溫度對汽輪機轉子用2CrMo合金鋼高周疲勞性能的影響

高倩倩，胡本潤，左 強

(北京航空材料研究院，航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，中國航空發動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095)

0 引 言

汽輪機轉子是決定汽輪機使用壽命的最關鍵部件，其工作環境非常復雜，經常會在高溫、高壓、高轉速的惡劣環境中工作，受力情況復雜，裂紋容易萌生，這對汽輪機轉子用材料的高溫性能提出了較高要求。在高溫循環載荷作用下，汽輪機轉子若發生高周疲勞斷裂會造成嚴重后果。目前，國內外已發生多起因高溫循環載荷作用而引起的汽輪機斷軸事故，并造成了巨大的經濟損失。因此，研究溫度對轉子疲勞壽命的影響具有重要意義，并可為轉子的優化設計及安全評估提供基本的依據[1-11]。

合金鋼具有高的強度和韌性，導熱性和導電性良好，廣泛應用在航空發動機、汽車發動機、燃氣輪機等方面，目前大量的汽輪機轉子疲勞試驗研究基本集中在傳統合金鋼如20Mn、15Cr等方面。但是由于傳統合金鋼具有焊接難度大、需要加工才能達到工藝性能等缺點，因此國內有些公司引進了國外新研制的汽輪機轉子用2CrMo合金鋼，而目前未見有關該合金鋼疲勞性能的研究報道。作者對該進口合金鋼在室溫和高溫(450，500，566 ℃)下進行了高周疲勞試驗，得到了高周疲勞應力-壽命(S-N)曲線、中值壽命曲面等，分析了溫度對該合金鋼高周疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為進口退火態2CrMo合金鋼。在試驗鋼上加工出如圖1(a)所示的拉伸試樣，分別按照GB/T 228.1—2010、GB/T 228.2—2010，分別在Instron5887型和Instron4507型電子萬能試驗機上進行室溫和高溫(450，500，566 ℃)拉伸試驗，在拉伸試驗過程中屈服前采用恒定應變速率(0.005 min-1)控制，屈服后采用恒位移速率(5 mm·min-1)控制，在試驗過程中實時記錄載荷、應變、位移數據。在試驗鋼上截取加工出如圖1(b)所示的高周疲勞試樣，按照GB/T 3075—2008，在電磁諧振式高頻疲勞試驗機上進行高周疲勞試驗，應力比為-1，-0.3，0.5，0.8，應力集中系數為1，高頻疲勞試驗頻率在70～160 Hz之間，采用成組法測定5個或5個以上應力水平下的疲勞壽命，并采用升降法測出疲勞壽命為107周次的疲勞強度。利用Quanta 600型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 拉伸性能

由圖2和表1可以看出，隨著試驗溫度的升高，試驗鋼的強度和彈性模量均下降。試驗溫度的升高使得拉伸過程中柯氏氣團對位錯的釘扎作用降低，位錯運動增強，變形抗力減小[12]，宏觀上表現為材料的屈服強度和抗拉強度降低，由于強度降低，導致彈性模量隨之降低。

圖2 不同溫度下試驗鋼的工程應力-應變曲線Fig.2 Engineering stress-strain curves of test steel at different temperatures

表1 不同溫度下試驗鋼的拉伸性能

2.2 高周疲勞性能

采用三參數非線性模型擬合S-N曲線，具體公式為

lgN=A1+A2lg(σmax-A3)

(1)

式中：A1，A2，A3均為材料在一定應力集中系數和一定應力水平下的常數；σmax為最大應力；N為循環次數，擬合方程的有效循環次數范圍為成組法最短中值壽命到高周疲勞極限之間的循環次數。

對于多應力比下的高周疲勞數據，采用中值曲面進行擬合可以更加綜合、立體地研究溫度對高周疲勞性能的影響。由等壽曲線推導得到中值曲面方程，常見的等壽曲線模型有Gerber拋物線型、Goodman直線型、Soderbery直線型、Basic 4次方型4種形式，由于這4種等壽曲線的方程形式類似[13]，得到廣義等壽曲線方程：

(2)

