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.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]認為氧可降低表面能,降低孔洞形核的臨界應(yīng)力,促進孔洞的形成,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-疲勞試驗機上進行,試驗機上高溫爐充入氬氣進行保護,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進行加工,制備標準緊靠拉伸試樣.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行,預(yù)制疲勞裂紋長2mm,在540℃和650℃下分別進行疲勞或蠕變-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[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了裂紋擴展.

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