不同溫度環(huán)境下CrMoW轉(zhuǎn)子鋼超高周疲勞行為研究

謝少雄李久楷侯 方劉永杰王清遠(yuǎn)張軍輝

（1.四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；3.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠，上海 200240）

不同溫度環(huán)境下CrMoW轉(zhuǎn)子鋼超高周疲勞行為研究

謝少雄1，李久楷2，侯 方2，劉永杰2，王清遠(yuǎn)1，2，張軍輝3

（1.四川大學(xué)空天科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；3.上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠，上海 200240）

利用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，研究CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在常溫與600℃條件下的超高周疲勞特性。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用三參數(shù)模型擬合，用掃描電子顯微鏡（SEM)對疲勞斷口進(jìn)行分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，600℃下的S-N曲線呈現(xiàn)直線下降的趨勢，不存在傳統(tǒng)意義上的疲勞極限。高溫會加速試樣的氧化，促進(jìn)裂紋的萌生與擴(kuò)展，降低材料的疲勞壽命。斷口分析表明：疲勞裂紋主要萌生于試樣表面，很少發(fā)現(xiàn)裂紋萌生于內(nèi)部的情形。在600℃下，裂紋萌生區(qū)普遍發(fā)現(xiàn)有夾雜物。對試驗(yàn)前后轉(zhuǎn)子鋼硬度值進(jìn)行測量，沒有發(fā)生明顯變化。

CrMoW轉(zhuǎn)子鋼；高溫超高周疲勞；夾雜物；硬度

0 引 言

超超臨界發(fā)電機(jī)組具有能耗小、效率高、低排放等優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展超超臨界機(jī)組將是我們清潔煤發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向，也是解決電力短缺、環(huán)境污染以及提高能源利用率的最有效途徑。目前，各國都在致力于發(fā)展超超臨界發(fā)電設(shè)備[1-2]?，F(xiàn)代超超臨界汽輪機(jī)的蒸汽溫度達(dá)到600℃、蒸汽壓力達(dá)到30MPa，這種工作環(huán)境下對材料性能的要求很高。轉(zhuǎn)子作為汽輪機(jī)組中關(guān)鍵的受力和高速旋轉(zhuǎn)部件，機(jī)組在長期的啟動、停機(jī)或者負(fù)荷變動過程中，轉(zhuǎn)子材料不斷老化，材料的強(qiáng)度以及韌性劣化，復(fù)雜的服役環(huán)境使得材料的損傷程度加大；同時(shí)轉(zhuǎn)子也會承受高達(dá)1010～1011周次循環(huán)荷載的作用，最終導(dǎo)致材料疲勞而失效。為了轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行，對轉(zhuǎn)子材料進(jìn)行高周甚至超高周疲勞壽命的研究顯得十分必要。

9%CrMoW鋼是在9Cr1Mo鋼的基礎(chǔ)上添加W，發(fā)展出來的新一代超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子X12Cr-MoWVNbN10-1-1耐熱鋼[3]。通過加入1%的W，降低Mo含量以避免形成鐵素體，形成以W為主的W-Mo復(fù)合固溶強(qiáng)化，X12CrMoWVNbN10-1-1耐熱鋼在30 MPa的水蒸汽環(huán)境中最高使用溫度可以達(dá)到650℃，具有良好的綜合性能，能夠更好的適應(yīng)汽輪機(jī)組中的惡劣環(huán)境，如今已經(jīng)應(yīng)用于超超臨界汽輪機(jī)組零件特別是中高壓轉(zhuǎn)子上。作為引進(jìn)到國內(nèi)的新鋼種，此鋼的國產(chǎn)化技術(shù)水平與我國超超臨界高中壓轉(zhuǎn)子用鋼發(fā)展的巨大需求相比有較大的差距。目前，對此轉(zhuǎn)子鋼的研究大多集中在微觀組織、蠕變性能以及低周疲勞上[4-6]，還沒有關(guān)于此轉(zhuǎn)子鋼高溫超高周疲勞方面的報(bào)道。本文將利用旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，完成CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在室溫和600℃下的超高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞對比試驗(yàn)。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 材料與試樣

試驗(yàn)材料為超超臨界汽輪機(jī)CrMoW轉(zhuǎn)子鋼，牌號：X12CrMoWVNbN10-1-1。其主要化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1和表2。兩組試驗(yàn)分別在室溫和600℃條件下進(jìn)行，應(yīng)力比R=-1。疲勞試驗(yàn)采用純彎曲式旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試樣，圖1為常溫與600℃條件下的疲勞試樣尺寸。試樣加工嚴(yán)格按照疲勞試樣加工工藝，要求所采用的機(jī)械加工在表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和加工硬化盡可能的小，表面質(zhì)量應(yīng)均勻一致。