式中：Sa為應力幅;Sm為平均應力；S-1為應力比為-1時的疲勞極限；m1為材料參數。

通過推導得到m1的估計值表達式，然后代入式(1)中，取對數得到廣義中值曲面N的表達式為

(3)

式中：σb為抗拉強度；S0為疲勞極限；m和a均為擬合參數。

由圖3可知，在不同應力比下，隨著試驗溫度的升高，試驗鋼的高周疲勞壽命降低，這與郭偉彬等[14]的研究結果一致，這是因為高溫加速了疲勞源的形成及疲勞裂紋擴展速率，使疲勞壽命降低[15]。此外，由溫度帶來的氧化程度增加和材料劣化程度增大也會導致材料的疲勞壽命降低。在較高應力比(0.5，0.8)下，高周疲勞壽命受應力水平影響較大，很小的應力水平變化會引起較大的壽命波動。由圖4可以看出：試驗鋼在室溫下的疲勞壽命遠高于500 ℃，這與S-N曲線得出的規律一致。

圖3 不同應力比和溫度下試驗鋼的高周疲勞S-N曲線Fig.3 High-cycle fatigue S-N curves of test steel at different stress ratio and temperatures

圖4 室溫和500 ℃下試驗鋼的中值壽命曲面Fig.4 Curved surface of median life for test steel at room temperatures and 500 ℃

2.3 疲勞斷口形貌

由于在應力比為-1及不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口形貌和應力比為-0.3下的相似，因此以應力比-0.3為例，對其斷口形貌進行觀察。由圖5可以看出，在應力比為-0.3條件下，試驗鋼在室溫和450 ℃時的高周疲勞斷口為典型的軸向承載高周疲勞斷口，由疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區組成。在疲勞源區存在較平坦區域，說明疲勞裂紋是沿著一定晶體學平面以穿晶方式萌生的。斷口存在明顯的疲勞條紋，且條紋與疲勞裂紋擴展方向大致垂直，說明試驗鋼中裂紋發生了穿晶擴展[16]。室溫斷口只有一個主要的疲勞源，而在450 ℃時疲勞源呈現多源特點，這與高溫下的氧化作用使得表面弱化有關，較小的微觀缺陷也能誘發疲勞源萌生，因此在高溫下疲勞源更容易萌生，這也驗證了高溫下高周疲勞壽命較低的結論。

圖5 在應力比為-0.3及不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of high-cycle fatigue fracture of test steel at different temperatures and stress ratio of -0.3: (a)at room temperature

由于在應力比為0.5及不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口形貌與應力比為0.8下的相似，因此以應力比0.5為例，對其斷口形貌進行觀察。由圖6可以看出：在應力比為0.5時，高周疲勞試驗近似靜力拉伸試驗，因此不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口均呈現拉伸斷口特征；室溫下高周疲勞斷口存在明顯的放射區、纖維區和剪切唇區，而高溫下高周疲勞斷口只有纖維區和剪切唇區，說明高溫下試驗鋼的塑性較強，試樣在斷裂前可以承受較大的塑性變形，未經快速擴展階段即發生了斷裂。

圖6 在應力比為0.5及不同溫度下試驗鋼的高周疲勞斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of high-cycle fatigue fracture of test steel at different temperatures and stress ratio of 0.5: (a) at room temperature

3 結 論

(1) 隨著試驗溫度的升高，試驗鋼的屈服強度、抗拉強度和彈性模量均下降。在不同應力比下，隨著試驗溫度的升高，試驗鋼的高周疲勞壽命均降低，高應力比(0.5，0.8)下高周疲勞壽命受應力水平的影響較大。

(2) 低應力比(-1,-0.3)下試驗鋼的高周疲勞斷口為典型的軸向承載高周疲勞斷口，由疲勞源區、疲勞裂紋擴展區和瞬斷區組成，在高溫時疲勞源呈多源特點，室溫時為單一裂紋源；高應力比(0.5，0.8)下高周疲勞斷口呈現拉伸斷口特征，室溫下斷口中存在明顯的放射區、纖維區和剪切唇區，高溫下僅存在纖維區和剪切唇區。