600 MPa級(jí)磁軛用鋼循環(huán)載荷下的溫度變化與疲勞極限評(píng)定

王世海 付培茂 曹永錄 薛永平 王樹邦 王卓然 王文先 閆志峰

(1.山西太鋼不銹鋼股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030003； 2.太原理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

磁軛是連接轉(zhuǎn)子體軸與磁極的連接體，是水輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件[1]，用多片磁軛鋼板疊裝而成。為保證水輪機(jī)機(jī)組的平衡與穩(wěn)定，要求磁軛鋼板具有較高的表面質(zhì)量和裝配精度。隨著百萬千瓦級(jí)水電機(jī)組的成功研發(fā)，對(duì)磁軛鋼板的強(qiáng)度要求也更為嚴(yán)格[2- 3]。

600 MPa級(jí)磁軛用鋼屬于低碳微合金鋼，具有較高的靜載強(qiáng)度和斷裂韌性，目前應(yīng)用較為廣泛。但磁軛在使用中承受循環(huán)載荷的作用，因此研究其循環(huán)斷裂行為和疲勞極限的評(píng)定具有重要意義[4- 5]。

常規(guī)疲勞極限測(cè)試存在試樣多、試驗(yàn)周期長等缺點(diǎn)?；谀芰哭D(zhuǎn)化理論，材料在循環(huán)變形過程中表面溫度會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化，故可以利用溫度的變化預(yù)測(cè)材料的疲勞極限。紅外熱像法是通過測(cè)量材料發(fā)生位錯(cuò)滑移等變化引起的能量變化來反映材料表面溫度場(chǎng)的差異。相比于傳統(tǒng)測(cè)試方法，紅外熱像法具有試樣少、耗時(shí)少、測(cè)試精確等優(yōu)點(diǎn)[6- 10]。

本文采用紅外熱像法分析材料疲勞過程中的溫度變化、斷裂以及在疲勞過程中的循環(huán)變形行為，對(duì)載荷與溫度穩(wěn)定值進(jìn)行線性擬合，評(píng)定600 MPa級(jí)磁軛用鋼的疲勞極限。

1 試驗(yàn)材料及方法

研究用材料為4 mm厚的600 MPa級(jí)磁軛用鋼板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 研究用600 MPa級(jí)磁軛用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

參照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣，其尺寸如圖1所示，拉伸試驗(yàn)的加載速率為1 mm/min。

圖1 拉伸試樣的尺寸

疲勞試驗(yàn)在SDS- 100電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，參照GB/T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》加工試樣，表面粗糙度小于0.2 μm，其尺寸如圖2所示。拉伸和疲勞試驗(yàn)過程中采用VarioCAM?hr紅外熱像儀測(cè)定材料表面溫度。為提高試樣表面的發(fā)射率，確保溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確穩(wěn)定，在試樣表面涂一層黑色啞光漆。疲勞試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)應(yīng)力比為-1，加載頻率為20 Hz。疲勞試驗(yàn)機(jī)與紅外熱像儀如圖3所示。

圖2 疲勞試驗(yàn)試樣的尺寸

圖3 SDS- 100電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)(a)和VarioCAM?hr紅外熱像儀(b)

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 基于應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的拉伸性能評(píng)定

600 MPa級(jí)磁軛用鋼的拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖4所示，拉伸性能如表2所示。從拉伸應(yīng)力- 應(yīng)變曲線可以看出，試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性較好，鋼的平均抗拉強(qiáng)度為726 MPa，平均屈服強(qiáng)度為659 MPa。

圖4 600 MPa級(jí)磁軛用鋼的拉伸曲線

表2 600 MPa級(jí)磁軛用鋼的拉伸性能

2.1.2 基于溫度- 應(yīng)力- 應(yīng)變的拉伸性能評(píng)定

拉伸過程中600 MPa級(jí)磁軛用鋼的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線與試樣表面溫度變化之間的關(guān)系如圖5所示，拉伸變形主要包括彈性變形、 彈塑性變形及塑性變形3個(gè)階段。與應(yīng)力- 應(yīng)變曲線相對(duì)應(yīng)，溫度變化可分為彈性下降階段、塑性上升階段、斷裂時(shí)的溫度驟升階段以及試樣斷后的溫度下降階段。

