高溫氧化對(duì)30Cr1M o1V鋼蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響

任延杰, 陳 薦, 何建軍, 邱 偉, 陳建林, 周鵬展

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源高效清潔利用湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)沙 410076)

裂紋擴(kuò)展速率是高溫結(jié)構(gòu)部件損傷容量設(shè)計(jì)和 壽命預(yù)測(cè)的重要指標(biāo).影響裂紋擴(kuò)展速率的因素很多,如溫度、環(huán)境、加載頻率、保載時(shí)間、材料的晶界及晶粒尺寸等,其中環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響較復(fù)雜.在高溫下,金屬不可避免地受到高溫氧化作用,一些研究結(jié)果表明:氧化是高溫下影響金屬疲勞裂紋擴(kuò)展的一個(gè)主要因素[1].有關(guān)氧化作用對(duì)裂紋擴(kuò)展速率影響的研究較多[2-4].J.P.Pedron[2]等認(rèn)為,對(duì)于鎳基合金,氧可加速空洞的形核和長(zhǎng)大,提高了蠕變速率;C.F.Miller[3]和M.Guo[4]認(rèn)為氧可降低表面能,降低孔洞形核的臨界應(yīng)力,促進(jìn)孔洞的形成,且可使疲勞裂紋的斷裂擴(kuò)展方式由穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔?盡管目前的研究大多認(rèn)為高溫下氧化作用不可避免地加劇了疲勞裂紋擴(kuò)展的速度,但也有研究人員提出:氧化作用可增大裂紋尖端的半徑,使裂紋尖端鈍化.另外,在較低的應(yīng)力強(qiáng)度因子區(qū),氧化物可使裂紋閉合,因而縮小了有效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍,并阻止了裂紋開裂[5].

目前,關(guān)于高溫氧化對(duì)低周疲勞裂紋擴(kuò)展速率影響的研究大多針對(duì)IN718等鎳基高溫合金.一般,由于30Cr1M o1V鋼具有較好的抗腐蝕和力學(xué)性能,常用于汽輪機(jī)葉片材料,其工作溫度為400～600℃,由于應(yīng)力作用下的頻繁起停,轉(zhuǎn)子鋼不可避免地遭受疲勞-蠕變損傷.毛雪平等[6]對(duì)30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鋼的高溫低周疲勞特性進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的研究,但目前關(guān)于高溫氧化對(duì)30Cr1M o1V鋼高溫低周疲勞裂紋擴(kuò)展影響的研究卻鮮見報(bào)道.筆者研究了在空氣和惰性環(huán)境下,30Cr1M o1V鋼分別在540℃和650℃下的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展行為,并分析了氧化對(duì)其裂紋擴(kuò)展速率的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料為30Cr1M o1V轉(zhuǎn)子鋼,熱處理工藝為:預(yù)備熱處理,1 010℃,空冷;720℃回火后爐冷;調(diào)質(zhì)熱處理,955℃鼓風(fēng)冷卻,680℃爐冷;去應(yīng)力退火,≥620℃爐冷.金相組織為回火貝氏體加鐵素體,30Cr1M o1V鋼的化學(xué)成分列于表1.

表1 30Cr1Mo1V鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chem ical composition of 30Cr1Mo1V steel%

