預(yù)制裂紋長(zhǎng)度對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼斷裂韌性的影響

田　宇　王麗艷　李明君

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

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預(yù)制裂紋長(zhǎng)度對(duì)30Cr2Ni4MoV鋼斷裂韌性的影響

田宇王麗艷李明君

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

摘要：采用多試樣法對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料30Cr2Ni4MoV 鋼進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性試驗(yàn)，擬合J-Δa 阻力曲線并計(jì)算J0.2BL，通過(guò)研究對(duì)比不同預(yù)制裂紋長(zhǎng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，確定最適宜的預(yù)制裂紋長(zhǎng)度。

關(guān)鍵詞：30Cr2Ni4MoV鋼；轉(zhuǎn)子；準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度；J0.2BL；J-Δa阻力曲線

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子作為一種大型鍛件，在制造和加工過(guò)程中不可避免的存在各種缺陷，這些缺陷在交變應(yīng)力的作用下容易產(chǎn)生裂紋。斷裂韌性是材料抵抗裂紋擴(kuò)展的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)子能否安全運(yùn)行的重要參數(shù)，因此準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)子材料的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度是十分必要的。

本試驗(yàn)按照GB/T 21143—2007《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，通過(guò)30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼進(jìn)行多試樣法斷裂韌性試驗(yàn)，考察不同預(yù)制裂紋長(zhǎng)度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并擬合J-Δa阻力曲線，計(jì)算斷裂韌度J0.2BL的值[1-2]。

1試驗(yàn)概況

試驗(yàn)用料取自轉(zhuǎn)子試料區(qū)，30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

表1　30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2　30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的力學(xué)性能

試樣按標(biāo)準(zhǔn)加工為臺(tái)階型緊湊拉伸(LLCT)試樣，試樣如圖1所示。B=25 mm，W=50 mm，試樣中間臺(tái)階型缺口用0.15 mm 的銅絲以慢走絲加工，根據(jù)缺口尺寸不同共分為四組試樣，其缺口長(zhǎng)度分別為21 mm、26 mm、28 mm和32 mm。

2試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備采用MTS 810電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)，引伸計(jì)為MTS632.02F—20型COD規(guī)，試驗(yàn)機(jī)和引伸計(jì)的精度均滿足GB/T 4161—2007的要求。試驗(yàn)前預(yù)制裂紋，根據(jù)GB/T 21143—2007規(guī)定，對(duì)于緊湊拉伸試樣，在最后的1.3 mm或50% 的預(yù)裂紋擴(kuò)展量時(shí)的最大疲勞預(yù)制裂紋力應(yīng)取如下兩式的低值。

圖1　臺(tái)階型緊湊拉伸試樣圖

式中，ξ=1.6×10-4m1/2。

計(jì)算得Ff1=38.54 kN，F(xiàn)f2=12.31 kN。取兩者較小值即12.31 kN，并推算出Kf=33.61 MPa·m1/2。因此選擇恒K法進(jìn)行預(yù)裂，Kf=18.5 MPa·m1/2，疲勞過(guò)程中應(yīng)力比R=0.1，所有試樣預(yù)制裂紋擴(kuò)展量為2 mm。經(jīng)過(guò)預(yù)制裂紋后四組試樣的預(yù)制裂紋長(zhǎng)度a0分別為23 mm、28 mm、30 mm和34 mm。符合標(biāo)準(zhǔn)中a0/W在0.45~0.70之間的規(guī)定。

3試驗(yàn)過(guò)程

3.1試驗(yàn)加載

試驗(yàn)采用位移控制加載，速率為0.6 MPa·m1/2·s-1，對(duì)于多試樣法試驗(yàn)，第一個(gè)試樣需要加載到剛剛超過(guò)最大試驗(yàn)力值后卸載，其余的試樣加載依次遞減，試驗(yàn)全程記錄載荷F與COD規(guī)張口位移V。圖2為不同預(yù)制裂紋長(zhǎng)度的四組試樣F-V曲線。可以看出四條曲線的特征，初始段呈直線上升，當(dāng)V到達(dá)一定數(shù)值時(shí)載荷增加變緩，達(dá)到峰值。隨著預(yù)制裂紋長(zhǎng)度的減小，其載荷逐漸上升，當(dāng)預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為23 mm，其直線段載荷接近100 kN，在試驗(yàn)過(guò)程中銷子受到過(guò)大的剪切應(yīng)力而導(dǎo)致變形，同時(shí)引起試驗(yàn)夾具和試驗(yàn)件的變形。由于設(shè)備的最大載荷是100 kN，因此這個(gè)預(yù)裂長(zhǎng)度的試樣無(wú)法進(jìn)行斷裂韌度試驗(yàn)。

3.2裂紋尖端著色與長(zhǎng)度測(cè)量

對(duì)于裂紋長(zhǎng)度的測(cè)量，確定裂紋前緣的位置非常重要。GB/T 21143—2007提供了兩種裂紋擴(kuò)展前緣標(biāo)記的方法——著色與二次疲勞。著色一般采用加熱發(fā)藍(lán)的方法，但在打開裂紋時(shí)會(huì)出現(xiàn)著色裂紋面斷開的現(xiàn)象，給測(cè)量帶來(lái)不便。而二次疲勞裂紋前緣可以很好地保留，但對(duì)于Δα?0.3 mm的試樣，由于沒有色差測(cè)量存在一定困難。因此本實(shí)驗(yàn)把兩種方法結(jié)合起來(lái)，選用400℃保溫60 min 后爐冷，裂紋著色，再在室溫下進(jìn)行二次疲勞后打開裂紋面。著色和二次疲勞后試樣斷面形貌如圖3所示。可以看出裂紋前緣被完整保存下來(lái)，預(yù)制裂紋區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)著色清晰，二次疲勞區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)分界明顯，便于測(cè)量。