1.2 試驗(yàn)方法

疲勞機(jī)為H-7旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，加載頻率為50Hz，試驗(yàn)裝置簡圖如圖2所示。試驗(yàn)所加載的應(yīng)力大小取決于砝碼，通過加載不同重量的砝碼，獲取對應(yīng)的疲勞壽命。

表1 CrMoW轉(zhuǎn)子鋼化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 CrMoW轉(zhuǎn)子鋼力學(xué)性能

圖1 疲勞試樣（單位：mm)

圖2 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)

使用掃描電子顯微鏡（SEM)對試驗(yàn)材料進(jìn)行斷口的觀察，分析疲勞破壞的微觀機(jī)理。采用維氏硬度儀對試驗(yàn)材料進(jìn)行硬度測試，試驗(yàn)加載力為4.9 N，加載力保持時(shí)間為15s。通過測得壓痕的兩條對角線長度的算術(shù)平均值換算得到該材料每一點(diǎn)的硬度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 S-N曲線

2.1.1 常溫試驗(yàn)

圖3為CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在常溫下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得到的S-N曲線。當(dāng)疲勞壽命在2×105-5×106周次范圍內(nèi)時(shí)，S-N曲線直線下降；但是當(dāng)疲勞壽命在5×106-1×108范圍內(nèi)時(shí)，S-N曲線趨于平緩，疲勞壽命越接近1×108周次時(shí)，曲線越趨于水平。其中，箭頭表示在該應(yīng)力下試驗(yàn)達(dá)到設(shè)定循環(huán)次數(shù)（1×108周次)，但是試樣沒有發(fā)生失效的結(jié)果。

在研究材料超高周壽命的特性時(shí)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的處理經(jīng)常用到三參數(shù)模型擬合：

式中：N——疲勞壽命；

S——循環(huán)應(yīng)力；

α、β——待定常數(shù)；

圖3 CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在常溫下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞數(shù)據(jù)及擬合曲線

S0——疲勞極限。

對圖3中的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行三參數(shù)模型擬合，其中α、β可以用最小二乘法求出。在三參數(shù)模型擬合中，確定S0是關(guān)鍵所在，S0值的選擇關(guān)系到擬合曲線線性相關(guān)性的好壞。為此，本文應(yīng)用數(shù)學(xué)推導(dǎo)，求出一系列的S0值與對應(yīng)的線性相關(guān)系數(shù)值r2，如圖4所示。選取最優(yōu)值對試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下：

由以上公式擬合出的曲線如圖4所示。

2.1.2 600℃試驗(yàn)

圖5為CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在600℃下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)得到的S-N曲線。當(dāng)疲勞壽命在2×105周次之前時(shí)，S-N曲線迅速下降；而當(dāng)超過該循環(huán)周次后，曲線下降相對緩慢；但是當(dāng)疲勞壽命在1×108周次左右時(shí)，曲線仍呈現(xiàn)下降的趨勢。用同樣的方法，對圖5中的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行三參數(shù)模型擬合，擬合結(jié)果如下：

以上公式擬合出的S-N曲線見圖5所示。試驗(yàn)點(diǎn)較好的分布在曲線的兩邊，表明曲線擬合效果較好。

2.1.3 不同溫度試驗(yàn)下S-N曲線對比分析

圖4 三參數(shù)模型擬合中疲勞極限與線性相關(guān)系數(shù)關(guān)系

圖5 CrMoW轉(zhuǎn)子鋼在600℃下的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞數(shù)據(jù)及擬合曲線

從圖3、圖5中可以看出，在常溫與600℃環(huán)境下，疲勞壽命都是隨應(yīng)力的減小而增大，并且試驗(yàn)得到的各個數(shù)據(jù)點(diǎn)分布良好，沒有發(fā)生明顯的分散。但是，不同的溫度表現(xiàn)出了不同的曲線趨勢。N=5×106周次之前，常溫下與600℃高溫下的試驗(yàn)曲線變化比較類似，都是快速下降，而超過這個循環(huán)周次后，常溫下的S-N曲線變化趨于緩和，但是高溫下的曲線繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于高應(yīng)力時(shí)，高溫作用的時(shí)間短，應(yīng)力大小對試件的疲勞斷裂起主要作用；當(dāng)應(yīng)力值小時(shí)，高溫作用時(shí)間增長，相應(yīng)的由溫度帶來的氧化程度和材料劣化加強(qiáng)，最終試件的失效是循環(huán)應(yīng)力與溫度共同作用的結(jié)果[7]。

