600 MPa級磁軛用鋼循環載荷下的溫度變化與疲勞極限評定

王世海 付培茂 曹永錄 薛永平 王樹邦 王卓然 王文先 閆志峰

(1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術中心，山西 太原 030003； 2.太原理工大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030024)

磁軛是連接轉子體軸與磁極的連接體，是水輪機機組轉子結構中的關鍵部件[1]，用多片磁軛鋼板疊裝而成。為保證水輪機機組的平衡與穩定，要求磁軛鋼板具有較高的表面質量和裝配精度。隨著百萬千瓦級水電機組的成功研發，對磁軛鋼板的強度要求也更為嚴格[2- 3]。

600 MPa級磁軛用鋼屬于低碳微合金鋼，具有較高的靜載強度和斷裂韌性，目前應用較為廣泛。但磁軛在使用中承受循環載荷的作用，因此研究其循環斷裂行為和疲勞極限的評定具有重要意義[4- 5]。

常規疲勞極限測試存在試樣多、試驗周期長等缺點。基于能量轉化理論，材料在循環變形過程中表面溫度會發生規律性變化，故可以利用溫度的變化預測材料的疲勞極限。紅外熱像法是通過測量材料發生位錯滑移等變化引起的能量變化來反映材料表面溫度場的差異。相比于傳統測試方法，紅外熱像法具有試樣少、耗時少、測試精確等優點[6- 10]。

本文采用紅外熱像法分析材料疲勞過程中的溫度變化、斷裂以及在疲勞過程中的循環變形行為，對載荷與溫度穩定值進行線性擬合，評定600 MPa級磁軛用鋼的疲勞極限。

1 試驗材料及方法

研究用材料為4 mm厚的600 MPa級磁軛用鋼板，其化學成分如表1所示。

表1 研究用600 MPa級磁軛用鋼的化學成分(質量分數)

參照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》制備拉伸試樣，其尺寸如圖1所示，拉伸試驗的加載速率為1 mm/min。

圖1 拉伸試樣的尺寸

疲勞試驗在SDS- 100電液伺服疲勞試驗機上進行，參照GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》加工試樣，表面粗糙度小于0.2 μm，其尺寸如圖2所示。拉伸和疲勞試驗過程中采用VarioCAM?hr紅外熱像儀測定材料表面溫度。為提高試樣表面的發射率，確保溫度數據的準確穩定，在試樣表面涂一層黑色啞光漆。疲勞試驗在室溫下進行，試驗應力比為-1，加載頻率為20 Hz。疲勞試驗機與紅外熱像儀如圖3所示。

圖2 疲勞試驗試樣的尺寸

圖3 SDS- 100電液伺服疲勞試驗機(a)和VarioCAM?hr紅外熱像儀(b)

2 結果與分析

2.1 拉伸試驗結果

2.1.1 基于應力- 應變曲線的拉伸性能評定

600 MPa級磁軛用鋼的拉伸應力- 應變曲線如圖4所示，拉伸性能如表2所示。從拉伸應力- 應變曲線可以看出，試驗結果的重復性較好，鋼的平均抗拉強度為726 MPa，平均屈服強度為659 MPa。

圖4 600 MPa級磁軛用鋼的拉伸曲線

表2 600 MPa級磁軛用鋼的拉伸性能

2.1.2 基于溫度- 應力- 應變的拉伸性能評定

拉伸過程中600 MPa級磁軛用鋼的應力- 應變曲線與試樣表面溫度變化之間的關系如圖5所示，拉伸變形主要包括彈性變形、 彈塑性變形及塑性變形3個階段。與應力- 應變曲線相對應，溫度變化可分為彈性下降階段、塑性上升階段、斷裂時的溫度驟升階段以及試樣斷后的溫度下降階段。

圖5 600 MPa級磁軛用鋼的拉伸曲線和溫度變化

材料拉伸初期的溫度下降階段可用熱彈性效應進行分析，其本構關系為[11- 13]：

(1)

基于應力- 應變- 溫度方程之間的關系，控制方程由方程中的熱傳導部分給出：

(2)

式中：T為絕對溫度;α為線膨脹系數;Cε為恒應變比熱容;ρ為材料密度;σij為應力變化的張量;Q為熱輸入;εij為應變變化的張量。

恒壓比熱容和恒應變比熱容之間的換算關系為：

(3)

拉伸過程屬于單軸受載，式(3)可簡化為：

(4)

隨著拉伸過程的持續進行，材料迅速進入塑性變形階段。由于材料的加載速率不變，塑性變形量呈線性增大。由于熱塑性效應，溫度也呈線性升高[12]。溫度從下降到上升的轉折點B′與材料拉伸過程中的屈服點B相對應，即材料拉伸過程中由彈性變形階段進入塑性變形階段是一個溫度下降再上升的過程。隨著應變的持續增大，材料出現頸縮。表3為各變形階段試樣表面的溫度，可以看出，頸縮處的溫度高于其他部位，斷裂前材料頸縮處溫度仍不斷升高，直至斷裂。加載至D點時試樣處于斷后冷卻階段，溫度逐漸下降至室溫。

