侍克獻， 張作貴， 田根起， 楊昌順， 王延峰

(上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司,上海 200240)

末級長葉片是核電汽輪機的關(guān)鍵部件，由于第三代核電反應堆機組容量的增加，末級長葉片的長度進一步加長，CAP1400末級長葉片的長度已達到1 800 mm。長葉片在運行時從根部到頂部會經(jīng)受不同的蒸汽流動，負荷變化非常劇烈。而且由于葉片長度增加，離心力和各種激振力的影響也隨之增大。在啟停過程中,由于溫度分布不均勻，容易產(chǎn)生較大的熱應力，同時葉片承受的熱載荷和力載荷引起的合成應力也較大，這種載荷通常被定義為低周疲勞載荷，1次啟停為1個周次。在汽輪機帶負荷穩(wěn)定運行過程中，由葉片自重引起的應力以及離心力和熱應力的共同作用導致的損傷屬于高周疲勞損傷，葉片旋轉(zhuǎn)1次為1個周次。因此,可以把葉片從啟動、穩(wěn)定轉(zhuǎn)動到停機的1次運行過程定義為若干次高周疲勞和1次低周疲勞[1]。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，疲勞破壞是葉片的主要失效形式[2]，因此開展長葉片的疲勞性能研究對提高核電機組的可靠性和安全性具有重要意義。

1Cr12Ni3Mo2VN新型馬氏體耐熱鋼添加了Mo、V、Ni和N等合金元素，具有更好的韌性、高溫強度、高溫組織穩(wěn)定性和抗高溫蒸汽腐蝕能力，被用于制造超(超)臨界火電汽輪機葉片和大型核電汽輪機的末級長葉片[3-4]。筆者針對國內(nèi)某公司采用該材料生產(chǎn)的CAP1400核電汽輪機1800型末級長葉片鍛件進行取樣并開展低周疲勞試驗，研究葉片材料的疲勞循環(huán)特性、循環(huán)應力-應變曲線、應變-壽命關(guān)系以及疲勞斷口形貌特征,并比較了采用Manson-Coffin模型、Langer模型以及三參數(shù)冪函數(shù)能量法進行疲勞壽命預測的結(jié)果。

1 葉片材料

本文研究的材料為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的CAP1400核電汽輪機末級長葉片鍛件材料，材料牌號為1Cr12Ni3Mo2VN，該末級長葉片鍛件采用電爐冶煉和電渣重熔生產(chǎn)工藝。在葉片鍛件葉根位置沿縱向取樣進行化學成分、金相組織和拉伸性能分析,以及透射電鏡觀察和低周疲勞試驗。分別采用ZEISS Axiovert 200MAT型光學顯微鏡和JEOL JEM-2100型透射電鏡對葉片材料的組織形貌和析出相等進行觀察和分析，其中透射試樣在Struers Tenupol-5型電解雙噴儀上進行減薄直至中心穿孔。

表1為末級長葉片材料1Cr12Ni3Mo2VN的化學成分，其中有害元素總質(zhì)量分數(shù)非常低。圖1給出了1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的顯微組織，顯微組織為回火馬氏體，晶粒整體比較均勻，晶粒度評級為6級。圖1的顯微分析表明該材料夾雜物含量較低，具有較高的純凈度。1Cr12Ni3Mo2VN的力學性能見表2。該材料的化學成分、有害元素含量、顯微組織、晶粒度、夾雜物含量以及力學性能指標等均符合GB/T 8732—2014《汽輪機葉片用鋼》規(guī)范要求。

表1 1Cr12Ni3Mo2VN的化學成分

表2 1Cr12Ni3Mo2VN的力學性能

圖1 1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的顯微組織

圖2為1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的透射電鏡組織形貌。圖2(a)為典型馬氏體板條形貌，圖2(b)顯示馬氏體板條內(nèi)部存在較多的位錯，圖2(c)顯示馬氏體板條內(nèi)及界面處存在大量彌散分布的細小碳化物。馬氏體板條內(nèi)的位錯可以起到相變強化的作用，大量的納米級第二相粒子彌散析出可以阻礙位錯的運動，從而提高材料的抗塑性變形能力。

