不同溫度環境下CrMoW轉子鋼超高周疲勞行為研究

謝少雄李久楷侯 方劉永杰王清遠張軍輝

（1.四川大學空天科學與工程學院，四川 成都 610065；2.四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065；3.上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠，上海 200240）

不同溫度環境下CrMoW轉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1，2，張軍輝3

（1.四川大學空天科學與工程學院，四川 成都 610065；2.四川大學建筑與環境學院，四川 成都 610065；3.上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠，上海 200240）

利用旋轉彎曲疲勞試驗機，研究CrMoW轉子鋼在常溫與600℃條件下的超高周疲勞特性。對試驗數據采用三參數模型擬合，用掃描電子顯微鏡（SEM)對疲勞斷口進行分析。研究結果發現，600℃下的S-N曲線呈現直線下降的趨勢，不存在傳統意義上的疲勞極限。高溫會加速試樣的氧化，促進裂紋的萌生與擴展，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，很少發現裂紋萌生于內部的情形。在600℃下，裂紋萌生區普遍發現有夾雜物。對試驗前后轉子鋼硬度值進行測量，沒有發生明顯變化。

CrMoW轉子鋼；高溫超高周疲勞；夾雜物；硬度

0 引 言

超超臨界發電機組具有能耗小、效率高、低排放等優點，發展超超臨界機組將是我們清潔煤發電技術的主要發展方向，也是解決電力短缺、環境污染以及提高能源利用率的最有效途徑。目前，各國都在致力于發展超超臨界發電設備[1-2]?，F代超超臨界汽輪機的蒸汽溫度達到600℃、蒸汽壓力達到30MPa，這種工作環境下對材料性能的要求很高。轉子作為汽輪機組中關鍵的受力和高速旋轉部件，機組在長期的啟動、停機或者負荷變動過程中，轉子材料不斷老化，材料的強度以及韌性劣化，復雜的服役環境使得材料的損傷程度加大；同時轉子也會承受高達1010～1011周次循環荷載的作用，最終導致材料疲勞而失效。為了轉子的安全運行，對轉子材料進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鋼的基礎上添加W，發展出來的新一代超超臨界高中壓轉子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復合固溶強化，X12CrMoWVNbN10-1-1耐熱鋼在30 MPa的水蒸汽環境中最高使用溫度可以達到650℃，具有良好的綜合性能，能夠更好的適應汽輪機組中的惡劣環境，如今已經應用于超超臨界汽輪機組零件特別是中高壓轉子上。作為引進到國內的新鋼種，此鋼的國產化技術水平與我國超超臨界高中壓轉子用鋼發展的巨大需求相比有較大的差距。目前，對此轉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]，還沒有關于此轉子鋼高溫超高周疲勞方面的報道。本文將利用旋轉彎曲疲勞試驗系統，完成CrMoW轉子鋼在室溫和600℃下的超高周旋轉彎曲疲勞對比試驗。

1 材料與試驗

1.1 材料與試樣

試驗材料為超超臨界汽輪機CrMoW轉子鋼，牌號：X12CrMoWVNbN10-1-1。其主要化學成分與力學性能見表1和表2。兩組試驗分別在室溫和600℃條件下進行，應力比R=-1。疲勞試驗采用純彎曲式旋轉彎曲疲勞試樣，圖1為常溫與600℃條件下的疲勞試樣尺寸。試樣加工嚴格按照疲勞試樣加工工藝，要求所采用的機械加工在表面產生的殘余應力和加工硬化盡可能的小，表面質量應均勻一致。

1.2 試驗方法

疲勞機為H-7旋轉彎曲疲勞試驗機，加載頻率為50Hz，試驗裝置簡圖如圖2所示。試驗所加載的應力大小取決于砝碼，通過加載不同重量的砝碼，獲取對應的疲勞壽命。

表1 CrMoW轉子鋼化學成分質量分數

表2 CrMoW轉子鋼力學性能

圖1 疲勞試樣（單位：mm)

圖2 旋轉彎曲疲勞試驗系統

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

2 試驗結果及分析

2.1 S-N曲線

2.1.1 常溫試驗

圖3為CrMoW轉子鋼在常溫下的旋轉彎曲疲勞試驗得到的S-N曲線。當疲勞壽命在2×105-5×106周次范圍內時，S-N曲線直線下降；但是當疲勞壽命在5×106-1×108范圍內時，S-N曲線趨于平緩，疲勞壽命越接近1×108周次時，曲線越趨于水平。其中，箭頭表示在該應力下試驗達到設定循環次數（1×108周次)，但是試樣沒有發生失效的結果。

在研究材料超高周壽命的特性時，對試驗數據點的處理經常用到三參數模型擬合：

式中：N——疲勞壽命；

S——循環應力；

α、β——待定常數；

圖3 CrMoW轉子鋼在常溫下的旋轉彎曲疲勞數據及擬合曲線

S0——疲勞極限。

對圖3中的試驗點進行三參數模型擬合，其中α、β可以用最小二乘法求出。在三參數模型擬合中，確定S0是關鍵所在，S0值的選擇關系到擬合曲線線性相關性的好壞。為此，本文應用數學推導，求出一系列的S0值與對應的線性相關系數值r2，如圖4所示。選取最優值對試驗數據點進行擬合，擬合結果如下：

