水輪發電機大軸材料45A和35A疲勞性能對比研究

賈朋剛，趙 鵬，李長虹，劉玉鑫

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水輪發電機大軸材料45A和35A疲勞性能對比研究

賈朋剛，趙 鵬，李長虹，劉玉鑫

（水力發電設備國家重點實驗室（哈爾濱大電機研究所），哈爾濱 150040）

軸類零（構）件在工作時承受著循環載荷，其失效形式主要是疲勞失效，因此，材料的抗疲勞性能顯得尤為重要。本文利用旋轉彎曲疲勞試驗機對水輪發電機大軸材料45A和35A的曲線進行了測量，并且利用掃描電子顯微鏡對拉伸和沖擊斷口進行了觀察。結果表明，鍛鋼45A和35A疲勞極限-1都低于0.27(p0.2+m)，因此在選用0.27(p0.2+m)作為疲勞極限進行計算時安全系數會高于實際值。

水輪發電機；大軸材料；力學性能；疲勞極限；循環載荷；沖擊斷口

0 前言

工程實際應用的多數機械零部件承受的載荷都是隨時間而變化的，其工作應力往往低于材料的屈服強度，這種疲勞破壞是機械零部件失效的主要形式。材料、零件和構件在交變載荷作用下逐漸積累損傷、產生裂紋及裂紋逐漸擴展直至最后破壞的過程，稱為疲勞破壞[1-2]。疲勞破壞有低應力性、突然性、時間性、敏感性和特殊的疲勞斷口等特點。據統計，疲勞破壞導致的工程構件失效事故占總事故比例的80%以上。疲勞破壞由于沒有明顯的宏觀塑性變形，因而常常出現突然斷裂，造成很大的危害和經濟損失?？梢?，材料的疲勞性能是影響產品使用可靠性和使用壽命的重要問題。隨著現代機械向高速和大型化方向的不斷發展，許多零部件在惡劣工況下運行，疲勞破壞事故更是層出不窮，因此，研究材料疲勞性能對提高產品的使用壽命和可靠性有著重要意義[3-7]。

軸類零（構）件在工作時承受著循環載荷，其失效形式主要是疲勞失效。由于疲勞破壞會造成很大的危害和經濟損失，而進行疲勞強度設計時必不可少的是反映材料抗疲勞性能的疲勞強度-壽命曲線（-曲線），部分大軸在設計和強度計算過程中，需要材料的疲勞強度-壽命曲線（-曲線），所以研究材料疲勞性能測試繪制-曲線對提高產品的疲勞設計和可靠性有著重要意義[8-9]。本文以浙江百丈漈水電廠混流式臥軸水輪發電機中導軸承軸徑所采用35的號鋼和韓國黨津水輪機采用的45號鋼為例來進行研究。利用電子萬能試驗機與疲勞試驗機對水輪機、水輪發電機大軸鍛件材料45A和35A的疲勞性能進行了研究，為材料的疲勞設計及選材提供技術參考。

1 試驗方法與內容

試驗用材料選用水輪機、水輪發電機大軸材料45A鍛鋼和35A鍛鋼?；瘜W成分測試試驗采用芬蘭的ARC-MET-8000便攜式直讀光譜儀，其測量范圍包含C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Cu、V和Ti。拉伸試驗采用日本島津公司的AG-I 250kN電子萬能試驗機，試驗按標準要求進行[10]。沖擊試驗采用上海華龍測試儀器有限公司的CBD-300擺錘沖擊試驗機，試樣采用10mm×10mm×55mm的標準夏式缺口沖擊試樣[11]。疲勞性能試驗采用HT-8120曲屈疲勞試驗機，按標準要求進行疲勞試驗[12]。掃描電子顯微鏡采用Hitachi High-Tech Science Systems Corporation公司的S-3700N。

2 試驗結果與分析

對45A鍛鋼和35A鍛鋼進行化學成分分析和力學性能測試[13]，見表1和表2。結果表明，鍛鋼45A相比鍛鋼35A，含碳量提高，強度增大，斷后伸長率和斷面收縮率提高，沖擊值稍有下降，表現出較好的綜合性能。

表1 45A鍛鋼和35A鍛鋼化學成分對比

表2 45A鍛鋼和35A鍛鋼力學性能對比

隨時間周期性變化的應力稱為循環應力，應力每一個周期變化稱為一個應力循環，定義應力比=max/min。應力比對疲勞性能有很大影響。水輪發電機的大軸在運行過程中承受零平均循環應力，因此本文的疲勞性能試驗選擇應力比=－1進行，如圖1所示。

圖1 應力比R=σmax/σmin=－1

采用成組試驗法，分別用45A和35A標準試樣在控制應力的試驗條件下測試破壞循環次數，以應力為縱坐標，試樣的破壞循環次數的對數值為橫坐標，利用Origin軟件對數據點進行擬合繪圖，可以得到材料45A和35A的-曲線。因為這種曲線表示的是中值疲勞壽命與外加應力之間的關系，所以也稱為中值-曲線。

