賈朋剛，趙 鵬，李長虹，劉玉鑫

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水輪發(fā)電機(jī)大軸材料45A和35A疲勞性能對比研究

賈朋剛，趙 鵬，李長虹，劉玉鑫

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（哈爾濱大電機(jī)研究所），哈爾濱 150040）

軸類零（構(gòu)）件在工作時(shí)承受著循環(huán)載荷，其失效形式主要是疲勞失效，因此，材料的抗疲勞性能顯得尤為重要。本文利用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)對水輪發(fā)電機(jī)大軸材料45A和35A的曲線進(jìn)行了測量，并且利用掃描電子顯微鏡對拉伸和沖擊斷口進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明，鍛鋼45A和35A疲勞極限-1都低于0.27(p0.2+m)，因此在選用0.27(p0.2+m)作為疲勞極限進(jìn)行計(jì)算時(shí)安全系數(shù)會高于實(shí)際值。

水輪發(fā)電機(jī)；大軸材料；力學(xué)性能；疲勞極限；循環(huán)載荷；沖擊斷口

0 前言

工程實(shí)際應(yīng)用的多數(shù)機(jī)械零部件承受的載荷都是隨時(shí)間而變化的，其工作應(yīng)力往往低于材料的屈服強(qiáng)度，這種疲勞破壞是機(jī)械零部件失效的主要形式。材料、零件和構(gòu)件在交變載荷作用下逐漸積累損傷、產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴(kuò)展直至最后破壞的過程，稱為疲勞破壞[1-2]。疲勞破壞有低應(yīng)力性、突然性、時(shí)間性、敏感性和特殊的疲勞斷口等特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，疲勞破壞導(dǎo)致的工程構(gòu)件失效事故占總事故比例的80%以上。疲勞破壞由于沒有明顯的宏觀塑性變形，因而常常出現(xiàn)突然斷裂，造成很大的危害和經(jīng)濟(jì)損失?？梢姡牧系钠谛阅苁怯绊懏a(chǎn)品使用可靠性和使用壽命的重要問題。隨著現(xiàn)代機(jī)械向高速和大型化方向的不斷發(fā)展，許多零部件在惡劣工況下運(yùn)行，疲勞破壞事故更是層出不窮，因此，研究材料疲勞性能對提高產(chǎn)品的使用壽命和可靠性有著重要意義[3-7]。

軸類零（構(gòu)）件在工作時(shí)承受著循環(huán)載荷，其失效形式主要是疲勞失效。由于疲勞破壞會造成很大的危害和經(jīng)濟(jì)損失，而進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)必不可少的是反映材料抗疲勞性能的疲勞強(qiáng)度-壽命曲線（-曲線），部分大軸在設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算過程中，需要材料的疲勞強(qiáng)度-壽命曲線（-曲線），所以研究材料疲勞性能測試?yán)L制-曲線對提高產(chǎn)品的疲勞設(shè)計(jì)和可靠性有著重要意義[8-9]。本文以浙江百丈漈水電廠混流式臥軸水輪發(fā)電機(jī)中導(dǎo)軸承軸徑所采用35的號鋼和韓國黨津水輪機(jī)采用的45號鋼為例來進(jìn)行研究。利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)與疲勞試驗(yàn)機(jī)對水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)大軸鍛件材料45A和35A的疲勞性能進(jìn)行了研究，為材料的疲勞設(shè)計(jì)及選材提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)方法與內(nèi)容

試驗(yàn)用材料選用水輪機(jī)、水輪發(fā)電機(jī)大軸材料45A鍛鋼和35A鍛鋼?；瘜W(xué)成分測試試驗(yàn)采用芬蘭的ARC-MET-8000便攜式直讀光譜儀，其測量范圍包含C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Cu、V和Ti。拉伸試驗(yàn)采用日本島津公司的AG-I 250kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行[10]。沖擊試驗(yàn)采用上海華龍測試儀器有限公司的CBD-300擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，試樣采用10mm×10mm×55mm的標(biāo)準(zhǔn)夏式缺口沖擊試樣[11]。疲勞性能試驗(yàn)采用HT-8120曲屈疲勞試驗(yàn)機(jī)，按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[12]。掃描電子顯微鏡采用Hitachi High-Tech Science Systems Corporation公司的S-3700N。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對45A鍛鋼和35A鍛鋼進(jìn)行化學(xué)成分分析和力學(xué)性能測試[13]，見表1和表2。結(jié)果表明，鍛鋼45A相比鍛鋼35A，含碳量提高，強(qiáng)度增大，斷后伸長率和斷面收縮率提高，沖擊值稍有下降，表現(xiàn)出較好的綜合性能。

表1 45A鍛鋼和35A鍛鋼化學(xué)成分對比

表2 45A鍛鋼和35A鍛鋼力學(xué)性能對比

隨時(shí)間周期性變化的應(yīng)力稱為循環(huán)應(yīng)力，應(yīng)力每一個(gè)周期變化稱為一個(gè)應(yīng)力循環(huán)，定義應(yīng)力比=max/min。應(yīng)力比對疲勞性能有很大影響。水輪發(fā)電機(jī)的大軸在運(yùn)行過程中承受零平均循環(huán)應(yīng)力，因此本文的疲勞性能試驗(yàn)選擇應(yīng)力比=－1進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 應(yīng)力比R=σmax/σmin=－1

采用成組試驗(yàn)法，分別用45A和35A標(biāo)準(zhǔn)試樣在控制應(yīng)力的試驗(yàn)條件下測試破壞循環(huán)次數(shù)，以應(yīng)力為縱坐標(biāo)，試樣的破壞循環(huán)次數(shù)的對數(shù)值為橫坐標(biāo)，利用Origin軟件對數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合繪圖，可以得到材料45A和35A的-曲線。因?yàn)檫@種曲線表示的是中值疲勞壽命與外加應(yīng)力之間的關(guān)系，所以也稱為中值-曲線。