常溫與600℃下的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果表明，高溫下的擬合結(jié)果優(yōu)于常溫，這是因?yàn)楦邷叵碌脑囼?yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)更加聚集，分散性更加不明顯。分別用式（2)和式（3)對疲勞壽命為105、106、107和108周次的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。圖中表明，疲勞強(qiáng)度隨著壽命的增大而下降，溫度對疲勞強(qiáng)度的影響明顯。在同一壽命下，常溫下的疲勞強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高溫。當(dāng)疲勞壽命處于106～108之間時(shí)，600℃高溫下，材料的疲勞強(qiáng)度下降更快。這是由于在溫度比較低時(shí)，位錯在材料內(nèi)部滑移需要較大的外應(yīng)力；而在高溫下，材料內(nèi)部熱激活過程比較活躍，有利于位錯的進(jìn)行，從而容易萌生疲勞裂紋。事實(shí)上，溫度的升高，導(dǎo)致了材料的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度的降低，從而使得材料的抗疲勞性能減弱[8]。而且，在高溫條件下，裂紋尖端始終處于氧飽和狀態(tài)，這使得暴露在空氣中的裂紋尖端處金屬容易被氧化而變脆，阻塞了裂紋尖端的塑性變形鈍化，促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展，也將導(dǎo)致材料的疲勞強(qiáng)度降低。

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子服役于600℃環(huán)境條件，按照30年服役期（N=3.8×1010)，可以由式（3)推算出對應(yīng)的中值疲勞強(qiáng)度約為133MPa。

圖6 試樣不同壽命階段的疲勞強(qiáng)度

2.2 斷口形貌以及斷裂機(jī)理分析

圖7、圖8為常溫與600℃高溫下試樣的斷口形貌圖。兩種溫度下，都能明顯的看到斷口上存在的疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，而且斷口都是與軸向應(yīng)力垂直的平斷口。在裂紋擴(kuò)展區(qū)，都能看到疲勞條紋跟少量的二次裂紋。在瞬斷區(qū)，存在比較明顯的韌窩形貌和大量的二次裂紋。韌窩形貌在疲勞斷口中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，主要是由于在裂紋快速擴(kuò)展過程中，材料內(nèi)部的顯微空洞快速長大和聚集，在滑移系的作用下空洞長大，最終產(chǎn)生韌窩形貌[9]。

在兩種不同的溫度下，裂紋主要萌生于試樣表面，很少發(fā)現(xiàn)裂紋萌生于內(nèi)部的情況，沒發(fā)現(xiàn)有魚眼特征的裂紋萌生區(qū)，這不同于一般高強(qiáng)鋼的萌生方式[8，10]。對于旋轉(zhuǎn)彎曲作用下的試樣來說，其表面的應(yīng)力往往比較大，這是裂紋萌生于表面的原因之一；同時(shí)，材料內(nèi)部晶粒的四周完全被其他晶粒所包圍，而表面晶粒所受的約束較少，因而比內(nèi)部晶粒易于滑移，再加上表面往往留有加工痕跡或劃傷，使其疲勞強(qiáng)度降低，導(dǎo)致裂紋易于萌生于表面；在高溫環(huán)境下，試樣表面處于高溫跟環(huán)境介質(zhì)的復(fù)雜影響中，表面容易產(chǎn)生氧化膜，由于其與基體的變形不協(xié)調(diào)將發(fā)生破裂，這些地方優(yōu)先成為裂紋萌生的位置。

在600℃條件下，大多試樣斷口裂紋萌生區(qū)有夾雜物析出。圖9（a)為裂紋萌生區(qū)顆粒狀夾雜物（圖8（a)中矩形區(qū)域)，夾雜物直徑大約為15μm；圖9（b)為此夾雜物能譜分析圖。能譜分析的結(jié)果表明，此夾雜物成分主要為Al2O3。夾雜物在表面析出促進(jìn)了裂紋萌生于表面，這是由于夾雜物的彈性模量跟周圍基體相差較大，在循環(huán)荷載的作用下，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，因此，夾雜物處容易成為裂紋萌生的位置。

