式,分別在300 ℃和600 ℃下進行。載荷譜采用正弦波型,頻率為40 Hz。實驗進行到試樣斷裂時結束,斷裂時的循環數為試樣疲勞壽命。采用螺紋連接型圓棒形試樣,實驗的過程依據ISO12106[23]標準完成。

2 實驗結果與分析

2.1 低周疲勞實驗

圖1所示為不同溫度下的低周疲勞壽命曲線,可以看出,在相同的溫度下,試樣的疲勞壽命隨應變幅的增大而降低。在相同的應變幅下,疲勞壽命隨溫度的升高而降低,且當溫度超過500 ℃時,疲勞壽命降幅較快,如果機械載荷加載過程中也伴隨有溫度的交變,其壽命會比最惡劣工況(最高溫度工況)大幅度降低。

圖1 不同溫度下的低周疲勞壽命曲線Fig.1 LCF life at different temperatures

2.2 高周疲勞實驗

高周疲勞實驗分別在300 ℃和600 ℃下進行,該溫度是先進汽輪機組的冷啟動溫度和穩定運行溫度。實驗結果如圖2所示,高周疲勞循環數隨載荷應力幅的增大而減小,隨溫度的增高而降低。圖2中箭頭表示實驗正在進行中,帶有臺階型箭頭表示實驗進行到一定循環后還未出現裂紋,載荷提升10%后繼續進行。另外,開展高溫高頻疲勞實驗,除了可以表征熱力設備材料的高周疲勞特性,還可以用于圖1中所示的輔助低周疲勞特性曲線向低載荷區域外推研究[24]。

圖2 不同溫度下的高周疲勞壽命曲線Fig.2 HCF life at different temperatures

圖3所示為疊加50 Hz頻率高頻振動載荷的高低周復合疲勞壽命特征曲線[2],其中縱坐標表示的為載荷譜中低周應變幅。在完全相同的高低周復合載荷譜下,疲勞壽命隨溫度的升高而降低。如果所疊加的高頻振幅的載荷相同,疲勞壽命隨著低周振幅的升高而增大[圖3(a)]。相對于純低周疲勞,即使所疊加的高頻振動振幅很小,疲勞壽命也會大幅縮短,且壽命縮短可高達100倍[圖3(b)]。兩種情況下的復合疲勞壽命都小于相應的純高周、純低周疲勞振幅時的低周疲勞壽命。與此同時,如果在相同的低周振幅下,疲勞壽命隨所疊加的高頻振幅的增大而縮短。由此可見,在低周載荷上所疊加的高頻振幅與低周應變幅之比,即相對應變幅ΔεHCF/ΔεLCF,與相應低周疲勞壽命的縮短量成反比關系。

圖3 高低周復合疲勞與高周、低周疲勞對比Fig.3 Comparison of CCF with HCF and LCF

2.3 高低周復合疲勞及其壽命模型

相較于大幅值高溫低周疲勞載荷,高頻振動的載荷幅值相對較低且可控,因此一般在先進機組高溫部件壽命設計和可靠性評估中,通常以加大安全系數的方法估算高頻振動引起的部件損傷。然而,高頻振動與熱機疲勞、低周疲勞等復合交互作用不容忽視,且機組的壽命會因此大幅下降。考慮到疊加的高周疲勞載荷會降低材料的疲勞壽命,即高低周復合疲勞壽命小于純低周載荷下的壽命,則這兩種工況下的壽命比NHCF/LCF/NLCF∈(0,1)。另外,由于所疊加高頻振動的頻率對其復合壽命的影響可以忽略[1],因此高周頻率也不會影響到復合壽命與低周壽命之間的比值(NHCF/LCF/NLCF),而高周疲勞應變幅大小是決定高低周復合疲勞壽命減少程度的重要因素,為此做了600 ℃下應變幅比(ΔεHCF/ΔεLCF)-壽命比(NHCF/LCF/NLCF)曲線[2],如圖4所示。在雙對數坐標下,其規律如散點圖所示,對其進行非線性擬合后,發現兩者呈冪函數關系[y=a(1-x-b),a=-1.039 58,b=-0.119 75],擬合相似度為0.977 7。此外,500、400 ℃、室溫下的實驗所得結果,均集中在600 ℃數據擬合曲線附近。