在表1中,除列出的化學(xué)成分外,其余為Fe的含量.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)研究所生產(chǎn)的RDL05電子蠕變-疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,試驗(yàn)機(jī)上高溫爐充入氬氣進(jìn)行保護(hù),測(cè)量控制系統(tǒng)為德國(guó)DOLI公司生產(chǎn)的EDC222的數(shù)字控制器.試樣按 Standard ASTM E647進(jìn)行加工,制備標(biāo)準(zhǔn)緊靠拉伸試樣.疲勞試驗(yàn)與蠕變疲勞試驗(yàn)需預(yù)制疲勞裂紋.預(yù)制疲勞裂紋采用△K漸減方法在常溫條件下進(jìn)行,預(yù)制疲勞裂紋長(zhǎng)2mm,在540℃和650℃下分別進(jìn)行疲勞或蠕變-疲勞試驗(yàn).加載波形為三角波或梯形波,梯形波在拉應(yīng)力最大值時(shí)分別引入保載時(shí)間60 s、360 s和1 200 s.裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度采用離位直讀法測(cè)量,試樣經(jīng)過(guò)一定循環(huán)周次后停止試驗(yàn),降溫后將醋酸纖維素薄膜粘貼在待測(cè)試樣表面,干后取下,在200MAT顯微鏡下對(duì)薄膜進(jìn)行裂紋長(zhǎng)度測(cè)量.經(jīng)修正后得到裂紋長(zhǎng)度和循環(huán)數(shù)的對(duì)應(yīng)值,采用七點(diǎn)遞增多項(xiàng)式方法進(jìn)行了計(jì)算,得出疲勞裂紋擴(kuò)展速率d a/d N和裂紋長(zhǎng)度的擬合值以及應(yīng)力強(qiáng)度因子幅△K.

2 結(jié)果與分析

2.1 疲勞裂紋擴(kuò)展

圖1給出了在空氣和氬氣中,室溫、540℃和650℃下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率(FCGR).圖1中的加載頻率為20 Hz.由圖1可知:在540℃和650℃時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率明顯高于在室溫時(shí)的純疲勞裂紋擴(kuò)展速率,且在高溫下空氣中的FCGR約是惰性氣體中的3倍,這主要?dú)w因于裂紋尖端的表面吸附效應(yīng).在△K較低時(shí),溫度由540℃升高到650℃,FCGR略有提高;當(dāng)△K較高時(shí),在540℃和650℃下,FCGR的變化并不明顯.這一結(jié)果與報(bào)道中其他合金的試驗(yàn)結(jié)果相吻合.

圖1 在空氣和氬氣中,室溫、540℃和650℃下疲勞裂紋擴(kuò)展速率Fig.1 Crack grow th rate at RT,540℃and 650℃,in air and argon environment

圖2給出了在540℃下、空氣和氬氣中頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.由圖2可知:在空氣和氬氣2種氣氛中,加載頻率較低時(shí)的裂紋擴(kuò)展速率明顯高于加載頻率較高時(shí).這一結(jié)果表明:在循環(huán)載荷作用下,蠕變損傷對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率有一定的影響;在空氣中,低頻時(shí)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率最大.為研究高溫下蠕變對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響,筆者在三角波的最大值時(shí)引入了保載時(shí)間.圖3為540℃時(shí)保載時(shí)間對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.從圖3可知:保載時(shí)間顯著地提高了疲勞裂紋擴(kuò)展速率.

圖2 在540℃下,空氣和氬氣中頻率對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響Fig.2 Effect of frequency on fatique crack grow th rate at 540℃in air or argon environment

圖3 540℃時(shí)保載時(shí)間對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響Fig.3 Influence of holding time on crack g row th rate at 540℃