圖5 600 MPa級(jí)磁軛用鋼的拉伸曲線和溫度變化

材料拉伸初期的溫度下降階段可用熱彈性效應(yīng)進(jìn)行分析，其本構(gòu)關(guān)系為[11- 13]：

(1)

基于應(yīng)力- 應(yīng)變- 溫度方程之間的關(guān)系，控制方程由方程中的熱傳導(dǎo)部分給出：

(2)

式中：T為絕對(duì)溫度;α為線膨脹系數(shù);Cε為恒應(yīng)變比熱容;ρ為材料密度;σij為應(yīng)力變化的張量;Q為熱輸入;εij為應(yīng)變變化的張量。

恒壓比熱容和恒應(yīng)變比熱容之間的換算關(guān)系為：

(3)

拉伸過程屬于單軸受載，式(3)可簡化為：

(4)

隨著拉伸過程的持續(xù)進(jìn)行，材料迅速進(jìn)入塑性變形階段。由于材料的加載速率不變，塑性變形量呈線性增大。由于熱塑性效應(yīng)，溫度也呈線性升高[12]。溫度從下降到上升的轉(zhuǎn)折點(diǎn)B′與材料拉伸過程中的屈服點(diǎn)B相對(duì)應(yīng)，即材料拉伸過程中由彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段是一個(gè)溫度下降再上升的過程。隨著應(yīng)變的持續(xù)增大，材料出現(xiàn)頸縮。表3為各變形階段試樣表面的溫度，可以看出，頸縮處的溫度高于其他部位，斷裂前材料頸縮處溫度仍不斷升高，直至斷裂。加載至D點(diǎn)時(shí)試樣處于斷后冷卻階段，溫度逐漸下降至室溫。

表3 拉伸試驗(yàn)過程中試樣表面溫度的變化

2.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 基于S-N曲線的疲勞極限評(píng)定

疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力幅值分別為225、270、300、320、340、350和390 MPa。應(yīng)力幅值與循環(huán)次數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4所示。采用最小二乘法擬合的600 MPa級(jí)磁軛用鋼在失效概率水平(P)為50%、置信度為95%時(shí)的S-N曲線如圖6所示。擬合的S-N曲線的直線方程為lgσa=-0.09lgN+3.03。測(cè)得107循環(huán)次數(shù)下的疲勞極限為270 MPa。

表4 疲勞試驗(yàn)過程中應(yīng)力幅值與其對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)

圖6 600 MPa級(jí)磁軛用鋼的S- N曲線

2.2.2 疲勞過程中的變形行為

疲勞試驗(yàn)時(shí)采用紅外熱像儀測(cè)定試樣疲勞過程中的溫度變化。在350 MPa應(yīng)力幅值條件下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)試樣表面溫度的變化如圖7所示。圖7表明，溫度變化可分為初始溫升、溫度平衡、斷裂溫度陡升和斷后冷卻4個(gè)階段。

圖7 600 MPa級(jí)磁軛用鋼以350 MPa的載荷疲勞試驗(yàn)過程中的溫度變化

在初始溫升階段，試樣產(chǎn)生局部塑性變形并釋放能量， 且大部分能量以熱能的形式釋放。加載初期塑性變形產(chǎn)生的能量大于散熱量，溫度顯著升高；在溫度平衡階段，由于加工硬化，循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變趨于穩(wěn)定。同時(shí)，在循環(huán)載荷下，由于外加載荷產(chǎn)生的熱量與散失的熱量平衡，導(dǎo)致試樣表面溫度趨于穩(wěn)定；在接近最終疲勞斷裂時(shí)試樣的溫度突然升高。溫升速率ΔT與材料疲勞壽命之間的關(guān)系為[14- 16]：

(5)

式中：t為循環(huán)時(shí)間，Nf為失效循環(huán)次數(shù)，C′、G、b′為與材料性能和試驗(yàn)環(huán)境有關(guān)的系數(shù)。

