超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子X12CrM oWVNbB10-1-1鋼棘輪效應的試驗研究

趙 鵬, 軒福貞, 涂善東

(華東理工大學 承壓系統(tǒng)安全科學教育部重點實驗室,上海 200237)

在非對稱應力循環(huán)載荷作用下,由于平均應力的存在,材料的非彈性變形將產(chǎn)生循環(huán)累積,這種現(xiàn)象稱為材料的棘輪效應.棘輪效應廣泛存在于壓力容器和管道、輪軌接觸疲勞、緊固連接和密封技術(shù)等工程問題中,是工程設計中必須考慮的重要因素[1].然而,早期對超超臨界電廠高溫部件壽命和可靠性的研究主要關(guān)注疲勞和蠕變機制及兩者的交互作用,往往忽略了棘輪效應的影響,給機組的長周期可靠運行帶來了不安全因素.在高溫、高壓下,材料和結(jié)構(gòu)的損傷往往來源于多種機制,且各種機制之間并不是孤立的,常常有顯著的交互作用[2-3].因此,為保證機組的穩(wěn)定運行,在進行壽命和可靠性分析時,必須考慮棘輪、蠕變和疲勞之間存在的交互作用.

近20年,國內(nèi)外對材料的棘輪效應進行了大量的試驗及理論研究[4-5],但以往對棘輪效應的研究主要集中于棘輪效應本身的試驗研究和本構(gòu)模型構(gòu)建方面,對材料的棘輪與蠕變/疲勞等各種機制的交互作用及其對壽命的研究卻鮮見報道.因此,本文探討了超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子X12CrMoWVNbB10-1-1鋼的棘輪和蠕變的交互作用及其對壽命評估的影響.

1 試驗方法

試驗材料X12CrM oWVNbB10-1-1鋼直接從超超臨界機組汽輪機轉(zhuǎn)子上切割獲得.在高溫電子CSS-3905蠕變試驗機上由載荷控制進行棘輪效應試驗,試驗溫度為600℃,環(huán)境為試驗室大氣,波形為梯形波,在峰值應力處保持,具體試驗參數(shù)見表1.共進行了3種類型的試驗,其中保持時間為零和無窮大時的試驗分別代表純疲勞試驗和蠕變試驗,而其他改變保持時間的試驗是為了研究材料在蠕變-疲勞載荷下的棘輪效應.

表1 棘輪效應試驗參數(shù)Tab.1 Experimenta l parameters for ratchet ef fect test

定義棘輪應變?yōu)?

式中 :εR 代表棘輪應變 ;εmax和 εmin分別為每一個循環(huán)中的應變最大值和應變最小值.

棘輪應變率定義了2種形式:一種形式為與循環(huán)有關(guān)的dεR/d N,即每一個加載循環(huán)下棘輪應變的增量;為了與純?nèi)渥冃袨檫M行比較,文中還定義了另一種與時間有關(guān)的dεR/d t,即一個單位時間下棘輪應變的增量.

2 結(jié)果與討論

2.1 棘輪行為

圖1為不同保持時間下X12CrMoWVNbB10-1-1鋼的棘輪應變隨循環(huán)次數(shù)的變化圖.由圖1可見,棘輪效應隨循環(huán)次數(shù)的變化與一般的蠕變應變隨時間的變化趨勢相似,可以分為3個階段:①瞬態(tài)階段,棘輪應變速率范圍隨著循環(huán)的進行而減小;②穩(wěn)態(tài)階段,棘輪應變速率基本保持為一常數(shù),本文把處于此階段的應變速率定義為穩(wěn)態(tài)棘輪應變速率;③加速階段,棘輪應變速率迅速增大,致使試樣快速失效.由此可知,隨著保持時間的延長,材料棘輪應變的穩(wěn)態(tài)階段越短,并且越早進入加速階段.

