X12轉子鋼蠕變-疲勞裂紋擴展行為的研究

秦敬芳* 金 偉 周常迪 邵 斌

（寧波市特種設備檢驗研究院）

0 引言

轉子是汽輪機甚至整個機組設備中最關鍵的受載荷部件和高速旋轉部件。其工作原理是在運行開始時，載荷和溫度逐漸增大到生產工藝規定的參數值，在恒定載荷和溫度條件下正常運行一段時間后中止運行，等載荷和溫度降到最小值后，再進入下一個運行周期，循環往復。這種含裂紋的構件受到蠕變-疲勞損傷的交互作用，應運用與時間相關的斷裂力學解決其裂紋擴展問題。在開始和中止運行的循環過程中，材料受到疲勞損傷，而在恒載運行過程中，則受到蠕變損傷，蠕變和疲勞損傷交互作用是極為復雜的現象，且受到多種因素影響，主要包括應力、加載頻率、保持時間、波形和溫度等。自20 世紀50 年代以來，研究者對各種材料蠕變疲勞行為進行了大量的研究，但蠕變疲勞損傷機理錯綜復雜，蠕變疲勞交互作用的宏觀規律和微觀機制至今尚未完全探明[1]。

本文中的研究主要采用X12 轉子鋼（即改良型12%Cr 鋼（X12CrMoWVNbN10-1-1），其綜合力學性能優良主要用于超超臨界汽輪機轉子，服役過程中一般承受蠕變-疲勞交互作用，因此研究其在這一復雜載荷下的裂紋擴展行為具有重要意義。

1 實驗

實驗材料為X12CrMoWVNbN10-1-1 鋼，這是一種改良型12%Cr 鋼，其化學成分可見表1，其在不同溫度下的力學性能如表2 所示[2]。根據GB/T 1457—2022《夾層結構簡剝離強度試驗方法》的規定和實驗機的要求，采用緊湊拉伸（CT）試樣，預制疲勞裂紋，試樣的尺寸和形狀如圖1 所示。

圖1 CT試樣尺寸（單位：mm）

表1 X12CrMoWVNbN10-1-1的化學成分（質量分數）

表2 材料X12CrMoWVNbN10-1-1的常溫和高溫拉伸性能

采用CSS-3905 蠕變疲勞試驗機（經過絕緣和夾具系統改造），加熱爐在300～600 ℃條件下溫度波動不超過3 ℃，在600～900 ℃條件下溫度波動不超過4 ℃，實驗應力范圍為0.5～50 kN。采用艾德克斯IT6152 作為直流電源，既可以滿足高速運行，同時仍保持極低的紋波與噪聲。采用高測試精度和效率吉時利2 700/E 數據采集器。

高溫環境下采用試驗機自帶電爐加熱和保溫，在試樣的上、中、下3 個位置捆綁熱電偶測量溫度，對試樣施加預緊力，加熱到600 ℃，并保溫30 min 后開始實驗。實驗由載荷控制，波形為梯形波，應力比R為0.1，加載速率為13.66 kN/min，采用電位法測量裂紋擴展長度。

根據最大載荷和保載時間2 個參數來研究蠕變-疲勞裂紋擴展行為：（1）固定保載時間為10 min 時，采用不同的最大載荷3 000、3 200、3 400、3 600、4 000 N；（2）固定最大載荷為3 400 N 時，采用不同保載時間0、5、10、20 min。詳細試驗結果如表3 所示。

表3 蠕變疲勞試驗數據表

2 蠕變-疲勞裂紋擴展實驗結果及分析

如圖2 所示，加載線位移δ隨時間延長先減速增加，后勻速增加，最后加速增大，裂紋口隨加載卸載不斷的開合，并且可以明顯區分蠕變第一階段、穩定階段和急速擴展階段。保載時間相同時，載荷越小，單個周期載荷線位移波動幅度越小。

圖2 相同保載時間載荷線位移曲線對比圖

由圖3 可知看出，在蠕變疲勞試驗中，載荷水平相同，保載時間不同的條件下，材料壽命隨著保載時間延長而增大，此時疲勞損傷對裂紋擴展的貢獻相對減少，可以理解為，在低載荷水平下，保載時間越長，頻率越低，蠕變疲勞中疲勞損傷程度下降，試樣壽命延長。