以350 MPa的載荷疲勞試驗(yàn)過程中600 MPa級(jí)磁軛用鋼的循環(huán)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線如圖8(a)所示。雖然載荷低于鋼的屈服強(qiáng)度，但隨著循環(huán)周次的增加，循環(huán)應(yīng)變向右偏移。圖8(b)中數(shù)據(jù)點(diǎn)為350 MPa載荷下循環(huán)應(yīng)變的最大位移值，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，得出藍(lán)色3段線?？梢姡?0 000個(gè)循環(huán)周次內(nèi)，材料發(fā)生顯著塑性變形，曲線快速上升，與圖7初始循環(huán)過程中溫度線性上升的規(guī)律相對(duì)應(yīng)。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，因加工硬化，只產(chǎn)生微小的塑性變形，曲線趨于平緩；在最后幾個(gè)循環(huán)過程中，材料處于失穩(wěn)狀態(tài)，變形快速增大，試樣的表面溫度也如圖7所示的快速升高。

圖8 以350 MPa的載荷疲勞試驗(yàn)時(shí)600 MPa級(jí)磁軛用鋼的循環(huán)應(yīng)力- 應(yīng)變曲線(a)和循環(huán)次數(shù)- 應(yīng)變曲線(b)

2.2.3 基于溫度變化的600 MPa級(jí)磁軛用鋼疲勞極限評(píng)定

以不同載荷疲勞試驗(yàn)過程中試樣的溫度變化如圖9(a)所示，不同應(yīng)力幅下材料的溫度變化趨勢(shì)基本相同。當(dāng)施加的載荷較大時(shí)，隨著載荷的增大，試樣的溫升也增大。施加的載荷較小時(shí)，溫度平穩(wěn)階段的時(shí)間幾乎為疲勞壽命的90%。以不同載荷疲勞試驗(yàn)過程中試樣溫度達(dá)到穩(wěn)定階段的溫升值如表5所示。在低應(yīng)力狀態(tài)下，溫度升高的速率較小。當(dāng)應(yīng)力幅較大時(shí)，試樣溫升值也增大。分別在低應(yīng)力和高應(yīng)力下對(duì)應(yīng)力幅值與溫升值進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖9(b)所示。兩直線的交點(diǎn)即為600 MPa級(jí)磁軛用鋼產(chǎn)生明顯塑性變形的拐點(diǎn)。

圖9 以175～390 MPa載荷疲勞試驗(yàn)過程中試樣的溫升(a)和溫升隨疲勞應(yīng)力的變化(b)

表5 以不同載荷疲勞試驗(yàn)過程中溫度穩(wěn)定時(shí)試樣的表面溫升

金屬材料疲勞斷裂過程主要包括裂紋萌生、擴(kuò)展、斷裂3個(gè)階段。裂紋萌生與材料不可逆變形有關(guān)。因此，圖9(b)中的拐點(diǎn)與循環(huán)載荷下的裂紋萌生有關(guān)，為材料的疲勞極限。根據(jù)溫度- 應(yīng)力曲線測(cè)定的疲勞極限為277 MPa，與根據(jù)圖6所示的S-N曲線測(cè)定的疲勞極限270 MPa相比僅相差2.5%。

3 結(jié)論

(1)600 MPa級(jí)磁軛用鋼疲勞試驗(yàn)過程中的溫度變化可分為初始溫升、溫度平衡、斷裂溫度陡升及斷后冷卻4階段，采用紅外熱像儀可對(duì)材料的疲勞過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

(2)600 MPa級(jí)磁軛用鋼疲勞過程中的循環(huán)變形過程可分為循環(huán)變形量增大、加工硬化導(dǎo)致的變形穩(wěn)定及變形量陡增3個(gè)階段，與疲勞過程中的溫度變化過程相對(duì)應(yīng)。

(3)采用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法評(píng)定的600 MPa級(jí)磁軛用鋼的疲勞極限為270 MPa，采用紅外熱像法測(cè)定的600 MPa級(jí)磁軛用鋼的疲勞極限為277 MPa，兩者相差2.5%，說明采用紅外熱像法測(cè)定600 MPa級(jí)磁軛用鋼的疲勞性能是可行的。