圖1 保持時間對X12C rMoWVNbB10-1-1鋼棘輪行為的影響Fig.1 Influence of hold time on ratcheting behavior of X12C rMoWVNbB10-1-1 steel

圖2(a)為加載頻率對X12C rMoWVNbB10-1-1材料穩(wěn)態(tài)棘輪應變速率的影響,為了與蠕變行為進行比較,圖2(b)列出了材料在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)單位時間應變速率隨頻率的變化,其中蠕變的頻率定義為0.由圖2可知,材料的應變速率隨著頻率的增加而逐步降低,這表明加卸載階段會降低材料的棘輪效應.隨著頻率的增加,加卸載所占分數(shù)也會逐步增加,從而會逐步降低材料的棘輪效應.Ma等[6]的研究表明,加載階段產(chǎn)生的滯彈性行為會降低材料的循環(huán)蠕變(棘輪),從而造成循環(huán)蠕變(棘輪效應)的減速現(xiàn)象.Sawada等[7]研究發(fā)現(xiàn),由于P92鋼回火組織中板條結(jié)構(gòu)非常復雜,且板條界面的移動與時間有關(guān),從而使P92鋼表現(xiàn)出明顯的滯彈性行為.本文所研究的X12CrMoWVNbB10-1-1材料和P92同屬于9%～12%Cr鋼,同樣具有復雜的回火板條結(jié)構(gòu),這表明滯彈性可能是造成棘輪效應減速的主導機制.

圖2 加載頻率對X12CrMoWVNbB10-1-1材料穩(wěn)態(tài)循環(huán)應變速率和穩(wěn)態(tài)時間應變速率的影響Fig.2 Influence of loading frequency on cyclic steady strain rate and unit time steady strain rate of X12C rM oWVNbB10-1-1 steel

2.2 壽命評估

圖3為X12CrM oWVNbB10-1-1材料的穩(wěn)態(tài)時間應變速率與時間壽命的關(guān)系.由圖3可見,在雙對數(shù)坐標下,在保持時間≥5 min的情況下,材料的穩(wěn)態(tài)應變速率和壽命呈良好的線性關(guān)系,不管是蠕變數(shù)據(jù)還是棘輪數(shù)據(jù),都處于同一條直線上,符合蠕變壽命評估公式Monkman-Grant關(guān)系,這表明在較大的保持時間下,材料的壽命由與時間相關(guān)的靜態(tài)蠕變機制控制.這與本文的疲勞試驗結(jié)果相符,在純疲勞情況下,X 12CrM oWVNbB10-1-1材料的循環(huán)壽命＞6×104次,表明在本研究范圍內(nèi)材料的疲勞損傷很小,材料的壽命主要由蠕變損傷控制.但對于保持時間為2m in的情況,棘輪應變和壽命的關(guān)系明顯不符合上述機制,說明在低保持時間下材料可能具有不同的損傷機制.

圖3 X12CrM oWVNbB10-1-1材料穩(wěn)態(tài)時間應變速率與時間壽命的關(guān)系Fig.3 Unit time steady strain rate vs.time life of X12C rM oWVNbB10-1-1 steel

圖4是X12CrM oWVNbB10-1-1材料的棘輪及蠕變應變隨時間壽命分數(shù)的演化曲線.從圖4可以看出,在具有較大保持時間(＞2 min)的循環(huán)載荷中,棘輪應變隨歸一化壽命的演化曲線基本上與材料的純?nèi)渥兦€重合.結(jié)合圖3的結(jié)果發(fā)現(xiàn),在較大保持時間內(nèi),棘輪應變本質(zhì)上與蠕變行為沒什么差別,材料的壽命由棘輪應變演化控制,也就是由蠕變損傷控制.然而,在保持時間為2 min的情況下,材料棘輪應變的演化與其他時間的明顯不同,似乎有某種機制抑制了材料在低保持時間內(nèi)棘輪效應的產(chǎn)生.為了深入探討保持時間對棘輪應變的影響,必須細致分析材料的棘輪組成.

