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        預(yù)制裂紋長度對30Cr2Ni4MoV鋼斷裂韌性的影響

        2016-03-16 07:34:19王麗艷李明君
        大型鑄鍛件 2016年2期
        關(guān)鍵詞:韌度斷裂韌性前緣

        田 宇 王麗艷 李明君

        (哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江150046)

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        預(yù)制裂紋長度對30Cr2Ni4MoV鋼斷裂韌性的影響

        田宇王麗艷李明君

        (哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江150046)

        摘要:采用多試樣法對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料30Cr2Ni4MoV 鋼進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性試驗,擬合J-Δa 阻力曲線并計算J0.2BL,通過研究對比不同預(yù)制裂紋長度對試驗結(jié)果的影響,確定最適宜的預(yù)制裂紋長度。

        關(guān)鍵詞:30Cr2Ni4MoV鋼;轉(zhuǎn)子;準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度;J0.2BL;J-Δa阻力曲線

        汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子作為一種大型鍛件,在制造和加工過程中不可避免的存在各種缺陷,這些缺陷在交變應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生裂紋。斷裂韌性是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的重要指標(biāo),也是評價轉(zhuǎn)子能否安全運(yùn)行的重要參數(shù),因此準(zhǔn)確測量轉(zhuǎn)子材料的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度是十分必要的。

        本試驗按照GB/T 21143—2007《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》中的規(guī)定,通過30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼進(jìn)行多試樣法斷裂韌性試驗,考察不同預(yù)制裂紋長度對試驗結(jié)果的影響,并擬合J-Δa阻力曲線,計算斷裂韌度J0.2BL的值[1-2]。

        1試驗概況

        試驗用料取自轉(zhuǎn)子試料區(qū),30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

        表1 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表2 30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的力學(xué)性能

        試樣按標(biāo)準(zhǔn)加工為臺階型緊湊拉伸(LLCT)試樣,試樣如圖1所示。B=25 mm,W=50 mm,試樣中間臺階型缺口用0.15 mm 的銅絲以慢走絲加工,根據(jù)缺口尺寸不同共分為四組試樣,其缺口長度分別為21 mm、26 mm、28 mm和32 mm。

        2試驗設(shè)備及試驗參數(shù)

        試驗設(shè)備采用MTS 810電液伺服材料試驗系統(tǒng),引伸計為MTS632.02F—20型COD規(guī),試驗機(jī)和引伸計的精度均滿足GB/T 4161—2007的要求。試驗前預(yù)制裂紋,根據(jù)GB/T 21143—2007規(guī)定,對于緊湊拉伸試樣,在最后的1.3 mm或50% 的預(yù)裂紋擴(kuò)展量時的最大疲勞預(yù)制裂紋力應(yīng)取如下兩式的低值。

        圖1 臺階型緊湊拉伸試樣圖

        式中,ξ=1.6×10-4m1/2。

        計算得Ff1=38.54 kN,F(xiàn)f2=12.31 kN。取兩者較小值即12.31 kN,并推算出Kf=33.61 MPa·m1/2。因此選擇恒K法進(jìn)行預(yù)裂,Kf=18.5 MPa·m1/2,疲勞過程中應(yīng)力比R=0.1,所有試樣預(yù)制裂紋擴(kuò)展量為2 mm。經(jīng)過預(yù)制裂紋后四組試樣的預(yù)制裂紋長度a0分別為23 mm、28 mm、30 mm和34 mm。符合標(biāo)準(zhǔn)中a0/W在0.45~0.70之間的規(guī)定。

        3試驗過程

        3.1試驗加載

        試驗采用位移控制加載,速率為0.6 MPa·m1/2·s-1,對于多試樣法試驗,第一個試樣需要加載到剛剛超過最大試驗力值后卸載,其余的試樣加載依次遞減,試驗全程記錄載荷F與COD規(guī)張口位移V。圖2為不同預(yù)制裂紋長度的四組試樣F-V曲線??梢钥闯鏊臈l曲線的特征,初始段呈直線上升,當(dāng)V到達(dá)一定數(shù)值時載荷增加變緩,達(dá)到峰值。隨著預(yù)制裂紋長度的減小,其載荷逐漸上升,當(dāng)預(yù)制裂紋長度為23 mm,其直線段載荷接近100 kN,在試驗過程中銷子受到過大的剪切應(yīng)力而導(dǎo)致變形,同時引起試驗夾具和試驗件的變形。由于設(shè)備的最大載荷是100 kN,因此這個預(yù)裂長度的試樣無法進(jìn)行斷裂韌度試驗。

        3.2裂紋尖端著色與長度測量

        對于裂紋長度的測量,確定裂紋前緣的位置非常重要。GB/T 21143—2007提供了兩種裂紋擴(kuò)展前緣標(biāo)記的方法——著色與二次疲勞。著色一般采用加熱發(fā)藍(lán)的方法,但在打開裂紋時會出現(xiàn)著色裂紋面斷開的現(xiàn)象,給測量帶來不便。而二次疲勞裂紋前緣可以很好地保留,但對于Δα?0.3 mm的試樣,由于沒有色差測量存在一定困難。因此本實(shí)驗把兩種方法結(jié)合起來,選用400℃保溫60 min 后爐冷,裂紋著色,再在室溫下進(jìn)行二次疲勞后打開裂紋面。著色和二次疲勞后試樣斷面形貌如圖3所示??梢钥闯隽鸭y前緣被完整保存下來,預(yù)制裂紋區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)著色清晰,二次疲勞區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)分界明顯,便于測量。