(a)

2 低周疲勞試驗

2.1 試驗方法

低周疲勞試驗按照GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》在室溫環(huán)境下進行，試驗設備為INSTRON電液伺服疲勞試驗機。試樣標距段直徑為10 mm，標距段長度為22 mm，引伸計標距為12.5 mm。低周疲勞試驗載荷波形見圖3，應變比為-1，應變速率為4×10-3s-1，總應變幅分別為0.4%、0.6%、0.8%、1.0%和1.2%。選取循環(huán)峰值應力下降到穩(wěn)定峰值應力75%的循環(huán)周次N25作為低周疲勞失效循環(huán)周次Nf。

圖3 低周疲勞試驗載荷波形

2.2 循環(huán)響應特性

圖4為1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的低周疲勞循環(huán)峰值應力響應曲線，其中橫坐標循環(huán)周次采用對數(shù)坐標表示。從圖4可以看出，葉片材料的循環(huán)峰值應力隨循環(huán)周次增加逐漸降低，表現(xiàn)為循環(huán)軟化特征。從循環(huán)峰值應力-循環(huán)周次曲線上可以看出其循環(huán)特性分為3個階段：即循環(huán)峰值應力隨著循環(huán)周次增加而快速下降的初始軟化階段，這一階段占循環(huán)壽命的比重非常??；循環(huán)峰值應力隨著循環(huán)周次增加緩慢降低并趨于平穩(wěn)的穩(wěn)定循環(huán)階段，這一階段占到循環(huán)壽命的絕大部分；循環(huán)應力峰值快速下降的第三階段，這一階段占到循環(huán)壽命的較小部分。這3個階段分別對應于微觀裂紋的萌生階段、微觀裂紋穩(wěn)定擴展階段以及宏觀裂紋失穩(wěn)擴展階段。

圖4 1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的循環(huán)峰值應力響應曲線

2.3 循環(huán)應力-應變曲線

材料的循環(huán)應力-應變曲線反映了材料在不同循環(huán)應變幅作用下的應力幅響應，是疲勞設計中的重要性能數(shù)據(jù)。材料的總應變幅由彈性應變幅和塑性應變幅組成，其中塑性應變幅與穩(wěn)定循環(huán)應力幅在雙對數(shù)坐標系中存在線性關(guān)系，即有

Δεt/2=Δεe/2+Δεp/2

(1)

(2)

將式(2)代入式(1)中，即可得到用于描述應變幅和穩(wěn)定循環(huán)應力幅關(guān)系的Ramberg-Osgood模型[5]，其表達式為

(3)

式中：Δεe/2、Δεp/2和Δεt/2分別為彈性應變幅、塑性應變幅和總應變幅；Δσ為穩(wěn)定循環(huán)應力范圍；Δσ/2為穩(wěn)定循環(huán)應力幅；E為彈性模量；K′為循環(huán)硬化系數(shù)；n′為循環(huán)硬化指數(shù)。

對穩(wěn)定循環(huán)應力幅和塑性應變幅在雙對數(shù)坐標系中進行線性擬合，可以求出K′和n′。

選取0.5Nf循環(huán)周次的循環(huán)應力幅作為穩(wěn)定循環(huán)應力幅，根據(jù)0.5Nf循環(huán)周次的應力應變滯后回線計算出對應的塑性應變幅和彈性應變幅。葉片材料的穩(wěn)定循環(huán)應力幅、塑性應變幅和彈性應變幅見表3。圖5給出了1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的穩(wěn)定循環(huán)應力-應變曲線。

表3 1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的低周疲勞試驗數(shù)據(jù)

