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        高效超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼FB2的低周疲勞特性研究

        2018-08-29 02:21:10丁玲玲楊百勛李益民
        動(dòng)力工程學(xué)報(bào) 2018年8期
        關(guān)鍵詞:變幅室溫塑性

        丁玲玲, 楊百勛, 田 曉, 李益民

        (西安熱工研究院有限公司,西安 710054)

        汽輪機(jī)在啟停或變負(fù)荷等非穩(wěn)定工況時(shí),由于溫度的變化,轉(zhuǎn)子中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,尤其是在調(diào)節(jié)級(jí)附近區(qū)段。在機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中,轉(zhuǎn)子表面溫度較高,而心部溫度低,此時(shí)表面受壓應(yīng)力,心部受拉應(yīng)力,停機(jī)時(shí)則相反。這種交變的熱應(yīng)力會(huì)引起轉(zhuǎn)子的低周疲勞損傷,進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子開(kāi)裂,甚至出現(xiàn)嚴(yán)重事故,對(duì)參與調(diào)峰運(yùn)行的機(jī)組來(lái)說(shuō)更為嚴(yán)重。

        從能量角度分析,材料的低周疲勞損傷過(guò)程實(shí)質(zhì)上是不可逆塑性應(yīng)變能的消耗過(guò)程。因此,除了用傳統(tǒng)的Manson-Coffin模型分析材料的應(yīng)變-壽命關(guān)系外,還可建立塑性應(yīng)變能與壽命間的關(guān)系[1]。

        FB2是歐洲COST522項(xiàng)目中研發(fā)的一種新型(9%~12%)Cr馬氏體鋼(數(shù)字表示Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)),研發(fā)階段和中試階段的試驗(yàn)表明其具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能以及良好的韌性[2]。目前,再熱溫度為620 ℃的高效超超臨界機(jī)組的中壓轉(zhuǎn)子均采用FB2。研究FB2的低周疲勞性能可為轉(zhuǎn)子的疲勞壽命設(shè)計(jì)、安全性評(píng)價(jià)提供技術(shù)依據(jù),具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。筆者重點(diǎn)研究了FB2轉(zhuǎn)子鋼的低周疲勞特性,建立了FB2的塑性應(yīng)變能與其對(duì)應(yīng)的總應(yīng)變幅和疲勞壽命的關(guān)系。

        1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)用材料采用日本鑄鍛鋼株式會(huì)社(JCFC)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子鍛件。試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

        表1 試驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分

        轉(zhuǎn)子鍛件的性能熱處理工藝為:奧氏體化,1 100 ℃×18 h/油冷;第一次回火,570 ℃×36 h/爐冷;第二次回火,680 ℃×12 h/爐冷。

        FB2的金相組織如圖1所示,橫縱截面均為回火馬氏體組織,組織均勻,晶粒度2級(jí),在馬氏體板條邊界及板條內(nèi)彌散分布著大量析出相。

        圖1 FB2轉(zhuǎn)子鋼的微觀組織

        Fig.1 Microstructure of the FB2 steel

        在試樣的縱截面可觀察到球狀及長(zhǎng)條狀BN夾雜,呈團(tuán)聚狀析出,最大尺寸達(dá)100 μm,分布于原奧氏體三岔晶界及奧氏體晶內(nèi)(見(jiàn)圖2)。FB2轉(zhuǎn)子鋼中添加了微量的B(一般不超過(guò)0.01%),B能夠溶入M23C6中,增加了M23C6的穩(wěn)定性。M23C6具有穩(wěn)定原奧氏體晶界的作用,可抑制晶界的遷移,因此B的添加能夠改善材料的蠕變性能。然而, Sakuraya等[3]研究發(fā)現(xiàn),對(duì)于含碳量為0.004%的9%Cr鋼,經(jīng)1 100 ℃正火+800 ℃回火后,只有20%的B溶入基體,而80%的B形成了BN夾雜。BN為脆性相,當(dāng)其尺寸較大時(shí),會(huì)對(duì)材料的沖擊及低周疲勞等性能產(chǎn)生不利影響。

        文獻(xiàn)[4]指出,BN是在鋼錠冷卻過(guò)程中形成的。圖3給出了高Cr馬氏體鋼BN析出的臨界B、N含量,將試驗(yàn)用FB2的B、N含量標(biāo)記在圖上,可以推測(cè)其中會(huì)有大尺寸BN存在,這與試驗(yàn)結(jié)果一致。

        2 拉伸性能

        根據(jù)GB/T 228.1—2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》和GB/T 228.2—2015 《金屬材料拉伸試驗(yàn)第2部分:高溫試驗(yàn)方法》在MTS 810試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫(23±2) ℃和620 ℃下的拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表2所示,其中拉伸試驗(yàn)數(shù)值為2個(gè)試樣的平均值,Rp0.2為屈服強(qiáng)度,Rm為抗拉強(qiáng)度,A為延伸率,Z為斷面收縮率。從表2可以看出,F(xiàn)B2縱向的性能稍優(yōu)于徑向,這與鍛造過(guò)程中形成的取向有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)子各部位材料的拉伸性能差異不大,性能較均勻。試驗(yàn)用FB2的室溫拉伸強(qiáng)度和塑性指標(biāo)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

        (a) 侵蝕態(tài)的BN形貌

        (b) 拋光態(tài)的BN形貌(SEM)

        圖3 高Cr馬氏體鋼中BN析出的臨界B、N含量

        Fig.3 Critical concentration of B and N precipitated from BN inclusions in high Cr martensitic steel

