汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼斷裂韌度試驗(yàn)方法的研究

代海燕 田 宇 王麗艷 李明君

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱150046)

大量文獻(xiàn)報(bào)道，汽輪機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子長期服役在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的嚴(yán)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(kuò)展成裂紋。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼斷裂韌度JIC值是表征材料在高溫下抵抗裂紋擴(kuò)展能力的重要指標(biāo)，對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(zhǔn)斷裂韌度國標(biāo)GBT 21143—2014中有效判據(jù)規(guī)定，至少需要6塊試驗(yàn)試樣，而實(shí)際試驗(yàn)中試驗(yàn)點(diǎn)較為分散，無效點(diǎn)多，一般需要9～15塊試驗(yàn)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(fèi)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(jì)算出J-R阻力曲線上的一系列點(diǎn)[4-5]。國標(biāo)GBT 21143—2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)中只給出計(jì)算斷裂韌度的指南，并沒有給具體的計(jì)算方法。實(shí)際上，載荷分離法中涉及求微分面積，曲線上點(diǎn)的規(guī)則化處理、計(jì)算點(diǎn)對曲線切點(diǎn)位置以及非線性函數(shù)擬合都是較為復(fù)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(fù)運(yùn)算后計(jì)算量也較大，需要借助計(jì)算機(jī)編制程序進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jì)算每份對應(yīng)的線下面積，分別記為Up1～Up1999。近似為梯形進(jìn)行計(jì)算。

(4)計(jì)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(jì)算對應(yīng)的a0值。

(7)將實(shí)際裂紋長結(jié)果帶入，進(jìn)行規(guī)則化處理。

(8)從最終規(guī)則化試驗(yàn)點(diǎn)向前面的數(shù)據(jù)做切線，計(jì)算點(diǎn)對曲線切點(diǎn)位置。采用切點(diǎn)左側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)及最終規(guī)則化試驗(yàn)點(diǎn)來做規(guī)則化函數(shù)擬合。得到繪制J-R曲線上的系列點(diǎn)。

2 斷裂韌度測試試驗(yàn)

2.1 試料加工

試驗(yàn)材料取自汽輪機(jī)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(yàn)方法

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

2.2.1 預(yù)制疲勞裂紋

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

2.2.2 加工側(cè)槽

預(yù)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(yàn)

將試樣裝卡上高溫引伸計(jì)。試樣加熱至試驗(yàn)溫度550℃后保溫40 min。試驗(yàn)在試驗(yàn)機(jī)橫梁位移的控制條件下進(jìn)行，位移速率為0.015 mms。應(yīng)力強(qiáng)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(dá)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(yàn)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(jìn)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(yàn)。

2.2.5 測量裂紋長

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 載荷分離法結(jié)果

為驗(yàn)證載荷分離法試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和穩(wěn)定性，試樣1-1、1-2均加載到剛剛超過最大試驗(yàn)力值后卸載。試驗(yàn)機(jī)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(yàn)條件下的兩次試驗(yàn)F-V曲線略有不同，但最大力值是非常接近的。試樣1-2達(dá)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(jìn)行計(jì)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(jì)算的J-Δa曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)，按GBT 21143—2014中要求的指數(shù)方程形式進(jìn)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(yàn)的斷裂韌度值分別為179 kJm2和189 kJm2?？梢妰纱卧囼?yàn)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(yàn)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(yàn)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(jìn)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(diǎn)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(jì)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(jì)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(diǎn)，解決了載荷分離法中涉及求微分面積，曲線上點(diǎn)的規(guī)則化處理、計(jì)算點(diǎn)對曲線切點(diǎn)位置以及非線性函數(shù)擬合等復(fù)雜問題，設(shè)計(jì)了載荷分離法的計(jì)算機(jī)處理程序，可實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確處理斷裂韌度測試試驗(yàn)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(jī)高壓轉(zhuǎn)子鋼在高溫550℃下的斷裂韌度測試試驗(yàn)，并擬合獲得了J-Δa阻力曲線。兩次載荷分離法的試驗(yàn)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(yàn)證了載荷分離法測轉(zhuǎn)子鋼斷裂韌度的自編試驗(yàn)程序和測試方法的有效性和可靠性。