30Cr1Mo1V转子钢蠕变-疲劳交互作用的实验研究

作者：毛雪平 刘宗德 杨昆 安江英

欢迎访问e展厅 展厅 2 中小型发电机展厅 柴油发电机组, 汽油发电机, 燃气发电机组, 移动电站, ... 摘要：对30Cr1Mo1V转子钢进行了应变保持的蠕变-疲劳交互作用试验，试验温度为540℃和565℃，应变幅为0.6%~1.2%, 拉压对称梯形波，保持时间为10s，20s，60s。对该材料蠕变-疲劳交互作用下的应力松弛现象及应变-寿命规律进行了研究。实验结果表明，随着控制应变幅的增加，第1、3阶段比例均呈增加趋势，第2阶段的比例呈现减小趋势；以应力下降比率作为参考变量，在整个寿命周期内，拉应力松弛与压应力松弛基本一致，应力下降比率基本相同。给出了基于应变范围划分法和基于频率修正的Coffin-Manson公式的寿命方程。从实验结果来看，将30Cr1Mo1V转子钢的使用温度提高到565℃是可行的。 关键词：30Cr1Mo1V钢； 蠕变； 疲劳； 寿命 1 引言 在热效率方面，超临界机组具有明显的优势。据文[1]，当蒸汽温度由540℃升至566℃，汽轮机的热耗值可降低50kJ/(kW×h)，所以，为了追求更高的效率，发展超临界机组是火电机组发展的方向。而发展超临界汽轮机组的关键在于各部件的材料性能能否得到保证。从20世纪80年代末，我国在汽轮机转子材料选材方面发生了一些变化[2,3]。传统的转子钢30Cr2MoV存在冶炼方面的原因，质量难以保证，而30Cr1Mo1V具有在力学性能和工艺性能方面的优势。从20世纪90年代以后，30Cr1Mo1V成为30Cr2MoV钢的换代产品，而且被认为可以用作制造23.5~25MPa, 538~540℃/538~566℃超临界机组高中压转子材料。哈尔滨汽轮机有限公司对该材料的低周疲劳试验进行了初步研究[4]，其试验温度在538℃, 对于超临界温度的低周疲劳试验尚未见报道。针对上述情况，本文对30Cr1Mo1V在超临界温度下进行了蠕变- 疲劳交互作用试验研究，探讨该材料用于超临界机组转子钢的可行性。 2 试验材料和方法 试验用30Cr1Mo1V转子钢材料取自北京重型电机厂一根高压转子轴头。其热处理工艺为：预备热处理：980~1030℃。空冷，回火后缓冷。调质热处理：940~970℃，风冷，≥660℃回火, 炉冷；除应力热处理：≥ 620℃，炉冷。金相组织为回火贝氏体。转子材料的化学成分和机械性能如表1、表2所示。 高温疲劳试验设备主机为长春试验机研究所生产的CSS-280 100KN 电液伺服实验系统，控制器为美国MTS公司生产的458.20 MicroConsole。引伸计的标距为25mm，量程为1mm。试验采用美国材料与实验协会颁布的 Standard Practice for Strain-Controlled Fatigue Testing (ASTM E606-92)以及我国国家标准《轴向等幅低周疲劳试验方法》（GB/T 15248-94）。试样为等截面圆柱形试样，直径10mm。采用轴向总应变控制、拉压对称梯形波，保持时间在10~60s。数据采集由计算机完成。应变范围±0.2% ~ ± 1.2%。加载应变速率为0.2%/s，试验温度为540℃，565℃，在试验之前进行40min的保温。 3 试验数据处理方法及试验结果 3.1 应变范围划分法 应变范围划分法认为，任何一个滞回曲线的非弹性应变范围可分为以下4个分量：①Δεpp，正向为拉伸塑性变形，反向为压缩塑性变形；②Δεcp，正向为拉伸蠕变，反向为压缩塑性变形；③Δεpc，正向为拉伸塑性变形，反向为压缩蠕变；④Δεcc，正向为拉伸蠕变，反向为压缩蠕变。 描述循环寿命与4个应变范围分量之间的关系可用Coffin-Manson定律。即 任何循环均可以看成上述4个基本循环的组合。疲劳循环的总寿命可以由下式表示 式中 N为循环常数。 3.2 频率修正公式 频率修正公式是对纯疲劳的Coffin-Manson公式引入频率项，用以修正在高温疲劳过程中的蠕变因素的影响，即 式中为材料常数。 3.3 应变幅的分解法 参考文[5]、[6]，对应变保持对称梯形波循环应力应变滞回曲线的非弹性应变范围Δεp，可以分解为部分，如图1所示。 在求解Δεcc ~Ncc的关系时首先从纯疲劳试验中得到Δεpp~Npp的关系式，根据在应变保持的循环实验中得到有保持时间的失效周次n，按照线性损伤规律求得Ncc，即 应变量Δεp根据计算机采集的数据求得，Δεpp通过计算机采集保持时间开始与结束时的应力求得。 4 实验结果 4.1 应力随循环周次变化特征 在540℃，565℃两种温度下，带有应变保持的30Cr1Mo1V转子钢的应力随周次变化曲线如图2所示。在整个寿命过程中，无论从最大拉应力、最小保持拉应力、最大压应力以及最小保持压应力均呈现从急剧变化- 缓慢变化- 急剧变化3个阶段，各应力变化是同步的，整个过程呈现疲劳软化特征。 试验数据结果显示，在相同温度、不同应变下，3个阶段的比例并不相同，这一点与文[7]中关于30Cr2MoV的实验结果不同。随着温度的升高，第1阶段比例有升高趋势，而对第2、第3阶段规律不明显。