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30Cr1Mo1V转子钢蠕变-疲劳交互作用的实验研究

时间: 2011-07-10 15:01 来源: 作者: 点击:

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.
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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.
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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.

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