溫度對汽輪機轉(zhuǎn)子用2CrMo合金鋼高周疲勞性能的影響

高倩倩，胡本潤，左 強

(北京航空材料研究院，航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095)

0 引 言

汽輪機轉(zhuǎn)子是決定汽輪機使用壽命的最關(guān)鍵部件，其工作環(huán)境非常復(fù)雜，經(jīng)常會在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的惡劣環(huán)境中工作，受力情況復(fù)雜，裂紋容易萌生，這對汽輪機轉(zhuǎn)子用材料的高溫性能提出了較高要求。在高溫循環(huán)載荷作用下，汽輪機轉(zhuǎn)子若發(fā)生高周疲勞斷裂會造成嚴重后果。目前，國內(nèi)外已發(fā)生多起因高溫循環(huán)載荷作用而引起的汽輪機斷軸事故，并造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此，研究溫度對轉(zhuǎn)子疲勞壽命的影響具有重要意義，并可為轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計及安全評估提供基本的依據(jù)[1-11]。

合金鋼具有高的強度和韌性，導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性良好，廣泛應(yīng)用在航空發(fā)動機、汽車發(fā)動機、燃氣輪機等方面，目前大量的汽輪機轉(zhuǎn)子疲勞試驗研究基本集中在傳統(tǒng)合金鋼如20Mn、15Cr等方面。但是由于傳統(tǒng)合金鋼具有焊接難度大、需要加工才能達到工藝性能等缺點，因此國內(nèi)有些公司引進了國外新研制的汽輪機轉(zhuǎn)子用2CrMo合金鋼，而目前未見有關(guān)該合金鋼疲勞性能的研究報道。作者對該進口合金鋼在室溫和高溫(450，500，566 ℃)下進行了高周疲勞試驗，得到了高周疲勞應(yīng)力-壽命(S-N)曲線、中值壽命曲面等，分析了溫度對該合金鋼高周疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為進口退火態(tài)2CrMo合金鋼。在試驗鋼上加工出如圖1(a)所示的拉伸試樣，分別按照GB/T 228.1—2010、GB/T 228.2—2010，分別在Instron5887型和Instron4507型電子萬能試驗機上進行室溫和高溫(450，500，566 ℃)拉伸試驗，在拉伸試驗過程中屈服前采用恒定應(yīng)變速率(0.005 min-1)控制，屈服后采用恒位移速率(5 mm·min-1)控制，在試驗過程中實時記錄載荷、應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)。在試驗鋼上截取加工出如圖1(b)所示的高周疲勞試樣，按照GB/T 3075—2008，在電磁諧振式高頻疲勞試驗機上進行高周疲勞試驗，應(yīng)力比為-1，-0.3，0.5，0.8，應(yīng)力集中系數(shù)為1，高頻疲勞試驗頻率在70～160 Hz之間，采用成組法測定5個或5個以上應(yīng)力水平下的疲勞壽命，并采用升降法測出疲勞壽命為107周次的疲勞強度。利用Quanta 600型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

由圖2和表1可以看出，隨著試驗溫度的升高，試驗鋼的強度和彈性模量均下降。試驗溫度的升高使得拉伸過程中柯氏氣團對位錯的釘扎作用降低，位錯運動增強，變形抗力減小[12]，宏觀上表現(xiàn)為材料的屈服強度和抗拉強度降低，由于強度降低，導(dǎo)致彈性模量隨之降低。

圖2 不同溫度下試驗鋼的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Engineering stress-strain curves of test steel at different temperatures

表1 不同溫度下試驗鋼的拉伸性能

2.2 高周疲勞性能

采用三參數(shù)非線性模型擬合S-N曲線，具體公式為

lgN=A1+A2lg(σmax-A3)

(1)

式中：A1，A2，A3均為材料在一定應(yīng)力集中系數(shù)和一定應(yīng)力水平下的常數(shù)；σmax為最大應(yīng)力；N為循環(huán)次數(shù)，擬合方程的有效循環(huán)次數(shù)范圍為成組法最短中值壽命到高周疲勞極限之間的循環(huán)次數(shù)。

對于多應(yīng)力比下的高周疲勞數(shù)據(jù)，采用中值曲面進行擬合可以更加綜合、立體地研究溫度對高周疲勞性能的影響。由等壽曲線推導(dǎo)得到中值曲面方程，常見的等壽曲線模型有Gerber拋物線型、Goodman直線型、Soderbery直線型、Basic 4次方型4種形式，由于這4種等壽曲線的方程形式類似[13]，得到廣義等壽曲線方程：

