代海燕 田 宇 王麗艷 李明君

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱150046)

大量文獻報道，汽輪機轉(zhuǎn)子毛坯件在常規(guī)鑄鍛生產(chǎn)中會出現(xiàn)大小不一、形態(tài)各異的原始缺陷[1-3]。而汽輪機轉(zhuǎn)子長期服役在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的嚴苛環(huán)境中，轉(zhuǎn)子中的原始缺陷在疲勞力的作用下容易擴展成裂紋。汽輪機轉(zhuǎn)子鋼斷裂韌度JIC值是表征材料在高溫下抵抗裂紋擴展能力的重要指標，對汽輪機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計及安全性評價至關(guān)重要。

目前國內(nèi)各大鑄鍛件廠家及實驗室采用的測量材料斷裂韌度JIC值的方法是傳統(tǒng)的單試樣法和多試樣法。單試樣法加載過程中的卸載過程會影響加載曲線特性，無法測試非線性彈性材料的斷裂韌度。而多試樣法要獲得良好的J-R曲線，根據(jù)準斷裂韌度國標GBT 21143—2014中有效判據(jù)規(guī)定，至少需要6塊試驗試樣，而實際試驗中試驗點較為分散，無效點多，一般需要9～15塊試驗材料才能得到符合判據(jù)的有效結(jié)果。因此，多試樣法測量材料斷裂韌度值JIC值較耗費材料。

載荷分離法可直接由試樣測試過程中記錄的載荷-位移曲線結(jié)合試樣打開后由斷面測量的初始及最終裂紋長度來計算出J-R阻力曲線上的一系列點[4-5]。國標GBT 21143—2014《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》較2007版本首次加入“載荷分離法”作為測試材料斷裂韌度的新方法。從理論上來說，載荷分離法由一塊試樣就可測試出材料的斷裂韌度值，優(yōu)勢巨大。但GBT 21143—2014標準中只給出計算斷裂韌度的指南，并沒有給具體的計算方法。實際上，載荷分離法中涉及求微分面積，曲線上點的規(guī)則化處理、計算點對曲線切點位置以及非線性函數(shù)擬合都是較為復雜的數(shù)據(jù)處理過程，且原始數(shù)據(jù)量大，經(jīng)過公式反復運算后計算量也較大，需要借助計算機編制程序進行處理。

1 數(shù)據(jù)處理程序

以2000行F-COD的原始數(shù)據(jù)為例，對數(shù)據(jù)處理過程進行簡單分析，簡略流程如圖1所示。

(1)將載荷位移的原始數(shù)據(jù)分別存入2個列矩陣中，取前四分之一的數(shù)據(jù)進行線性擬合，確定斜率。

(2)做微分。以該斜率做一些列與載荷-位移曲線相交的平行直線，將F-V曲線劃分成1999份線下曲線。

(3)計算每份對應(yīng)的線下面積，分別記為Up1～Up1999。近似為梯形進行計算。

(4)計算每份對應(yīng)的斷裂韌度變化值J0值，分別記為J01～J01999。

圖1 斷裂韌度JIC值的數(shù)據(jù)處理流程Figure 1 Data processing flow of fracture toughness JIC values

圖2 臺階型緊湊拉伸試樣圖Figure 2 Diagram of step-type compact tensile specimen

(5)根據(jù)J0值來計算對應(yīng)的a0值。

(7)將實際裂紋長結(jié)果帶入，進行規(guī)則化處理。

(8)從最終規(guī)則化試驗點向前面的數(shù)據(jù)做切線，計算點對曲線切點位置。采用切點左側(cè)的數(shù)據(jù)點及最終規(guī)則化試驗點來做規(guī)則化函數(shù)擬合。得到繪制J-R曲線上的系列點。

2 斷裂韌度測試試驗

2.1 試料加工

試驗材料取自汽輪機某高壓轉(zhuǎn)子試料區(qū)，材料為12%Cr鋼。試樣加工成臺階型緊湊拉伸(CT)試樣，試樣尺寸及加工精度如圖2所示。其中，B=25 mm，W=50 mm。共加工9塊相同的CT試樣，試樣編號分別為1-1、1-2、2-1～2-7。

2.2 試驗方法

試驗采用美國MTS 810材料試驗系統(tǒng)，動態(tài)檢驗力值最大誤差不超過±1%。室溫和高溫引伸計分別為MTS 632.02F-20和MTS 632.65C-03型COD規(guī)。試驗機和引伸計的精度均滿足GBT 21143—2014的要求。

2.2.1 預制疲勞裂紋

所有試樣的預制疲勞裂紋試驗在室溫下進行。測量試樣的B、W值，試樣機械加工切口長度為25 mm。為了獲得機械加工切口根部的疲勞裂紋，設(shè)置預裂頻率為15 Hz，應(yīng)力比0.1，預制疲勞裂紋3 mm。