圖2給出了雙對數坐標下水輪發電機大軸材料45A鍛鋼和35A鍛鋼的-曲線，用最小二乘法擬合Basquin方程。由圖可知，45A和35A疲勞試驗升降結果的應力分散度相同，都是2級，但45A的疲勞壽命高于35A的疲勞壽命。

圖2 水輪發電機大軸材料S-N曲線

得到鍛鋼35A的Basquin方程為：

鍛鋼45A的Basquin方程為：

采用升降法計算疲勞極限[14]。疲勞極限是材料抵抗無限次應力循環也不疲勞斷裂的強度指標，是保證構件無限或長期疲勞壽命的重要材料性能指標，是評定材料、制訂工藝和疲勞設計的重要依據。根據一些資料顯示，在零平均應力作用下，在=－1時，對于高周疲勞的強度計算，通常選-1=0.27(p0.2+m)來進行近似計算。表3列出了45A和35A的疲勞極限-1、-1/m與p0.2/m。結果表明，45A相比35A，疲勞極限-1與p0.2/m較高。45A和35A疲勞極限-1都低于0.27(p0.2+m)。

表3 45A和35A的疲勞性能對比

斷口是金屬材料斷裂后所形成的相匹配的表面外觀形貌的統稱。研究材料斷口的形貌、性質，可以分析斷裂類型、斷裂模式、斷裂路徑、斷裂過程、斷裂性質、斷裂原因和斷裂機理[15]。材料的組織結構與力學性能密切相關，利用掃描電子顯微鏡對軸類材料的拉伸斷口與沖擊斷口進行分析，可以從微觀組織角度解釋材料的力學性能，為疲勞性能分析提供依據。本文利用S-3700N掃描電子顯微鏡，對45A和35A的拉伸斷口、沖擊斷口與旋轉彎曲疲勞斷口進行分析。拉伸與沖擊斷口圖片都放大到1000倍，旋轉彎曲疲勞斷口統一放大20倍。45A的斷口如圖3所示，35A的斷口如圖4所示。

(a) 拉伸斷口 (b) 沖擊斷口 (c) 旋轉彎曲疲勞斷口

圖3 45A的斷口

(a) 拉伸斷口 (b) 沖擊斷口 (c) 旋轉彎曲疲勞斷口

圖4 35A斷口

從圖3中可以看出，45A的拉伸斷口為無第二相質點的韌窩組織。韌窩的形成是由于材料中原來存在顯微空穴或者是由于塑性變形形成的顯微空穴。這些顯微空穴隨塑性變形的增大而不斷擴展和相互連接，直至斷裂。45A的沖擊斷口平整，解理面較小，屬于準解理斷裂。從圖4中可以看出，35A拉伸斷口以韌窩組織為主，存在解理平臺，其斷裂方式應為準解理斷裂。沖擊斷口中存在撕裂脊線，是不在同一個晶面上的解理裂紋之間產生較大的塑性變形導致的塑性撕裂。由圖3(c)和圖4(c)可知，疲勞斷口存在三個區域，分別為疲勞斷口在循環應力作用下裂紋擴展后經過反復擠壓形成的較暗區域、裂紋擴展中沒有受到反復擠壓的區域以及瞬斷區，也就是疲勞源區、裂紋擴展區和最終瞬斷區。

3 結論

通過對水輪發電機大軸材料45A和35A進行的對比分析可以看出，鍛鋼45A與鍛鋼35A的正常斷裂都以準解理斷裂為主，而45A表現出更好的綜合力學性能。鍛鋼45A相比鍛鋼35A，疲勞極限-1與p0.2/m較高。45A和35A疲勞極限-1都低于0.27(p0.2+m)，因此在選用0.27(p0.2+m)作為疲勞極限進行計算時安全系數會高于實際值。

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Comparative Study on Fatigue Performance of Shaft Forging Materials 45A and 35A for Hydro Generator

JIA Penggang, ZHAO Peng, LI Changhong, LIU Yuxin

(State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China)

Shaft components are subjected to cyclic load during operation, hence their failure mode is mainly fatigue failure. It is very important to study the anti-fatigue performance of materials. In this paper, thecurves of 45A and 35A materials for generator shaft were measured by rotating bending fatigue testing machine, and the tensile and impact fracture surfaces were observed by scanning electron microscope. The results show that the fatigue limits-1of 45A and 35A are both lower than 0.27(p0.2+m), so the safety factor with 0.27(p0.2+m) as fatigue limit in the calculation.

hydro-generator; main shaft materials; mechanical property; fatigue limit; cyclic load; impact fracture

TM201.4

A

1000-3983(2017)05-0043-04

2016-09-02

賈朋剛（1984-），2011年畢業于西安交通大學材料工程系，碩士，現在工作于哈爾濱電機廠有限責任公司哈爾濱大電機研究所，從事發電設備用金屬材料加工工藝及性能的研究，工程師。