表3 拉伸試驗過程中試樣表面溫度的變化

2.2 疲勞試驗結果

2.2.1 基于S-N曲線的疲勞極限評定

疲勞試驗的應力幅值分別為225、270、300、320、340、350和390 MPa。應力幅值與循環次數的對應關系如表4所示。采用最小二乘法擬合的600 MPa級磁軛用鋼在失效概率水平(P)為50%、置信度為95%時的S-N曲線如圖6所示。擬合的S-N曲線的直線方程為lgσa=-0.09lgN+3.03。測得107循環次數下的疲勞極限為270 MPa。

表4 疲勞試驗過程中應力幅值與其對應的循環次數

圖6 600 MPa級磁軛用鋼的S- N曲線

2.2.2 疲勞過程中的變形行為

疲勞試驗時采用紅外熱像儀測定試樣疲勞過程中的溫度變化。在350 MPa應力幅值條件下進行疲勞試驗時試樣表面溫度的變化如圖7所示。圖7表明，溫度變化可分為初始溫升、溫度平衡、斷裂溫度陡升和斷后冷卻4個階段。

圖7 600 MPa級磁軛用鋼以350 MPa的載荷疲勞試驗過程中的溫度變化

在初始溫升階段，試樣產生局部塑性變形并釋放能量， 且大部分能量以熱能的形式釋放。加載初期塑性變形產生的能量大于散熱量，溫度顯著升高；在溫度平衡階段，由于加工硬化，循環應力和應變趨于穩定。同時，在循環載荷下，由于外加載荷產生的熱量與散失的熱量平衡，導致試樣表面溫度趨于穩定；在接近最終疲勞斷裂時試樣的溫度突然升高。溫升速率ΔT與材料疲勞壽命之間的關系為[14- 16]：

(5)

式中：t為循環時間，Nf為失效循環次數，C′、G、b′為與材料性能和試驗環境有關的系數。

以350 MPa的載荷疲勞試驗過程中600 MPa級磁軛用鋼的循環應力- 應變曲線如圖8(a)所示。雖然載荷低于鋼的屈服強度，但隨著循環周次的增加，循環應變向右偏移。圖8(b)中數據點為350 MPa載荷下循環應變的最大位移值，根據數據點進行線性擬合，得出藍色3段線。可見，在20 000個循環周次內，材料發生顯著塑性變形，曲線快速上升，與圖7初始循環過程中溫度線性上升的規律相對應。隨著循環次數的增加，因加工硬化，只產生微小的塑性變形，曲線趨于平緩；在最后幾個循環過程中，材料處于失穩狀態，變形快速增大，試樣的表面溫度也如圖7所示的快速升高。

圖8 以350 MPa的載荷疲勞試驗時600 MPa級磁軛用鋼的循環應力- 應變曲線(a)和循環次數- 應變曲線(b)

2.2.3 基于溫度變化的600 MPa級磁軛用鋼疲勞極限評定

以不同載荷疲勞試驗過程中試樣的溫度變化如圖9(a)所示，不同應力幅下材料的溫度變化趨勢基本相同。當施加的載荷較大時，隨著載荷的增大，試樣的溫升也增大。施加的載荷較小時，溫度平穩階段的時間幾乎為疲勞壽命的90%。以不同載荷疲勞試驗過程中試樣溫度達到穩定階段的溫升值如表5所示。在低應力狀態下，溫度升高的速率較小。當應力幅較大時，試樣溫升值也增大。分別在低應力和高應力下對應力幅值與溫升值進行線性擬合，結果如圖9(b)所示。兩直線的交點即為600 MPa級磁軛用鋼產生明顯塑性變形的拐點。

圖9 以175～390 MPa載荷疲勞試驗過程中試樣的溫升(a)和溫升隨疲勞應力的變化(b)

表5 以不同載荷疲勞試驗過程中溫度穩定時試樣的表面溫升

金屬材料疲勞斷裂過程主要包括裂紋萌生、擴展、斷裂3個階段。裂紋萌生與材料不可逆變形有關。因此，圖9(b)中的拐點與循環載荷下的裂紋萌生有關，為材料的疲勞極限。根據溫度- 應力曲線測定的疲勞極限為277 MPa，與根據圖6所示的S-N曲線測定的疲勞極限270 MPa相比僅相差2.5%。

3 結論

(1)600 MPa級磁軛用鋼疲勞試驗過程中的溫度變化可分為初始溫升、溫度平衡、斷裂溫度陡升及斷后冷卻4階段，采用紅外熱像儀可對材料的疲勞過程進行動態監測。

(2)600 MPa級磁軛用鋼疲勞過程中的循環變形過程可分為循環變形量增大、加工硬化導致的變形穩定及變形量陡增3個階段，與疲勞過程中的溫度變化過程相對應。

(3)采用傳統試驗方法評定的600 MPa級磁軛用鋼的疲勞極限為270 MPa，采用紅外熱像法測定的600 MPa級磁軛用鋼的疲勞極限為277 MPa，兩者相差2.5%，說明采用紅外熱像法測定600 MPa級磁軛用鋼的疲勞性能是可行的。