預制裂紋長度對30Cr2Ni4MoV鋼斷裂韌性的影響

田　宇　王麗艷　李明君

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

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預制裂紋長度對30Cr2Ni4MoV鋼斷裂韌性的影響

田宇王麗艷李明君

(哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，黑龍江150046)

摘要：采用多試樣法對汽輪機轉子材料30Cr2Ni4MoV 鋼進行準靜態斷裂韌性試驗，擬合J-Δa 阻力曲線并計算J0.2BL，通過研究對比不同預制裂紋長度對試驗結果的影響，確定最適宜的預制裂紋長度。

關鍵詞：30Cr2Ni4MoV鋼；轉子；準靜態斷裂韌度；J0.2BL；J-Δa阻力曲線

汽輪機轉子作為一種大型鍛件，在制造和加工過程中不可避免的存在各種缺陷，這些缺陷在交變應力的作用下容易產生裂紋。斷裂韌性是材料抵抗裂紋擴展的重要指標，也是評價轉子能否安全運行的重要參數，因此準確測量轉子材料的準靜態斷裂韌度是十分必要的。

本試驗按照GB/T 21143—2007《金屬材料 準靜態斷裂韌度的統一試驗方法》中的規定，通過30Cr2Ni4MoV轉子鋼進行多試樣法斷裂韌性試驗，考察不同預制裂紋長度對試驗結果的影響，并擬合J-Δa阻力曲線，計算斷裂韌度J0.2BL的值[1-2]。

1試驗概況

試驗用料取自轉子試料區，30Cr2Ni4MoV轉子鋼的化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1　30Cr2Ni4MoV轉子鋼的化學成分(質量分數，%)

表2　30Cr2Ni4MoV轉子鋼的力學性能

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

2試驗設備及試驗參數

試驗設備采用MTS 810電液伺服材料試驗系統，引伸計為MTS632.02F—20型COD規，試驗機和引伸計的精度均滿足GB/T 4161—2007的要求。試驗前預制裂紋，根據GB/T 21143—2007規定，對于緊湊拉伸試樣，在最后的1.3 mm或50% 的預裂紋擴展量時的最大疲勞預制裂紋力應取如下兩式的低值。

圖1　臺階型緊湊拉伸試樣圖

式中，ξ=1.6×10-4m1/2。

計算得Ff1=38.54 kN，Ff2=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法進行預裂，Kf=18.5 MPa·m1/2，疲勞過程中應力比R=0.1，所有試樣預制裂紋擴展量為2 mm。經過預制裂紋后四組試樣的預制裂紋長度a0分別為23 mm、28 mm、30 mm和34 mm。符合標準中a0/W在0.45~0.70之間的規定。

3試驗過程

3.1試驗加載

試驗采用位移控制加載，速率為0.6 MPa·m1/2·s-1，對于多試樣法試驗，第一個試樣需要加載到剛剛超過最大試驗力值后卸載，其余的試樣加載依次遞減，試驗全程記錄載荷F與COD規張口位移V。圖2為不同預制裂紋長度的四組試樣F-V曲線。可以看出四條曲線的特征，初始段呈直線上升，當V到達一定數值時載荷增加變緩，達到峰值。隨著預制裂紋長度的減小，其載荷逐漸上升，當預制裂紋長度為23 mm，其直線段載荷接近100 kN，在試驗過程中銷子受到過大的剪切應力而導致變形，同時引起試驗夾具和試驗件的變形。由于設備的最大載荷是100 kN，因此這個預裂長度的試樣無法進行斷裂韌度試驗。

3.2裂紋尖端著色與長度測量

對于裂紋長度的測量，確定裂紋前緣的位置非常重要。GB/T 21143—2007提供了兩種裂紋擴展前緣標記的方法——著色與二次疲勞。著色一般采用加熱發藍的方法，但在打開裂紋時會出現著色裂紋面斷開的現象，給測量帶來不便。而二次疲勞裂紋前緣可以很好地保留，但對于Δα?0.3 mm的試樣，由于沒有色差測量存在一定困難。因此本實驗把兩種方法結合起來，選用400℃保溫60 min 后爐冷，裂紋著色，再在室溫下進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，預制裂紋區和裂紋擴展區著色清晰，二次疲勞區與裂紋擴展區分界明顯，便于測量。

圖2　不同預制裂紋長度的四組試樣的F-V曲線

圖3　著色和二次疲勞后試樣斷面形貌

3.3斷裂韌度測定

對于臺階型緊湊拉伸試樣，J計算公式為：

式中Up——力與施力點位移曲線下的面積塑性分量；

BN——兩側槽之間的試樣凈厚度；

g2(a0/W)——緊湊拉伸試樣的應力強度因子系數。

經過計算得到三條不同預制裂紋長度的J積分試驗結果，利用擬合公式：J=α+β(Δa)γ進行曲線擬合，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，預制裂紋長度為28 mm的曲線最高，其最大裂紋擴展量Δa達到0.9 mm；預制裂紋長度為34 mm的曲線最低，其最大裂紋擴展量Δa只有0.55 mm。這是由于預制裂紋越短，留下的韌帶(W-a0)越長，因此加載時裂紋前緣張口也就更大，導致裂紋擴展量Δa增大。

過橫坐標軸(0.2，0)點作斜率為3.75Rm的鈍化線與三條曲線分別相交，得到三組試驗J0.2BL的數值。J0.2BL(28 mm)=302.8 kJ/m2，J0.2BL(30mm)=285.3 kJ/m2，J0.2BL(34 mm)=266. 6kJ/m2。隨著預制裂紋長度增加，J0.2BL值略有下降。

圖4　不同預裂長度的J-Δa阻力曲線

3.4試驗結果有效性判定

試驗完成后需要判定J-Δa阻力曲線的有效性，以下是判定依據：

(1)在0.1 mm 和0.3 mm 鈍化線偏置線之間至少有一個數據點；

(2)在0.1 mm 和0.5 mm 鈍化線偏置線之間至少有兩個數據點；

(3)J-Δa阻力曲線應至少通過六個數據點；

(4)0.5≤Δamax≤0.10(W-a0) ；

其中(4)提到的Δamax是指過最大數據點作鈍化線的平行線與橫坐標軸交點的橫坐標值。經過計算，預制裂紋長度為28mm和30mm的兩組試驗均滿足有效性判定。預制裂紋長度為34mm的試樣不滿足(4)中Δamax≥0.5mm的條件，其Δamax值僅為0.45mm，該組試驗無效。這是由于韌帶長度太短，裂紋擴展量Δa太小，導致Δamax無法滿足試驗有效性要求。

4結論

(1)通過四組不同預制裂紋長度斷裂韌性試驗發現，預制裂紋長度越短，其需要的試驗載荷也就越大。預制裂紋過短會導致試驗卡具和試驗件變形，對試驗產生不利影響。

(2)預制裂紋長度過短會造成裂紋擴展量Δa過小，使J-Δa阻力曲線無法滿足有效性判定條件，最終導致試驗無效。

(3)本試驗把裂紋前緣標記的兩種方法(著色與二次疲勞)結合使用，取得了良好的實際效果，裂紋前緣清晰可見，易于測量。

(4)對于預制裂紋長度的選擇，應盡量選擇a0/W在0.55～0.6的范圍內，針對不同材料可做適當調整。

參考文獻

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

[2]D.布洛克著.工程斷裂力學基礎. 王克仁等譯.北京：科學出版社，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：TK263.61

文獻標志碼：A