2.2 蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展

為了研究蠕變與氧化因素對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響,筆者分析了不同保載時(shí)間作用下的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率.圖4為空氣中540℃時(shí)保載時(shí)間對(duì)蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.圖5為氬氣中540℃時(shí)保載時(shí)間對(duì)蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.引入保載時(shí)間后,空氣中的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯高于惰性環(huán)境中.從圖4可知:在空氣中,當(dāng)保載時(shí)間小于60 s時(shí),保載時(shí)間對(duì)CFCG的影響較小,表明此時(shí)CFCG與疲勞循環(huán)周次有關(guān).當(dāng)保載時(shí)間為360 s和1 200 s時(shí),CFCG隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,表明此時(shí)與時(shí)間因素相關(guān)的蠕變與氧化作用影響疲勞裂紋的擴(kuò)展速率.這與文獻(xiàn)[7]中1Cr10Mo1W 1NiVNbN合金的蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展行為的結(jié)果一致.R.P.Wei[8]對(duì)873～973 K鎳基合金在氬氣中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的研究也得到類似的結(jié)果.D.G Prakash等[9]認(rèn)為,高溫下氧對(duì)裂紋的擴(kuò)展有兩方面的影響:首先,氧的合金元素反應(yīng)促進(jìn)了孔洞的形成;另外,氧沿晶界的擴(kuò)散可阻止空位的擴(kuò)散,減少孔洞的形成.因此,當(dāng)保載時(shí)間為 60 s時(shí),這兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程存在競(jìng)爭(zhēng).當(dāng)保載時(shí)間延長(zhǎng)時(shí),氧沿晶界擴(kuò)散并與合金元素發(fā)生反應(yīng)這一過(guò)程占優(yōu).因此,在蠕變-環(huán)境二者共同作用下,裂紋擴(kuò)展速率迅速增大,可推斷保載時(shí)間可能存在一個(gè)臨界值.當(dāng)高于此臨界值時(shí),CFCG與保載時(shí)間呈一定線性關(guān)系;當(dāng)?shù)陀诖伺R界值時(shí),CFCG與保載時(shí)間無(wú)關(guān).關(guān)于這一推論還需通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證.

由圖5可知:隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng),疲勞裂紋擴(kuò)展速率增大.此時(shí),與時(shí)間相關(guān)的蠕變損傷對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率有一定影響.

圖4 空氣中540℃時(shí)保載時(shí)間對(duì)蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響Fig.4 Effect of holding time on CFCG rate at 540℃in air environment

圖5 氬氣中540℃時(shí)保載時(shí)間對(duì)蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響Fig.5 E ffect of holding time on CFCG rate at 540℃in argon environment

圖6為空氣中540℃時(shí)一定K max值下不同保載時(shí)間對(duì)蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響.圖7為氬氣中540℃時(shí)一定K max值下不同保載時(shí)間對(duì)蠕變-疲勞擴(kuò)展速率的影響.由圖6和圖7可知:在氬氣和空氣中,CFCG均與保載時(shí)間成一定比例,表明與時(shí)間相關(guān)因素對(duì)裂紋的擴(kuò)展有較大的影響.其中,由于氧對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響,空氣中的CFCG明顯高于氬氣中.

圖6 空氣中540℃時(shí)一定K max值下不同保載時(shí)間對(duì)蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響Fig.6 Effect of holding tim e on CFCG rate in air for a certain K max at 540℃

圖7 氬氣中540℃時(shí)一定K max值下不同保載時(shí)間對(duì)蠕變-疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響Fig.7 Effect of holding time on CFCG rate in argon for a certain K max at 540℃

3 結(jié) 論

(1)在加載頻率一定時(shí),高溫下空氣中30Cr1Mov1V鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯高于氬氣環(huán)境中.

(2)在空氣和氬氣2種環(huán)境中,在540℃和650℃下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯高于室溫下,且在△K較低時(shí),650℃時(shí)的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯高于540℃;在△K較高時(shí),540℃和650℃2個(gè)溫度下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率相差不大;在540℃時(shí),加載頻率降低,空氣和氬氣環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率均增大.

(3)當(dāng)在加載過(guò)程中引入保載時(shí)間時(shí),空氣中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯高于氬氣環(huán)境中.在氬氣中,隨著保載時(shí)間的延長(zhǎng),裂紋擴(kuò)展速率增大,此時(shí)蠕變作用促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展;在空氣中,在不同的保載時(shí)間下,高溫氧化作用對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響不同.當(dāng)保載時(shí)間為60 s時(shí),高溫氧化作用對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響不明顯,表明此時(shí)裂紋擴(kuò)展速率與循環(huán)有關(guān);當(dāng)保載時(shí)間增加到360 s和1 200 s時(shí),裂紋擴(kuò)展速率隨時(shí)間延長(zhǎng)呈線性增大,此時(shí)因高溫氧化及蠕變等時(shí)間相關(guān)因素的交互作用促進(jìn)了裂紋擴(kuò)展.

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