圖3 不同保載時間下載荷線位移曲線對比圖

在蠕變疲勞交互作用下，裂紋擴展控制參量主要有2 類：第一類是單參量，該參量直接包含了疲勞和蠕變2 種機制的貢獻，但目前僅限于實驗室試樣；第二類是雙參量，即同時采用2 個參量來描述裂紋擴展，1 個參量關聯循環相關機制引起的裂紋增量，另1 個參量則反映了時間相關機制的影響，同時還包括了循環機制的修正以反映蠕變-疲勞的交互作用。但是疲勞-蠕變裂紋控制參量都有著各自的局限性，仍需要進一步完善[3]。本文采用的控制參量主要為應力強度因子幅△K，并且采用C*表征蠕變產生的作用。由于循環載荷大小隨著周期不斷變化，因此調整了采集時間。Cmax*為載荷最大時的C*。與此同時，采用th表示每個循環周期中的保載時間。對于CT 試樣，應力強度因子K和C*的計算方法如下：

式中：p——加載力；

B——試樣厚度；

BN——循環周期中的試樣厚度；

a——裂紋長度；

W——試樣厚度；

Vc——保載期間的加載線位移；

f（a/w）——試樣幾何形狀因子；

n——穩態蠕變速率的應力指數。

圖4 表示了在不同保載時間和不同載荷下的疲勞裂紋擴展速率與應力強度因子范圍ΔK的關系。不同保載時間條件下，數據較為分散，因為ΔK不適用于表征時間相關的裂紋擴展速率。當ΔK固定時，對比相同載荷不同保載時間下的數據，可以發現蠕變-疲勞裂紋擴展速率 da/dN隨著保載時間延長而變大，這是由于時間相關的裂紋擴展貢獻增大。

圖4 不同保載時間和載荷下裂紋擴展速率

（1）相同保載時間下蠕變-疲勞裂紋擴展速率da/dN和ΔK關系曲線

圖5 所示為蠕變-疲勞裂紋擴展速率da/dN和應力強度因子幅ΔK的關系，在保載時間（10 min）相同，載荷水平不同的條件下，呈現了很好的單調規律性。應力水平增大，蠕變-疲勞裂紋擴展速率da/dN增大。由實驗數據擬合出裂紋擴展速率表達式為：

圖5 保載10 min下蠕變疲勞裂紋擴展速率

（2）相同保載時間下蠕變-疲勞裂紋擴展速率da/dt-C*關系曲線

圖6 所示為蠕變-疲勞裂紋擴展速率da/dt和C*的關系， da/dt隨C*增大而增大，基本在一個區間里，并且具有較好的線性規律性。每個循環加載或卸載時的蠕變損傷忽略不計，保載期間的裂紋擴展完全是由于時間相關的變形和損傷造成的。不同載荷水平對蠕變裂紋擴展影響不大。由實驗數據曲線擬合出保載期間的裂紋擴展速率表達式為：

圖6 保載10 min下蠕變疲勞裂紋擴展速率

結合式（3）和式（4），采用線性疊加得到整個蠕變疲勞裂紋交互作用下的裂紋擴展速率（da/dN）total的表達式為：

式（5）可以用來預測600 ℃蠕變-疲勞條件下X12 鋼的服役壽命。

（3）相同載荷水平下蠕變疲勞裂紋擴展速率da/dN和ΔK關系曲線

從圖7 可以看出，除了保載時間th=0 的純疲勞，蠕變疲勞裂紋擴展速率一直保持線性增大，主要呈先下降，再緩慢上升，最后急劇上升的趨勢。起初階段，疲勞占主導，引入保載時間使得疲勞的頻率變低，裂紋擴展速率變小。△K超過23 之后，蠕變-疲勞裂紋擴展速率逐漸變大，此時蠕變損傷漸漸占主導地位。疲勞依舊保持恒定擴展速度，與時間相關的損傷促使裂紋擴展速率急速變大。在低應力條件下，蠕變疲勞裂紋擴展速率隨著保載時間減少而增大。這是因為應力水平相對比較低，保載時間越短，疲勞成分貢獻越多，造成損傷也越大，裂紋擴展速率變大，此時疲勞損傷占主導，蠕變損傷未累積到起作用的程度。因此保載時間越短，擴展速率越快。高應力下，蠕變疲勞裂紋擴展速率隨著保載時間延長而增大。隨著裂紋擴展，在高應力水平條件下，斷裂機理漸漸由疲勞主導轉換為蠕變疲勞共同引起再到蠕變為主導，并且此時和時間相關的蠕變累積損傷開始作用，因此，此時保載越長，裂紋擴展速率就越大。