由以上公式擬合出的曲線如圖4所示。

2.1.2 600℃試驗

圖5為CrMoW轉子鋼在600℃下的旋轉彎曲疲勞試驗得到的S-N曲線。當疲勞壽命在2×105周次之前時，S-N曲線迅速下降；而當超過該循環周次后，曲線下降相對緩慢；但是當疲勞壽命在1×108周次左右時，曲線仍呈現下降的趨勢。用同樣的方法，對圖5中的試驗點進行三參數模型擬合，擬合結果如下：

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

2.1.3 不同溫度試驗下S-N曲線對比分析

圖4 三參數模型擬合中疲勞極限與線性相關系數關系

圖5 CrMoW轉子鋼在600℃下的旋轉彎曲疲勞數據及擬合曲線

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

常溫與600℃下的數據擬合結果表明，高溫下的擬合結果優于常溫，這是因為高溫下的試驗數據點更加聚集，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周次的疲勞強度進行計算，結果如圖6所示。圖中表明，疲勞強度隨著壽命的增大而下降，溫度對疲勞強度的影響明顯。在同一壽命下，常溫下的疲勞強度要遠遠大于高溫。當疲勞壽命處于106～108之間時，600℃高溫下，材料的疲勞強度下降更快。這是由于在溫度比較低時，位錯在材料內部滑移需要較大的外應力；而在高溫下，材料內部熱激活過程比較活躍，有利于位錯的進行，從而容易萌生疲勞裂紋。事實上，溫度的升高，導致了材料的抗拉強度與屈服強度的降低，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，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，促進了裂紋的擴展，也將導致材料的疲勞強度降低。

汽輪機轉子服役于600℃環境條件，按照30年服役期（N=3.8×1010)，可以由式（3)推算出對應的中值疲勞強度約為133MPa。

圖6 試樣不同壽命階段的疲勞強度

2.2 斷口形貌以及斷裂機理分析

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、擴展區和瞬斷區，而且斷口都是與軸向應力垂直的平斷口。在裂紋擴展區，都能看到疲勞條紋跟少量的二次裂紋。在瞬斷區，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常發現，主要是由于在裂紋快速擴展過程中，材料內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，很少發現裂紋萌生于內部的情況，沒發現有魚眼特征的裂紋萌生區，這不同于一般高強鋼的萌生方式[8，10]。對于旋轉彎曲作用下的試樣來說，其表面的應力往往比較大，這是裂紋萌生于表面的原因之一；同時，材料內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，使其疲勞強度降低，導致裂紋易于萌生于表面；在高溫環境下，試樣表面處于高溫跟環境介質的復雜影響中，表面容易產生氧化膜，由于其與基體的變形不協調將發生破裂，這些地方優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有夾雜物析出。圖9（a)為裂紋萌生區顆粒狀夾雜物（圖8（a)中矩形區域)，夾雜物直徑大約為15μm；圖9（b)為此夾雜物能譜分析圖。能譜分析的結果表明，此夾雜物成分主要為Al2O3。夾雜物在表面析出促進了裂紋萌生于表面，這是由于夾雜物的彈性模量跟周圍基體相差較大，在循環荷載的作用下，應力集中現象明顯，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，取試驗前與試驗后的試樣（600℃，σ=228MPa，N=4.36×107)，從試樣外表面到截面中心點范圍內，取一些點進行硬度值的測量，結果如圖10。從試樣表面到截面中心距離上，所有測點的硬度值保持在293.06 HV上下浮動，說明實驗前后材料的硬度值保持不變。已有研究表明，汽輪機轉子鋼經過疲勞試驗后，會表現出明顯的應力循環軟化和材料硬度下降的趨勢[11-12]。事實上，硬度值的大小跟材料的微觀組織結構有關。CrMoW轉子鋼是一種組織結構穩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，但是在晶內以及馬氏體板條內部有MC型碳化物的析出[4，6]。M23C6型碳化物是鋼材料中常見的、結構穩定的碳化物，對結構起到釘扎位錯、降低晶界應力的作用。而細小的MC型碳化物的沉淀析出，有助于材料性能和組織結構的進一步穩定[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化作用，是導致材料硬度沒有發生變化的主要原因。

3 結束語

1)對常溫與600℃下試驗數據點進行三參數擬合，結果表明，600℃下擬合效果優于常溫，并且在600℃下，不存在傳統意義上的極限疲勞。根據600℃下的擬合公式可以推算出，汽輪機30年服役期（N= 3.8×1010)對應的中值疲勞強度約為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，裂紋萌生區有夾雜物析出，經能譜分析為Al2O3。

3)CrMoW轉子鋼具有較好的微觀組織穩定性。試驗前后，試樣的硬度值沒有發生明顯的變化。

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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

國家自然科學基金（11327801，11172188，11302142)

謝少雄（1989-)，男，甘肅天水市人，碩士研究生，專業方向為材料的疲勞與斷裂。

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