2.3 硬度分析

圖7 室溫條件下疲勞斷口形貌（σ=436MPa，N=3.08×107)

圖8 600℃條件下疲勞斷口形貌（σ=248MPa,N=6.72×106)

圖9 萌生區(qū)夾雜物及能譜分析

圖10 疲勞加載前后試樣截面上的硬度分布

為了獲得疲勞加載前后試樣截面上的硬度分布情況，取試驗(yàn)前與試驗(yàn)后的試樣（600℃，σ=228MPa，N=4.36×107)，從試樣外表面到截面中心點(diǎn)范圍內(nèi)，取一些點(diǎn)進(jìn)行硬度值的測量，結(jié)果如圖10。從試樣表面到截面中心距離上，所有測點(diǎn)的硬度值保持在293.06 HV上下浮動，說明實(shí)驗(yàn)前后材料的硬度值保持不變。已有研究表明，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼經(jīng)過疲勞試驗(yàn)后，會表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力循環(huán)軟化和材料硬度下降的趨勢[11-12]。事實(shí)上，硬度值的大小跟材料的微觀組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。CrMoW轉(zhuǎn)子鋼是一種組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較好的耐熱鋼，在600℃高溫下，其晶界、馬氏體板條界以及界面上的顆粒狀碳化物M23C6沒有顯著的變化，但是在晶內(nèi)以及馬氏體板條內(nèi)部有MC型碳化物的析出[4，6]。M23C6型碳化物是鋼材料中常見的、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的碳化物，對結(jié)構(gòu)起到釘扎位錯、降低晶界應(yīng)力的作用。而細(xì)小的MC型碳化物的沉淀析出，有助于材料性能和組織結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步穩(wěn)定[13]。材料在長期高溫加載過程中，M23C6與MC型碳化物對基體的強(qiáng)化作用，是導(dǎo)致材料硬度沒有發(fā)生變化的主要原因。

3 結(jié)束語

1)對常溫與600℃下試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行三參數(shù)擬合，結(jié)果表明，600℃下擬合效果優(yōu)于常溫，并且在600℃下，不存在傳統(tǒng)意義上的極限疲勞。根據(jù)600℃下的擬合公式可以推算出，汽輪機(jī)30年服役期（N= 3.8×1010)對應(yīng)的中值疲勞強(qiáng)度約為133MPa。

2)試樣斷口分析表明，疲勞裂紋源主要萌生于試樣表面。在600℃溫度下，裂紋萌生區(qū)有夾雜物析出，經(jīng)能譜分析為Al2O3。

3)CrMoW轉(zhuǎn)子鋼具有較好的微觀組織穩(wěn)定性。試驗(yàn)前后，試樣的硬度值沒有發(fā)生明顯的變化。

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Very high cycle fatigue behavior of CrMoW rotor steel at different temperature

XIE Shaoxiong1，LI Jiukai2，HOU Fang2，LIU Yongjie2，WANG Qingyuan1，2，ZHANG Junhui3
（1.School of Aeronautics and Astronautics，Sichuan University，Chengdu 610065，China；2.College of Architecture and Environment，Sichuan University，Chengdu 610065，China；3.Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd.，Shanghai Turbine Plant，Shanghai 200240，China）

Rotating bending fatigue tests were performed to evaluate the very high cycle fatigue properties of CrMoW rotor steel at room temperature and 600℃.The experimental data was fitted by three parameter models and the fracture morphology was observed by SEM.The results show that theS-Ncurve presents a continuously descending shape at 600℃ and a conventional fatigue limit is not obtained.The oxidation of the specimen is accelerated at the elevated temperature. Accordingly，the crack initiation and crack propagation are also promoted so that the fatigue life is decreased.From the result of fractography，the fatigue fracture mainly occurs on the surface of the specimen and the interior crack initiation is hardly found.The inclusion is generally observed in the crack initiation area at 600℃.It is also found that the hardness value of the materials has no obvious changes before and after the test.

CrMoW rotor steel；high temperature very high cycle fatigue；inclusion；hardness

A

：1674-5124（2015）10-0013-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.10.003

2015-05-14；

：2015-06-19

國家自然科學(xué)基金（11327801，11172188，11302142)

謝少雄（1989-)，男，甘肅天水市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)椴牧系钠谂c斷裂。

王清遠(yuǎn)（1965-），男，重慶市人，教授，博導(dǎo)，主要從事新型材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)問題、超長壽命疲勞與可靠性等研究。