        表2 FB2轉(zhuǎn)子鋼各部位的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

        3 低周疲勞性能

        低周疲勞試驗(yàn)按照GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》進(jìn)行,試驗(yàn)溫度為室溫和620 ℃,試驗(yàn)采用軸向應(yīng)變控制,應(yīng)變比R=-1,加載波形為三角波,應(yīng)變速率為8×10-3s-1。選取最大循環(huán)峰值拉伸應(yīng)力σmax下降到30%時(shí)的循環(huán)周次作為失效循環(huán)數(shù)Nf。試驗(yàn)用等截面圓柱形試樣,沿鍛件徑向取樣。

        3.1 載荷與循環(huán)周次

        試驗(yàn)過(guò)程中載荷與循環(huán)周次的關(guān)系見(jiàn)圖4。由圖4(a)和圖4(b)可知,不論是室溫還是620 ℃,峰值應(yīng)力都隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小,這表明FB2為循環(huán)軟化材料。圖4(c)中,低周疲勞過(guò)程中峰值應(yīng)力隨著循環(huán)周次的變化可分為3個(gè)階段:載荷快速下降的軟化階段、載荷基本保持不變的穩(wěn)定階段和載荷快速下降的失效階段。其中軟化階段約占總循環(huán)周次的10%,失效階段占20%,穩(wěn)定階段持續(xù)的時(shí)間最長(zhǎng)。文獻(xiàn)[5]指出,在最初階段,由于位錯(cuò)密度大幅減少,亞晶粗化,表現(xiàn)為峰值拉伸應(yīng)力迅速減小;之后,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和亞晶粗化逐漸穩(wěn)定,位錯(cuò)、晶界以及固溶體和析出相的強(qiáng)化依然起作用,兩者共同作用導(dǎo)致了穩(wěn)定的第二階段;最后,由于裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展導(dǎo)致試樣斷裂。溫度一定時(shí),隨著總應(yīng)變幅(Δεt/2)的增加,穩(wěn)定的第二階段越來(lái)越短。

        (a) 室溫

        (b) 620 ℃

        (c) 載荷與循環(huán)周次分成3個(gè)階段的示意圖

        3.2 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性

        材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性可用循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)描述。將一定溫度、不同應(yīng)變幅下的穩(wěn)態(tài)滯后環(huán)置于同一坐標(biāo)內(nèi),其頂點(diǎn)的連線即為循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可用式(1)和式(2)來(lái)描述:

        (1)

        (2)

        (a) 室溫

        (b) 620 ℃

        將室溫和620 ℃下的拉伸曲線與循環(huán)應(yīng)力(σ)-應(yīng)變(ε)曲線畫在一個(gè)坐標(biāo)下,如圖7所示。從圖7可以看出,在低周疲勞條件下,隨著溫度的升高,循環(huán)強(qiáng)度明顯降低。因此,對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子,尤其是參與調(diào)峰的機(jī)組,在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意材料的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變特性。

        圖6 應(yīng)力幅-塑性應(yīng)變幅的關(guān)系

        圖7 σ-ε曲線

        3.3 應(yīng)變-壽命曲線

        材料的低周疲勞壽命可用Manson-Coffin公式描述:

        (3)

        過(guò)渡疲勞壽命Nt是低周疲勞的一個(gè)重要指標(biāo),若設(shè)計(jì)的疲勞壽命小于Nt,就需要材料的低周疲勞壽命曲線及其彈塑性應(yīng)力分析;若設(shè)計(jì)的疲勞壽命遠(yuǎn)大于Nt,應(yīng)采用材料的高周疲勞壽命曲線及其彈性應(yīng)力分析。

        (a) 總應(yīng)變幅-壽命曲線

        (b) 彈塑性應(yīng)變幅-壽命曲線

        3.4 塑性應(yīng)變能

        不同應(yīng)變幅下穩(wěn)定階段的塑性應(yīng)變能ΔWp與總應(yīng)變幅Δεt/2和失效循環(huán)數(shù)Nf在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上均為直線關(guān)系(見(jiàn)圖10)。關(guān)系式如下:

        (a) 室溫

        (b) 620 ℃

        (a)ΔWp-Δεt/2曲線

        (b) ΔWp-Nf曲線

        室溫

        (4)

        ΔWp=431.16×Nf-0.508 49

        (5)

        620 ℃

        (6)

        ΔWp=116.95×Nf-0.499 59

        (7)

        在低周疲勞過(guò)程中,忽略最初的快速軟化階段和裂紋擴(kuò)展階段少量的循環(huán),其穩(wěn)定階段每一循環(huán)的塑性應(yīng)變能基本不變[9-10],于是,整個(gè)疲勞過(guò)程中總的塑性應(yīng)變能Wp可近似用式(8)來(lái)描述:

        Wp=ΔWp×Nf

        (8)

        Wp為材料的疲勞韌度,對(duì)于一種特定材料而言并非定值。改寫式(5)和式(7):

        (9)

        (10)

        4 結(jié) 論

        (1) FB2轉(zhuǎn)子鋼在室溫和620 ℃下,各部位拉伸性能差異不大,性能較均勻,室溫下的Rp0.2>700 MPa,滿足COST522項(xiàng)目要求。

        (2) 在室溫和620 ℃下,F(xiàn)B2均表現(xiàn)為循環(huán)軟化,室溫下的應(yīng)變-壽命曲線高于620 ℃,循環(huán)應(yīng)變-壽命滿足Manson-Coffin關(guān)系。

        (3) 低周疲勞下,F(xiàn)B2穩(wěn)態(tài)滯后環(huán)表征的塑性應(yīng)變能與對(duì)應(yīng)的總應(yīng)變幅和疲勞壽命在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈線性關(guān)系,可用這個(gè)關(guān)系估算出其疲勞壽命。

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