        圖2 不同預(yù)制裂紋長度的四組試樣的F-V曲線

        圖3 著色和二次疲勞后試樣斷面形貌

        3.3斷裂韌度測定

        對于臺階型緊湊拉伸試樣,J計算公式為:

        式中Up——力與施力點(diǎn)位移曲線下的面積塑性分量;

        BN——兩側(cè)槽之間的試樣凈厚度;

        g2(a0/W)——緊湊拉伸試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)。

        經(jīng)過計算得到三條不同預(yù)制裂紋長度的J積分試驗結(jié)果,利用擬合公式:J=α+β(Δa)γ進(jìn)行曲線擬合,得到J-Δa阻力曲線,如圖4所示。其中,α、β≥0,0≤γ≤1。三條曲線中,預(yù)制裂紋長度為28 mm的曲線最高,其最大裂紋擴(kuò)展量Δa達(dá)到0.9 mm;預(yù)制裂紋長度為34 mm的曲線最低,其最大裂紋擴(kuò)展量Δa只有0.55 mm。這是由于預(yù)制裂紋越短,留下的韌帶(W-a0)越長,因此加載時裂紋前緣張口也就更大,導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展量Δa增大。

        過橫坐標(biāo)軸(0.2,0)點(diǎn)作斜率為3.75Rm的鈍化線與三條曲線分別相交,得到三組試驗J0.2BL的數(shù)值。J0.2BL(28 mm)=302.8 kJ/m2,J0.2BL(30mm)=285.3 kJ/m2,J0.2BL(34 mm)=266. 6kJ/m2。隨著預(yù)制裂紋長度增加,J0.2BL值略有下降。

        圖4 不同預(yù)裂長度的J-Δa阻力曲線

        3.4試驗結(jié)果有效性判定

        試驗完成后需要判定J-Δa阻力曲線的有效性,以下是判定依據(jù):

        (1)在0.1 mm 和0.3 mm 鈍化線偏置線之間至少有一個數(shù)據(jù)點(diǎn);

        (2)在0.1 mm 和0.5 mm 鈍化線偏置線之間至少有兩個數(shù)據(jù)點(diǎn);

        (3)J-Δa阻力曲線應(yīng)至少通過六個數(shù)據(jù)點(diǎn);

        (4)0.5≤Δamax≤0.10(W-a0) ;

        其中(4)提到的Δamax是指過最大數(shù)據(jù)點(diǎn)作鈍化線的平行線與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值。經(jīng)過計算,預(yù)制裂紋長度為28mm和30mm的兩組試驗均滿足有效性判定。預(yù)制裂紋長度為34mm的試樣不滿足(4)中Δamax≥0.5mm的條件,其Δamax值僅為0.45mm,該組試驗無效。這是由于韌帶長度太短,裂紋擴(kuò)展量Δa太小,導(dǎo)致Δamax無法滿足試驗有效性要求。

        4結(jié)論

        (1)通過四組不同預(yù)制裂紋長度斷裂韌性試驗發(fā)現(xiàn),預(yù)制裂紋長度越短,其需要的試驗載荷也就越大。預(yù)制裂紋過短會導(dǎo)致試驗卡具和試驗件變形,對試驗產(chǎn)生不利影響。

        (2)預(yù)制裂紋長度過短會造成裂紋擴(kuò)展量Δa過小,使J-Δa阻力曲線無法滿足有效性判定條件,最終導(dǎo)致試驗無效。

        (3)本試驗把裂紋前緣標(biāo)記的兩種方法(著色與二次疲勞)結(jié)合使用,取得了良好的實(shí)際效果,裂紋前緣清晰可見,易于測量。

        (4)對于預(yù)制裂紋長度的選擇,應(yīng)盡量選擇a0/W在0.55~0.6的范圍內(nèi),針對不同材料可做適當(dāng)調(diào)整。

        參考文獻(xiàn)

        [1]岳增武,趙永寧,周敬恩.汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子鋼 30Cr2Ni4MoV的斷裂韌性. 中國電力,1997(12):43-45.

        [2]D.布洛克著.工程斷裂力學(xué)基礎(chǔ). 王克仁等譯.北京:科學(xué)出版社,1980.

        編輯杜青泉

        Influence of Length of Precrack on

        Fracture Toughness for 30Cr2Ni4MoV Steel

        Tian Yu, Wang Liyan, Li Mingjun

        Abstract:By adopting the multiple-sample method, the quasi static fracture toughness test of 30Cr2Ni4MoV steel used for steam turbine rotor has been performed. Meanwhile, by means of fitting the resistance curve J-Δa, the value of J0.2BLhas been calculated. Eventually, by studying the influence of different length of precrack on the tested results, the optimum length of precrack has been determined.

        Key words:30Cr2Ni4MoV steel; rotor; quasi static fracture toughness; J0.2BL; resistance curve J-Δa

        作者簡介:田宇,材料工程師。電話:13664607811,E-mail:ty19840709@163.com

        收稿日期:2015—10—10

        中圖分類號:TK263.61

        文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

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