圖7 蠕變疲勞裂紋擴展速率

從圖8 可以看出，蠕變-疲勞裂紋擴展速率da/dt隨著C*增大而增大，并有很好的線性相關性。除了保載時間th=0 的純疲勞，始終保持著較高蠕變疲勞裂紋擴展速率。C*值較低的情況下，蠕變疲勞裂紋擴展速率隨著保載時間減少而增大。這是因為應力水平相對比較低，保載時間越短，疲勞貢獻越多，造成損傷也越大，裂紋擴展速率越大。C*值較高的情況下，裂紋擴展速率隨著保載時間延長而增大，這是由于在高應力條件下，斷裂機理由蠕變和疲勞共同引起的裂紋擴展變成蠕變主導下的韌性斷裂。

圖8 蠕變疲勞裂紋擴展速率

按照裂紋擴展的路徑進行觀察，以不同的放大倍數得到了蠕變-疲勞裂紋擴展路徑金相圖，如圖9所示。

圖9 疲勞裂紋擴展路徑圖(100倍）

圖9 是在疲勞變環境下，CT 試樣蠕變裂紋擴展的裂紋走勢圖。對比后可知，在純疲勞條件下的擴展裂紋更細小，因為疲勞裂紋的擴展是以穿晶裂紋為主，因此會沿著最短的路徑進行裂紋擴展，而不是沿著晶界擴展。

圖10 所示為600 ℃蠕變疲勞交互作用下X12 轉子鋼 CT 試樣蠕變疲勞擴展了1 mm 后的裂紋走勢。裂紋從左到右擴展，路徑由寬到細，可以看到最寬部分的寬度和預制裂紋的寬度一樣，為40μm，而裂紋的最后的寬度只有10μm 左右。在晶界和裂紋擴展路徑前端有一些微小的裂紋和空洞，最后空洞長大、聚集，慢慢形成裂紋擴展。

圖10 蠕變-疲勞裂紋擴展路徑圖（100倍）

圖11 是在穩態純蠕變的情況下的裂紋擴展，整個蠕變裂紋擴展量蠕變疲勞裂紋擴展2 倍多。起始處的裂紋寬度也達到將近80μm，是蠕變疲勞裂紋擴展寬度的兩倍。這一點也能夠證明之載荷線位移上下幅度隨著保載時間增加而增大。相對含有疲勞成分的裂紋而言，蠕變裂紋的擴展路徑顯得更加圓滑，首先因為在蠕變下的裂紋擴展更多的是沿晶擴展，其次是蠕變能夠對裂紋尖端起到鈍化的作用，使裂紋擴展緩慢而曲折。

圖11 蠕變裂紋擴展路徑圖(100倍）

3 結語

（1）保載時間相同時，載荷越小單個周期載荷線位移波動幅度越小。

（2）不同的保載時間下，材料壽命隨著保載時間增大而增大。此時隨著保載時間延長，疲勞損傷對裂紋擴展的貢獻相對減少，即在低載荷水平下，保載時間越長，頻率越低，蠕變疲勞中疲勞損傷成分下降，試樣壽命延長。

（3）在保載時間相同（10 min），載荷水平不同的情況下，裂紋擴展速率與控制參量呈現了很好的線性相關性，并得到了蠕變疲勞裂紋擴展速率表達式。

（4）在低應力條件下，蠕變疲勞裂紋擴展速率隨著保載時間減小而增大；在高應力條件下，蠕變疲勞裂紋擴展速率隨保載時間增大而減小。

（5）在含疲勞作用的蠕變疲勞交互的情況下，因為存在更多穿晶裂紋，因此裂紋比純蠕變裂紋更細、更尖銳，疲勞對蠕變裂紋擴展有促進作用。通常在純疲勞中加入了保載時間反而把裂紋變成更多沿晶斷裂，裂紋放寬，擴展路徑顯得更加圓潤。