圖4 歸一化時間壽命下X12C rM oWVNbB10-1-1材料的棘輪及蠕變應變演化曲線Fig.4 Evolution of ratcheting and creep strain in terms of normalized time life

在具有保持時間的循環(huán)載荷下,材料的棘輪應變εR可以分為兩部分:一是純交變載荷下產(chǎn)生的非彈性應變循環(huán)累積εR1;二是在保持時間段內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應變循環(huán)累積εR2.從圖5可以看出,保持時間會影響純交變載荷下產(chǎn)生的非彈性應變循環(huán)累積εR1,當保持時間≥5m in時,純交變載荷下產(chǎn)生的棘輪效應εR1會出現(xiàn)安定現(xiàn)象(圖5中只列出了保持時間為2min和 30min的結(jié)果.5m in、10m in和 20 min的結(jié)果與30 min的類似).而當保持時間為2 min時,材料的棘輪應變率ε?R1在經(jīng)歷過一個瞬態(tài)階段后,幾乎保持穩(wěn)定,并不會出現(xiàn)安定現(xiàn)象.交變載荷下產(chǎn)生的εR1和在保持時間內(nèi)產(chǎn)生的εR2存在交互作用,從而抑制了棘輪效應的產(chǎn)生,進而導致棘輪應變在低保持時間下出現(xiàn)不同的演化形式.

Date等[8]的研究表明,拉伸棘輪效應(即本文中在交變載荷下產(chǎn)生的棘輪應變εR1)對壽命的降低程度遠大于同等數(shù)量的預應變.而Yang等[9]的研究同樣表明,在傳統(tǒng)的蠕變或疲勞中材料的斷裂壽命與穩(wěn)態(tài)蠕變速率或循環(huán)塑性應變之間的關(guān)系無法適用于存在棘輪(即本文的εR1)和疲勞交互作用的情況下.對上述前人研究的分析發(fā)現(xiàn),棘輪應變εR1的損傷不能簡單的通過累積應變來度量.雖然在保持時間段內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應變循環(huán)累積εR2的損傷是與時間有關(guān)的,但是由于蠕變變形累積和塑性應變累積屬于不同性質(zhì)的損傷,因此它們對材料壽命的影響具有不同的機制.而應變εR1的累積只能度量棘輪效應εR1的部分損傷,無法反映其對損傷循環(huán)特性的影響.因此,筆者提出采用應變εR1和循環(huán)塑性應變之和來度量每個循環(huán)的棘輪應變εR1損傷,這樣既可以反映棘輪效應的時間相關(guān)特性,又可以反映棘輪損傷的循環(huán)特性.

圖5 保持時間對X 12CrMoWVNbB10-1-1材料在交變載荷下產(chǎn)生的棘輪應變率R1的影響Fig.5 Influence of hold time on unit time strain rate under cyclic loading conditions

上述結(jié)果表明,由于保持時間會影響純交變載荷下產(chǎn)生的非彈性應變循環(huán)累積εR1,在低保持時間和高保持時間區(qū)內(nèi),材料具有不同的損傷機制.因此,在進行材料的壽命評估時,必須進行分區(qū)分析,將試驗數(shù)據(jù)分為高保持時間和低保持時間區(qū),在不同區(qū)域采用不同的損傷參量.由圖6可知,利用分區(qū)分析的方法可以進行精確的壽命預測.

3 結(jié) 論

(1)X12CrM oWVNbB10-1-1材料的棘輪效應表現(xiàn)出明顯的時間相關(guān)特性.材料的穩(wěn)態(tài)棘輪應變速率低于同等條件下的蠕變速率,顯現(xiàn)出棘輪減速現(xiàn)象,并且隨著加載頻率的增加,材料的穩(wěn)態(tài)棘輪應變速率逐漸減小.

(2)X12C rMoWVNbB10-1-1材料在高保持時間和低保持時間內(nèi)具有不同的棘輪演化行為,這種區(qū)別來源于不同的棘輪組成.在低保持時間內(nèi),由于棘輪應變εR1的形成,會抑制材料在保持時間內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應變循環(huán)累積εR2.

圖6 X 12CrMoWVNbB10-1-1材料的修正損傷參量和循環(huán)壽命的關(guān)系Fig.6 Modified damage parameter vs.cycle life of the steel for X 12CrMoWVNb B10-1-1 steel

(3)棘輪應變εR2本質(zhì)上與純?nèi)渥冃袨橄嗤?其對材料壽命的影響可以歸類為與時間有關(guān)的蠕變損傷.而對于棘輪應變εR1,提出了采用εR1和循環(huán)塑性應變之和來度量其損傷.針對不同的損傷機制,利用分區(qū)分析的方法可以進行精確的壽命評估.

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