2.2.2 加工側(cè)槽

預裂完畢的試樣全部都開側(cè)槽。側(cè)槽角度為60°，兩側(cè)側(cè)槽深度為2.5 mm。

2.2.3 高溫拉伸試驗

將試樣裝卡上高溫引伸計。試樣加熱至試驗溫度550℃后保溫40 min。試驗在試驗機橫梁位移的控制條件下進行，位移速率為0.015 mms。應(yīng)力強度因子在0.2～3 MPas-1之間。其中，1-1、1-2試樣應(yīng)加載到F-V曲線達到最大載荷并剛剛開始下降時卸載，2-1～2-7試樣分別加載到不同的COD值下，卸載力。力值卸載后在試驗溫度550℃下繼續(xù)保溫2 h，使裂紋尖端充分著色。

2.2.4 二次疲勞

所有拉伸完的試樣待降到室溫后，進行二次疲勞，設(shè)置最大力為20 kN，應(yīng)力比為0.1。直至試樣斷裂，結(jié)束試驗。

2.2.5 測量裂紋長

3 試驗結(jié)果分析

3.1 載荷分離法結(jié)果

為驗證載荷分離法試驗結(jié)果的重復性和穩(wěn)定性，試樣1-1、1-2均加載到剛剛超過最大試驗力值后卸載。試驗機記錄了1-1、1-2拉伸試樣在550℃下得到的載荷-COD規(guī)張口位移(V)數(shù)據(jù)。拉伸的初始階段，載荷-位移曲線呈線性變化，隨著張口位移的增大，載荷變化開始變緩慢，試樣開始出現(xiàn)塑性變形。從圖3中還可以看到相同試驗條件下的兩次試驗F-V曲線略有不同，但最大力值是非常接近的。試樣1-2達到的最大力值為49.9 kN，略高于試樣的1-1最大力值48.9 kN。而由于相同張口位移下，1-1試樣的載荷前半段略大于1-2試樣，所以兩條曲線的線下面積接近。

利用本文編制的載荷分離法數(shù)據(jù)處理程序進行計算后，得到如圖4中所示的1-1和1-2的J-Δa的阻力曲線。由圖4可見，1-1和1-2所得到的兩條J-Δa曲線非常接近。相同Δa時，1-2對應(yīng)的J值略大于1-1。

圖5是由圖4中程序計算的J-Δa曲線上的數(shù)據(jù)點，按GBT 21143—2014中要求的指數(shù)方程形式進行擬合后得到的結(jié)果。1-1擬合得到的方程為：J=249.5×Δa0.256，1-2擬合得到的方程為：J=252.2×Δa0.219；1-1和1-2兩次試驗的斷裂韌度值分別為179 kJm2和189 kJm2。可見兩次試驗經(jīng)過數(shù)值擬合后得到的斷裂韌度結(jié)果的差異較小。載荷分離法試驗方法對12%Cr轉(zhuǎn)子鋼斷裂韌度測量的穩(wěn)定性較好。

3.2 多試樣法結(jié)果

圖6為2-1、2-2試樣采用多試樣法試驗后得到的擬合結(jié)果。按GBT 21143—2014給出的指數(shù)方程J=a+b×Δar進行擬合后，得到J=286.9×Δa0.377。經(jīng)過Δa=0.2 mm處做鈍化線的平行線與曲線的交點J0.2，J0.2=177 kJm2。與載荷分離法的處理結(jié)果非常接近，說明載荷分離法在一定程度上可替代多試樣法來獲取材料的斷裂韌度值。

圖3 1-1和1-2試樣的F-V曲線Figure 3 F-V curves of 1-1 and 1-2 specimens

圖4 1-1和1-2試樣載荷分離法計算結(jié)果Figure 4 Calculation results of 1-1 and 1-2 sampleby load separation method

圖5 斷裂韌度值JIC計算Figure 5 Calculation of fracture toughness value JIC

圖6 多試樣法J-Δa阻力曲線Figure 6 J-Δa resistance curve by multi-sample method

4 結(jié)論

(1)分析了載荷分離法數(shù)據(jù)處理流程的難點，解決了載荷分離法中涉及求微分面積，曲線上點的規(guī)則化處理、計算點對曲線切點位置以及非線性函數(shù)擬合等復雜問題，設(shè)計了載荷分離法的計算機處理程序，可實現(xiàn)快速準確處理斷裂韌度測試試驗數(shù)據(jù)。

(2)分別采用載荷分離法和多試樣法完成了12%Cr汽輪機高壓轉(zhuǎn)子鋼在高溫550℃下的斷裂韌度測試試驗，并擬合獲得了J-Δa阻力曲線。兩次載荷分離法的試驗結(jié)果相差不大，測得的斷裂韌度值分別為179 kJm2和189 kJm2，與多試樣的結(jié)果177 kJm2相近。驗證了載荷分離法測轉(zhuǎn)子鋼斷裂韌度的自編試驗程序和測試方法的有效性和可靠性。