圖5 1Cr12Ni3Mo2VN 葉片材料的循環(huán)應力-應變曲線

2.4 應變-壽命曲線

1910年，Basquin基于高周疲勞試驗數(shù)據(jù)，指出應力幅和發(fā)生循環(huán)破壞的失效反向數(shù)在雙對數(shù)坐標系中存在直線關(guān)系[6]，其表達式為

(4)

且穩(wěn)定循環(huán)應力幅與彈性應變幅存在線性關(guān)系，即

(5)

疲勞載荷循環(huán)加載期間會產(chǎn)生塑性變形，總應變幅越大,產(chǎn)生的塑性變形越大，而塑性變形會顯著降低疲勞壽命。Coffin[7]和Manson[8]分別在對核反應堆和航天設備的低周疲勞試驗數(shù)據(jù)進行分析的基礎上，提出塑性應變幅與發(fā)生循環(huán)破壞的失效反向數(shù)在雙對數(shù)坐標系中也存在直線關(guān)系，其表達式為

(6)

將式(5)和式(6)代入式(1)中，即可得到用于描述疲勞應變-壽命關(guān)系的Manson-Coffin-Basquin模型，也稱Manson-Coffin模型，其表達式為

(7)

Manson-Coffin模型實現(xiàn)了疲勞壽命研究從定性研究到定量研究的突破，是一種較為常用的疲勞壽命預測方法，ASTM E 606—2012 《應變控制疲勞試驗方法》和 GB/T 15248—2008 《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》均采用該模型。1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的循環(huán)應力-應變Ramberg-Osgood模型和應變-壽命Manson-Coffin模型的各項參數(shù)擬合結(jié)果見表4。

表4 1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的低周疲勞參數(shù)

圖6為1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的應變-壽命曲線。圖6中，Δεe/2-2Nf雙對數(shù)曲線與Δεp/2-2Nf雙對數(shù)曲線的交點所給出的壽命值為過渡壽命2Nt，此處彈性應變所造成的損傷與塑性應變所造成的損傷相等。當失效反向數(shù)2Nf小于過渡壽命2Nt時，塑性應變對疲勞壽命的貢獻大于彈性應變的貢獻;當失效反向數(shù)2Nf大于過渡壽命2Nt時，彈性應變對疲勞壽命的貢獻大于塑性應變的貢獻。由圖6可以看出，在循環(huán)周次105次及以上的高周疲勞區(qū)域，作為一種屈強比極高的材料，塑性應變對葉片疲勞壽命的影響變得非常小。

圖6 1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的應變-壽命雙對數(shù)曲線

2.5 疲勞斷口形貌

圖7給出了1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的疲勞斷口形貌，斷口宏觀上分為疲勞損傷區(qū)和瞬時斷裂區(qū)2個區(qū)域。瞬時斷裂區(qū)是為了觀察疲勞斷口形貌，在疲勞試驗結(jié)束后拉斷試樣造成的，該區(qū)域斷口形貌凹凸較大，呈現(xiàn)較為明顯的韌性斷裂特征。疲勞損傷區(qū)相對比較光滑，且基本垂直于疲勞載荷的方向，其中包含了疲勞源和疲勞裂紋擴展區(qū)。疲勞損傷區(qū)呈現(xiàn)放射狀條紋和疲勞輝紋等疲勞斷裂特征。由于葉片材料的夾雜物含量極低，純凈度很高，疲勞試樣的裂紋源多形成于試樣表面，這與在疲勞損傷區(qū)觀察到的放射狀條紋基本均收斂于試樣表面相吻合。對比不同應變幅載荷條件下的疲勞損傷區(qū)形貌可以發(fā)現(xiàn)，低應變幅條件下的疲勞放射狀條紋相比高應變幅條件下顯得更為清晰。由圖8的疲勞裂紋擴展區(qū)可以清楚地觀察到垂直于裂紋擴展方向的疲勞輝紋，其尺寸和間距與循環(huán)應變幅明顯相關(guān)，隨著應變幅的降低而變小。