圖2給出了雙對數(shù)坐標(biāo)下水輪發(fā)電機(jī)大軸材料45A鍛鋼和35A鍛鋼的-曲線，用最小二乘法擬合Basquin方程。由圖可知，45A和35A疲勞試驗(yàn)升降結(jié)果的應(yīng)力分散度相同，都是2級，但45A的疲勞壽命高于35A的疲勞壽命。

圖2 水輪發(fā)電機(jī)大軸材料S-N曲線

得到鍛鋼35A的Basquin方程為：

鍛鋼45A的Basquin方程為：

采用升降法計(jì)算疲勞極限[14]。疲勞極限是材料抵抗無限次應(yīng)力循環(huán)也不疲勞斷裂的強(qiáng)度指標(biāo)，是保證構(gòu)件無限或長期疲勞壽命的重要材料性能指標(biāo)，是評定材料、制訂工藝和疲勞設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。根據(jù)一些資料顯示，在零平均應(yīng)力作用下，在=－1時(shí)，對于高周疲勞的強(qiáng)度計(jì)算，通常選-1=0.27(p0.2+m)來進(jìn)行近似計(jì)算。表3列出了45A和35A的疲勞極限-1、-1/m與p0.2/m。結(jié)果表明，45A相比35A，疲勞極限-1與p0.2/m較高。45A和35A疲勞極限-1都低于0.27(p0.2+m)。

表3 45A和35A的疲勞性能對比

斷口是金屬材料斷裂后所形成的相匹配的表面外觀形貌的統(tǒng)稱。研究材料斷口的形貌、性質(zhì)，可以分析斷裂類型、斷裂模式、斷裂路徑、斷裂過程、斷裂性質(zhì)、斷裂原因和斷裂機(jī)理[15]。材料的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能密切相關(guān)，利用掃描電子顯微鏡對軸類材料的拉伸斷口與沖擊斷口進(jìn)行分析，可以從微觀組織角度解釋材料的力學(xué)性能，為疲勞性能分析提供依據(jù)。本文利用S-3700N掃描電子顯微鏡，對45A和35A的拉伸斷口、沖擊斷口與旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口進(jìn)行分析。拉伸與沖擊斷口圖片都放大到1000倍，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口統(tǒng)一放大20倍。45A的斷口如圖3所示，35A的斷口如圖4所示。

(a) 拉伸斷口 (b) 沖擊斷口 (c) 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口

圖3 45A的斷口

(a) 拉伸斷口 (b) 沖擊斷口 (c) 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口

圖4 35A斷口

從圖3中可以看出，45A的拉伸斷口為無第二相質(zhì)點(diǎn)的韌窩組織。韌窩的形成是由于材料中原來存在顯微空穴或者是由于塑性變形形成的顯微空穴。這些顯微空穴隨塑性變形的增大而不斷擴(kuò)展和相互連接，直至斷裂。45A的沖擊斷口平整，解理面較小，屬于準(zhǔn)解理斷裂。從圖4中可以看出，35A拉伸斷口以韌窩組織為主，存在解理平臺，其斷裂方式應(yīng)為準(zhǔn)解理斷裂。沖擊斷口中存在撕裂脊線，是不在同一個(gè)晶面上的解理裂紋之間產(chǎn)生較大的塑性變形導(dǎo)致的塑性撕裂。由圖3(c)和圖4(c)可知，疲勞斷口存在三個(gè)區(qū)域，分別為疲勞斷口在循環(huán)應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展后經(jīng)過反復(fù)擠壓形成的較暗區(qū)域、裂紋擴(kuò)展中沒有受到反復(fù)擠壓的區(qū)域以及瞬斷區(qū)，也就是疲勞源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最終瞬斷區(qū)。

3 結(jié)論

通過對水輪發(fā)電機(jī)大軸材料45A和35A進(jìn)行的對比分析可以看出，鍛鋼45A與鍛鋼35A的正常斷裂都以準(zhǔn)解理斷裂為主，而45A表現(xiàn)出更好的綜合力學(xué)性能。鍛鋼45A相比鍛鋼35A，疲勞極限-1與p0.2/m較高。45A和35A疲勞極限-1都低于0.27(p0.2+m)，因此在選用0.27(p0.2+m)作為疲勞極限進(jìn)行計(jì)算時(shí)安全系數(shù)會高于實(shí)際值。

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Comparative Study on Fatigue Performance of Shaft Forging Materials 45A and 35A for Hydro Generator

JIA Penggang, ZHAO Peng, LI Changhong, LIU Yuxin

(State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China)

Shaft components are subjected to cyclic load during operation, hence their failure mode is mainly fatigue failure. It is very important to study the anti-fatigue performance of materials. In this paper, thecurves of 45A and 35A materials for generator shaft were measured by rotating bending fatigue testing machine, and the tensile and impact fracture surfaces were observed by scanning electron microscope. The results show that the fatigue limits-1of 45A and 35A are both lower than 0.27(p0.2+m), so the safety factor with 0.27(p0.2+m) as fatigue limit in the calculation.

hydro-generator; main shaft materials; mechanical property; fatigue limit; cyclic load; impact fracture

TM201.4

A

1000-3983(2017)05-0043-04

2016-09-02

賈朋剛（1984-），2011年畢業(yè)于西安交通大學(xué)材料工程系，碩士，現(xiàn)在工作于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司哈爾濱大電機(jī)研究所，從事發(fā)電設(shè)備用金屬材料加工工藝及性能的研究，工程師。