施加的应变幅大小对各阶段比例变化呈现一定的规律性，即无论保持时间长短，随着控制应变幅的增加，第1、3阶段比例均呈增加趋势，第2阶段的比例呈现减小趋势。应变保持时间的长短同样对各阶段的比例分配规律不明显，如表3、4所示。 4.2 松弛应力的变化规律 为探讨在应变保持其内在应力下降规律，以相对应变保持开始点时刻的应力作为基准点应力，以应力下降比率作为参考变量，发现在整个寿命周期内，应力下降比率基本相同。在各温度下、不同应变和应变保持时间条件下的结果如表5、6所示。从表中可以看出，拉应力松弛与压应力松弛基本一致，相对误差在7%之内。保持时间的延长，应力松弛比例会增加。而应变水平提高引起的应力松弛比率有升有降。随着温度的升高，应力松弛程度增加。这表明，应力松弛程度与控制的应变和时间有关。根据试验观察到的应力随循环周次变化的特点，可以将应变和时间的影响分离。以f 表示松弛度，t表示保持时间(min)，可以写成 4.3 疲劳- 寿命关系 失效定义为[7]以第2阶段终了寿命的一半为循环稳定滞回环，选取最大拉应力下降到稳定循环峰值拉应力的75%的循环周次作为失效周次。 按照应变范围划分法得到的疲劳寿命公式为 按照频率修正法得到疲劳寿命公式为 式中 v为频率修正，r/min。 为验证公式的准确性，将按照频率修正公式得到的试验数据拟合公式与文[8]中两条Cr-Mo-V钢频率修正曲线进行比较，基本处于同一水平。如图3中拉压保持各30min 曲线对比图。从图3还可以看出，在相同的保持时间的条件下，540℃和565℃两种温度下的寿命曲线没有明显的差别。这表明，将国产30Cr1Mo1V转子钢的使用温度提高到超临界条件的565℃下是可行的。图4为频率修正公式零保持时和Manson-Coffin的比较，两者基本一致。 5 结论 （1）随着控制应变幅的增加，第1、3阶段比例均呈增加趋势，第2阶段的比例呈现减小趋势。 （2）以应力下降比率作为参考变量，在整个寿命周期内，拉应力松弛与压应力松弛基本一致，应力下降比率基本相同。 （3）给出了应力下降比率与应变时间的关系。 （4）给出了基于应变范围划分法和基于频率修正的Coffin-Manson公式的寿命方程。 （5）从实验结果来看，将国产30Cr1Mo1V转子钢的使用温度提高到超临界条件的565℃下是可行的。 参考文献 翁思成, 姚祖安, 郑云之(Weng Sicheng, Yao Zuan, Zheng Yunzhi). 超临界汽轮机组的现状和开发前景（Actuality and prospect of super-critical steam turbine unit）[J].上海汽轮机(Shanghai Turbine).1998, 38(3)：1-11. 林富生(Lin Fusheng).我国火电超临界机组的材料(Material of super-critical steam turbine unit in china)[J].动力工程(Power Engineering )， 1991, 11(1)：52-64. 孙惠连(Sun Huilian).我国发电设备材料的技术进展(Technical development of power equipment in china)[J].动力工程(Power Engineering)， 1989, 9(2)：14-24. 黄蓉(Huang Rong). 我国超临界汽轮机组选材及国产化分析(Analysis of material selection and nationalization of national super-critical steam turbine unit)[J].汽轮机技术(Turbine Technology),2001, 43(1)：9-13. 徐灏. 疲劳强度 [M]. 北京：高等教育出版社，1990. 徐林耀(Xu Linyao). 低周疲劳/蠕变交互作用下构件的寿命预测(Life prediction of component under low-cycle-fatigue/creep interaction)[J].航空动力学报(Journal of Aerospace Power)，1992, 7(2)：102-112. 毛雪平, 刘宗德, 杨 昆, 等(Mao Xueping, Liu Zongde, Yang Kun, et al). 30Cr2MoV转子钢高温下的低周疲劳特性实验研究（An experimental study on low cycle fatigue behaviors of 30Cr2MoV steel for rotor at elevated temperatures）[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2002, 22(6)：119-122. Viswanathan R. Damage mechanisms and life assessment of high-temperature component[M]. ASM International , 1995.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/22/2005)