圖7 1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的斷口宏觀形貌

圖8 1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的疲勞裂紋擴展區(qū)形貌

3 疲勞壽命預測

3.1 Langer模型

ASME設計規(guī)范認為Langer公式更加方便可靠，因此在獲取疲勞設計曲線時采用Langer模型[9]對疲勞應變-壽命數(shù)據(jù)進行擬合分析[10]，Langer模型如下

(8)

式中：參數(shù)A1、A2和n1通過擬合試驗數(shù)據(jù)得到，ASME規(guī)范對碳鋼、低合金鋼和奧氏體不銹鋼材料的n1均取0.5，1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的A1、A2和n1擬合結(jié)果分別為0.173、0.003和0.5，A2的擬合值0.003限定了Langer模型僅能對葉片材料總應變幅為0.003以上的載荷條件進行壽命計算。

3.2 三參數(shù)冪函數(shù)能量模型

傅惠民[11]在對大量疲勞應變-壽命數(shù)據(jù)進行研究后提出了三參數(shù)冪函數(shù)模型，該模型克服了Manson-Coffin模型沒有反映出材料疲勞極限的缺點。丁玲玲等[12]采用基于能量的塑性應變能方法對超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子鋼FB2低周疲勞性能數(shù)據(jù)進行了分析。張國棟等[13]綜合了Manson-Coffin模型、損傷能量函數(shù)法和三參數(shù)冪函數(shù)模型等方法的優(yōu)缺點，提出了如下基于能量損傷的三參數(shù)冪函數(shù)壽命預測模型。

(9)

ΔW=Δεin·Δσ

(10)

式中：ΔW為疲勞應變能；Δεin為非彈性應變范圍，純疲勞時用塑性應變幅代替；ΔW0、m和C均為參數(shù),可通過擬合試驗數(shù)據(jù)得到，1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料的ΔW0、m和C分別為0、1.378 4和344 29。

3.3 壽命預測能力驗證

圖9比較了Manson-Coffin模型、Langer模型和三參數(shù)冪函數(shù)能量模型對1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料疲勞壽命的預測結(jié)果。由圖9可以看出，1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料Manson-Coffin模型和Langer模型的壽命預測結(jié)果保持了較好的準確性。三參數(shù)冪函數(shù)能量模型在104循環(huán)周次以下的預測結(jié)果很好，而對更高循環(huán)周次的壽命預測誤差很大，這可能與葉片材料在較高循環(huán)周次下的塑性變形非常小有關(guān)。需要指出的是模型預測結(jié)果是基于塑性變形較大的低周疲勞試驗數(shù)據(jù)得到的，引入更長循環(huán)周次的疲勞數(shù)據(jù)進行參數(shù)擬合將有利于改善更高循環(huán)周次的壽命預測結(jié)果。

圖9 不同模型疲勞壽命預測結(jié)果的比較

4 結(jié) 論

(1)1Cr12Ni3Mo2VN葉片材料僅在循環(huán)壽命初期表現(xiàn)出一定的循環(huán)軟化特征，在循環(huán)壽命的絕大部分期間都保持非常穩(wěn)定的應力應變狀態(tài)。

(2)作為一種屈強比極高的材料，在循環(huán)周次105次及以上的疲勞壽命區(qū)域，塑性應變占葉片材料疲勞變形的比重非常小。

(3)葉片材料的夾雜物含量較少、純凈度較高，疲勞裂紋基本均起源于試樣表面。

(4)Ramberg-Osgood模型和Manson-Coffin模型可以較好地擬合葉片材料的循環(huán)應力-應變曲線和應變-壽命曲線。Manson-Coffin模型和Langer模型對低周疲勞的壽命預測均保持了較好的準確性。三參數(shù)冪函數(shù)能量模型在104循環(huán)周次以下的預測結(jié)果很好，而對更高循環(huán)周次的壽命預測誤差很大。