圖4 高低周復合疲勞實驗下的應變幅比-壽命比曲線Fig.4 Strain amplitude ratio-life ratio under CCF experiment

根據應變幅比與壽命比有：

(1)

式(1)中：NHCF/LCF為高低周復合疲勞壽命，周；NLCF為低周疲勞壽命,周,可由高低周復合疲勞實驗對應的低周疲勞實驗求得；ΔεLCF和ΔεHCF分別為施加在高低周復合疲勞載荷譜上的低周、高周疲勞載荷應變幅,%；a、b與材料及工況有關。

從圖4中可以看出,在相同的低周疲勞載荷振幅下,疊加的高周疲勞載荷振幅越大,材料的壽命越短(ΔεHCF/ΔεLCF=0.15/0.8時的壽命小于ΔεHCF/ΔεLCF=0.1/0.8時的壽命)。同樣,高周疲勞載荷振幅相同時,低周疲勞振幅越小,疲勞壽命越小(ΔεHCF/ΔεLCF= 0.1/0.8時的壽命小于ΔεHCF/ΔεLCF=0.1/1時的壽命)。即高周振幅占的相對比例越大,疲勞壽命減小的幅度越大；比值ΔεHCF/ΔεLCF越小,壽命越長。當高周振幅達到或超過門檻值時,隨高周振幅的增大,疲勞壽命降低[1]。將此規律延伸，即高周振幅與低周振幅應變幅比ΔεHCF/ΔεLCF存在門檻值,達到或超過該門檻值,才使得高低周復合疲勞壽命大幅度減小。

利用以上的分析模型可以對高低周復合疲勞壽命進行初步估算,借助此方法,可以直接根據高低周復合疲勞應變幅的比值和壽命之間的關系對復合疲勞壽命進行預測。這種直接通過實驗條件求出材料疲勞壽命的方法計算簡便、方法直接,同時高周疲勞與低周疲勞的應變幅比(ΔεHCF/ΔεLCF)反映了高低周疲勞的交互作用。

由于材料和工況不同,計算式中系數a、b呈現差異。擬合相似度越高,a、b越小,精度越高。將式(1)轉化為式(2)的形式,即可求得高低周復合疲勞壽命。當低周疲勞應變幅恒定時,對應的純低周疲勞壽命NLCF為固定值；此時,隨高周疲勞應變幅的增大,高低周復合疲勞壽命NHCF/LCF減小。當低周應變幅恒定時,高周應變幅發生變化,擬合相似度較高；同樣,高周應變幅恒定,低周應變幅發生變化,擬合相似度較高。說明高周疲勞、低周疲勞應變幅交替發生變化時,擬合精度更高,而自變量以此形式發生變化正好符合實際工況。

(2)

3 結論

(1)溫度恒定,加載不同應變幅值時,試樣的低周疲勞壽命隨應變幅值的增大而減小；應變幅恒定時,溫度越高,試樣的低周疲勞壽命越小。同樣,高周疲勞壽命隨應力幅的增大而減小,隨溫度的升高而減小。

(2)在相同的低周疲勞載荷振幅下,疊加的高周疲勞載荷振幅越大,材料的復合疲勞壽命越短；高周疲勞載荷振幅相同時,低周疲勞振幅越小,復合疲勞壽命越短；高周振幅占的相對比例越大,復合疲勞壽命減小的幅度越大；應變幅比(ΔεHCF/ΔεLCF)越小,相應的壽命越長。

(3)在雙對數坐標中,高低周復合疲勞載荷下,應變幅比(ΔεHCF/ΔεLCF)與壽命比(NHCF/LCF/NLCF)兩者呈冪函數關系[y=a(1-x-b)],高低周復合疲勞壽命模型通過高周疲勞和低周疲勞應變幅的交替變化來反映高低周復合疲勞交互作用,進而對壽命產生影響。通過應用此模型,可由已知點推測其他應變幅值下的壽命比,將曲線進行延伸,從而獲得整個壽命區間的數據。