圖2　不同預(yù)制裂紋長(zhǎng)度的四組試樣的F-V曲線

圖3　著色和二次疲勞后試樣斷面形貌

3.3斷裂韌度測(cè)定

對(duì)于臺(tái)階型緊湊拉伸試樣，J計(jì)算公式為：

式中Up——力與施力點(diǎn)位移曲線下的面積塑性分量；

BN——兩側(cè)槽之間的試樣凈厚度；

g2(a0/W)——緊湊拉伸試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到三條不同預(yù)制裂紋長(zhǎng)度的J積分試驗(yàn)結(jié)果，利用擬合公式：J=α+β(Δa)γ進(jìn)行曲線擬合，得到J-Δa阻力曲線，如圖4所示。其中，α、β≥0，0≤γ≤1。三條曲線中，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為28 mm的曲線最高，其最大裂紋擴(kuò)展量Δa達(dá)到0.9 mm；預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為34 mm的曲線最低，其最大裂紋擴(kuò)展量Δa只有0.55 mm。這是由于預(yù)制裂紋越短，留下的韌帶(W-a0)越長(zhǎng)，因此加載時(shí)裂紋前緣張口也就更大，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展量Δa增大。

過(guò)橫坐標(biāo)軸(0.2，0)點(diǎn)作斜率為3.75Rm的鈍化線與三條曲線分別相交，得到三組試驗(yàn)J0.2BL的數(shù)值。J0.2BL(28 mm)=302.8 kJ/m2，J0.2BL(30mm)=285.3 kJ/m2，J0.2BL(34 mm)=266. 6kJ/m2。隨著預(yù)制裂紋長(zhǎng)度增加，J0.2BL值略有下降。

圖4　不同預(yù)裂長(zhǎng)度的J-Δa阻力曲線

3.4試驗(yàn)結(jié)果有效性判定

試驗(yàn)完成后需要判定J-Δa阻力曲線的有效性，以下是判定依據(jù)：

(1)在0.1 mm 和0.3 mm 鈍化線偏置線之間至少有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(2)在0.1 mm 和0.5 mm 鈍化線偏置線之間至少有兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(3)J-Δa阻力曲線應(yīng)至少通過(guò)六個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；

(4)0.5≤Δamax≤0.10(W-a0) ；

其中(4)提到的Δamax是指過(guò)最大數(shù)據(jù)點(diǎn)作鈍化線的平行線與橫坐標(biāo)軸交點(diǎn)的橫坐標(biāo)值。經(jīng)過(guò)計(jì)算，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為28mm和30mm的兩組試驗(yàn)均滿足有效性判定。預(yù)制裂紋長(zhǎng)度為34mm的試樣不滿足(4)中Δamax≥0.5mm的條件，其Δamax值僅為0.45mm，該組試驗(yàn)無(wú)效。這是由于韌帶長(zhǎng)度太短，裂紋擴(kuò)展量Δa太小，導(dǎo)致Δamax無(wú)法滿足試驗(yàn)有效性要求。

4結(jié)論

(1)通過(guò)四組不同預(yù)制裂紋長(zhǎng)度斷裂韌性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)制裂紋長(zhǎng)度越短，其需要的試驗(yàn)載荷也就越大。預(yù)制裂紋過(guò)短會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)卡具和試驗(yàn)件變形，對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生不利影響。

(2)預(yù)制裂紋長(zhǎng)度過(guò)短會(huì)造成裂紋擴(kuò)展量Δa過(guò)小，使J-Δa阻力曲線無(wú)法滿足有效性判定條件，最終導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)效。

(3)本試驗(yàn)把裂紋前緣標(biāo)記的兩種方法(著色與二次疲勞)結(jié)合使用，取得了良好的實(shí)際效果，裂紋前緣清晰可見，易于測(cè)量。

(4)對(duì)于預(yù)制裂紋長(zhǎng)度的選擇，應(yīng)盡量選擇a0/W在0.55～0.6的范圍內(nèi)，針對(duì)不同材料可做適當(dāng)調(diào)整。

參考文獻(xiàn)

[1]岳增武，趙永寧，周敬恩.汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子鋼 30Cr2Ni4MoV的斷裂韌性. 中國(guó)電力，1997(12):43-45.

[2]D.布洛克著.工程斷裂力學(xué)基礎(chǔ). 王克仁等譯.北京：科學(xué)出版社，1980.

編輯杜青泉

Influence of Length of Precrack on

Fracture Toughness for 30Cr2Ni4MoV Steel

Tian Yu, Wang Liyan, Li Mingjun

Abstract：By adopting the multiple-sample method, the quasi static fracture toughness test of 30Cr2Ni4MoV steel used for steam turbine rotor has been performed. Meanwhile, by means of fitting the resistance curve J-Δa, the value of J0.2BLhas been calculated. Eventually, by studying the influence of different length of precrack on the tested results, the optimum length of precrack has been determined.

Key words：30Cr2Ni4MoV steel; rotor; quasi static fracture toughness; J0.2BL; resistance curve J-Δa

作者簡(jiǎn)介：田宇，材料工程師。電話：13664607811，E-mail：ty19840709@163.com

收稿日期：2015—10—10

中圖分類號(hào)：TK263.61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A