(2)

式中：Sa為應(yīng)力幅;Sm為平均應(yīng)力；S-1為應(yīng)力比為-1時的疲勞極限；m1為材料參數(shù)。

通過推導(dǎo)得到m1的估計值表達式，然后代入式(1)中，取對數(shù)得到廣義中值曲面N的表達式為

(3)

式中：σb為抗拉強度；S0為疲勞極限；m和a均為擬合參數(shù)。

由圖3可知，在不同應(yīng)力比下，隨著試驗溫度的升高，試驗鋼的高周疲勞壽命降低，這與郭偉彬等[14]的研究結(jié)果一致，這是因為高溫加速了疲勞源的形成及疲勞裂紋擴展速率，使疲勞壽命降低[15]。此外，由溫度帶來的氧化程度增加和材料劣化程度增大也會導(dǎo)致材料的疲勞壽命降低。在較高應(yīng)力比(0.5，0.8)下，高周疲勞壽命受應(yīng)力水平影響較大，很小的應(yīng)力水平變化會引起較大的壽命波動。由圖4可以看出：試驗鋼在室溫下的疲勞壽命遠高于500 ℃，這與S-N曲線得出的規(guī)律一致。

圖3 不同應(yīng)力比和溫度下試驗鋼的高周疲勞S-N曲線Fig.3 High-cycle fatigue S-N curves of test steel at different stress ratio and temperatures

圖4 室溫和500 ℃下試驗鋼的中值壽命曲面Fig.4 Curved surface of median life for test steel at room temperatures and 500 ℃

2.3 疲勞斷口形貌

由于在應(yīng)力比為-1及不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口形貌和應(yīng)力比為-0.3下的相似，因此以應(yīng)力比-0.3為例，對其斷口形貌進行觀察。由圖5可以看出，在應(yīng)力比為-0.3條件下，試驗鋼在室溫和450 ℃時的高周疲勞斷口為典型的軸向承載高周疲勞斷口，由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。在疲勞源區(qū)存在較平坦區(qū)域，說明疲勞裂紋是沿著一定晶體學(xué)平面以穿晶方式萌生的。斷口存在明顯的疲勞條紋，且條紋與疲勞裂紋擴展方向大致垂直，說明試驗鋼中裂紋發(fā)生了穿晶擴展[16]。室溫斷口只有一個主要的疲勞源，而在450 ℃時疲勞源呈現(xiàn)多源特點，這與高溫下的氧化作用使得表面弱化有關(guān)，較小的微觀缺陷也能誘發(fā)疲勞源萌生，因此在高溫下疲勞源更容易萌生，這也驗證了高溫下高周疲勞壽命較低的結(jié)論。

圖5 在應(yīng)力比為-0.3及不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of high-cycle fatigue fracture of test steel at different temperatures and stress ratio of -0.3: (a)at room temperature

由于在應(yīng)力比為0.5及不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口形貌與應(yīng)力比為0.8下的相似，因此以應(yīng)力比0.5為例，對其斷口形貌進行觀察。由圖6可以看出：在應(yīng)力比為0.5時，高周疲勞試驗近似靜力拉伸試驗，因此不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口均呈現(xiàn)拉伸斷口特征；室溫下高周疲勞斷口存在明顯的放射區(qū)、纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，而高溫下高周疲勞斷口只有纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，說明高溫下試驗鋼的塑性較強，試樣在斷裂前可以承受較大的塑性變形，未經(jīng)快速擴展階段即發(fā)生了斷裂。

圖6 在應(yīng)力比為0.5及不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of high-cycle fatigue fracture of test steel at different temperatures and stress ratio of 0.5: (a) at room temperature

3 結(jié) 論

(1) 隨著試驗溫度的升高，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度和彈性模量均下降。在不同應(yīng)力比下，隨著試驗溫度的升高，試驗鋼的高周疲勞壽命均降低，高應(yīng)力比(0.5，0.8)下高周疲勞壽命受應(yīng)力水平的影響較大。

(2) 低應(yīng)力比(-1,-0.3)下試驗鋼的高周疲勞斷口為典型的軸向承載高周疲勞斷口，由疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)組成，在高溫時疲勞源呈多源特點，室溫時為單一裂紋源；高應(yīng)力比(0.5，0.8)下高周疲勞斷口呈現(xiàn)拉伸斷口特征，室溫下斷口中存在明顯的放射區(qū)、纖維區(qū)和剪切唇區(qū)，高溫下僅存在纖維區(qū)和剪切唇區(qū)。