預(yù)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(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

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預(yù)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(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江150046)

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

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)，也是評價轉(zhuǎn)子能否安全運行的重要參數(shù)，因此準(zhǔn)確測量轉(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)一試驗方法》中的規(guī)定，通過30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼進(jìn)行多試樣法斷裂韌性試驗，考察不同預(yù)制裂紋長度對試驗結(jié)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(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(jù)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(shè)備及試驗參數(shù)

試驗設(shè)備采用MTS 810電液伺服材料試驗系統(tǒng)，引伸計為MTS632.02F—20型COD規(guī)，試驗機(jī)和引伸計的精度均滿足GB/T 4161—2007的要求。試驗前預(yù)制裂紋，根據(jù)GB/T 21143—2007規(guī)定，對于緊湊拉伸試樣，在最后的1.3 mm或50% 的預(yù)裂紋擴(kuò)展量時的最大疲勞預(yù)制裂紋力應(yīng)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，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)過預(yù)制裂紋后四組試樣的預(yù)制裂紋長度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(guī)張口位移V。圖2為不同預(yù)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(dāng)V到達(dá)一定數(shù)值時載荷增加變緩，達(dá)到峰值。隨著預(yù)制裂紋長度的減小，其載荷逐漸上升，當(dāng)預(yù)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(yīng)力而導(dǎo)致變形，同時引起試驗夾具和試驗件的變形。由于設(shè)備的最大載荷是100 kN，因此這個預(yù)裂長度的試樣無法進(jìn)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(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，但在打開裂紋時會出現(xiàn)著色裂紋面斷開的現(xiàn)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(jié)合起來，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?？梢钥闯隽鸭y前緣被完整保存下來，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，便于測量。

圖2　不同預(yù)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(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)過計算得到三條不同預(yù)制裂紋長度的J積分試驗結(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，因此加載時裂紋前緣張口也就更大，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展量Δa增大。

過橫坐標(biāo)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(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)制裂紋長度增加，J0.2BL值略有下降。

圖4　不同預(yù)裂長度的J-Δa阻力曲線

3.4試驗結(jié)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(jù)：

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

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

(3)J-Δa阻力曲線應(yīng)至少通過六個數(shù)據(jù)點；

(4)0.5≤Δamax≤0.10(W-a0) ；

其中(4)提到的Δamax是指過最大數(shù)據(jù)點作鈍化線的平行線與橫坐標(biāo)軸交點的橫坐標(biāo)值。經(jīng)過計算，預(yù)制裂紋長度為28mm和30mm的兩組試驗均滿足有效性判定。預(yù)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(kuò)展量Δa太小，導(dǎo)致Δamax無法滿足試驗有效性要求。

4結(jié)論

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

(2)預(yù)制裂紋長度過短會造成裂紋擴(kuò)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(dǎo)致試驗無效。

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

(4)對于預(yù)制裂紋長度的選擇，應(yīng)盡量選擇a0/W在0.55～0.6的范圍內(nèi)，針對不同材料可做適當(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(xiàn)標(biāo)志碼：A