暢旭兵，王 勇，林 琳，紀(jì)冬梅

(1.廣東粵電靖海發(fā)電有限公司，揭陽 515223；2.西安熱工研究院有限公司，西安 710054；3.上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，其工作條件非常惡劣且復(fù)雜，由于機(jī)組頻繁啟停，負(fù)荷升降周期變化，導(dǎo)致其主要部件經(jīng)常承受劇烈的溫度變化，從而產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，使得部件承受低周疲勞載荷；同時，對于超(超)臨界機(jī)組，蒸汽溫度在600 ℃以上，因此部件中也將不可避免地出現(xiàn)蠕變損傷，且蠕變損傷與疲勞損傷有一定的交互作用，二者共同決定了轉(zhuǎn)子的壽命。轉(zhuǎn)子的正常工作決定著整個機(jī)組運(yùn)行的安全性與可靠性，在一定程度上汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的壽命代表了整臺汽輪機(jī)機(jī)組的壽命。前人從損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)的角度研究了汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的損傷，推導(dǎo)出了其疲勞壽命、蠕變壽命及蠕變-疲勞壽命預(yù)測模型[1-3]，預(yù)測精度不斷提高，且發(fā)展為壽命預(yù)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了損傷在線評估。軒福貞等[4]系統(tǒng)研究了高溫承壓設(shè)備的蠕變、疲勞、棘輪等損傷模式的演化機(jī)理、理論模型和設(shè)計分析方法，為高溫承壓設(shè)備在復(fù)雜失效模式下的長周期安全運(yùn)行提供了理論基礎(chǔ)。從宏觀角度而言，設(shè)備的安全性涉及到6個層次的系統(tǒng)工程：材料、元件、器件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)和整機(jī)。雖然預(yù)測和防止設(shè)備失效的任務(wù)是在整機(jī)的最高層，但損傷起源于最底層，即材料[5]。因此，研究汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼在蠕變-疲勞交互作用下的損傷機(jī)理可以為汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行提供理論支撐。

質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%～12%鉻馬氏體鋼由于具有優(yōu)良的高溫性能、抗氧化性等特點(diǎn)而廣泛用于制造火力發(fā)電廠關(guān)鍵熱端部件[6-8]。其中，馬氏體鋼X12CrMoWVNbN10-1-1主要應(yīng)用于超(超)臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、葉片、氣缸、閥體等部位；該鋼具有較好的綜合力學(xué)性能、焊接性能、工藝性能、高溫耐腐蝕性能以及較高的高溫持久強(qiáng)度[9]。在蠕變-疲勞交互作用下，質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%～12%鉻馬氏體鋼的斷裂屬于蠕變斷裂主導(dǎo)的蠕變韌性斷裂[10]，但是隨著保載時間和應(yīng)力比的減小，斷裂模式從韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變[11-12]；Laves相、正火溫度、位錯、加載應(yīng)力、保溫時間和缺口類型均為蠕變斷裂的主要影響因素[13]，且在疲勞過程中明顯觀察到顯著的加載速率依賴性以及平均應(yīng)力松弛和連續(xù)循環(huán)軟化行為[14]。GIROUX等[15]研究發(fā)現(xiàn)，組織演變引起了P92鋼在高溫下的循環(huán)軟化行為。GOPINATH等[16]發(fā)現(xiàn)在蠕變-疲勞交互作用下，隨著保載時間的延長，質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%～12%鉻馬氏體鋼組織中出現(xiàn)的晶界氧化和裂紋導(dǎo)致其疲勞壽命顯著降低[17]。但是，目前有關(guān)質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%～12%鉻馬氏體鋼蠕變-疲勞損傷的研究不夠全面與深入，繼續(xù)深入系統(tǒng)地開展該方面的研究是十分有必要的。為此，作者以X12CrMoWVNbN10-1-1鋼為研究對象，開展了620 ℃下的純?nèi)渥兗拜d荷控制、高位保載的蠕變-疲勞試驗(yàn)，研究了該鋼的蠕變-疲勞交互作用和斷裂機(jī)理，以期為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在蠕變-疲勞交互作用下的損傷與壽命分析提供理論支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為X12CrMoWVNbN10-1-1馬氏體鋼，由上海汽輪機(jī)廠提供，熱處理態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，顯微組織主要為回火馬氏體，化學(xué)成分見表1，其高溫瞬時拉伸性能和高溫持久性能見文獻(xiàn)[18]。

表1 X12CrMoWVNbN10-1-1 鋼的化學(xué)成分

根據(jù)GB/T 2039—2012，在試驗(yàn)鋼上截取如圖1(a)所示的蠕變-疲勞試樣，在GWT2504型高溫蠕變持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫單軸蠕變-疲勞試驗(yàn)和純?nèi)渥冊囼?yàn)，環(huán)境為實(shí)驗(yàn)室大氣環(huán)境，試驗(yàn)溫度為620 ℃，采用閉環(huán)控制通過三段熱電偶測量試樣溫度，溫度偏差不超過±3 ℃，溫度梯度不超過3 ℃。整個試驗(yàn)過程采用應(yīng)力控制加載模式，加載速率為3 MPa·s-1，加載波形如圖1(b)所示，其中σmax為最大應(yīng)力，σmin為最小應(yīng)力，tht為最大應(yīng)力保載時間，thc為最小應(yīng)力保載時間。具體試驗(yàn)參數(shù)如表2所示，表中R為應(yīng)力比，f為加載頻率。由于與最大應(yīng)力保載時間相比，最小應(yīng)力保載時間很短，可以忽略，因此將最大應(yīng)力保載時間定義為保載時間。純?nèi)渥冊囼?yàn)時的應(yīng)力為274 MPa。試驗(yàn)結(jié)束后，采用掃描電鏡觀察斷口形貌。

表2 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼蠕變-疲勞試驗(yàn)參數(shù)

圖1 蠕變-疲勞試樣的尺寸及試驗(yàn)加載波形

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)力比和保載時間對蠕變-疲勞壽命的影響

試驗(yàn)鋼的純?nèi)渥儔勖鼮?40.8 h，編號為CF0203、CF0205、CF0210、CF0215、CF0315、CF0415試樣的蠕變-疲勞壽命分別為514,293,97,59,95,57周次，對應(yīng)的時間分別為154.2,146.5,97.0,88.5,142.5,85.5 h，可見試驗(yàn)鋼的蠕變-疲勞壽命小于或大于相同應(yīng)力水平下的純?nèi)渥儔勖?，表明疲勞載荷的引入可抑制或促進(jìn)蠕變損傷。由圖2可知，當(dāng)應(yīng)力比相同時，保載時間越長，蠕變-疲勞壽命越短，而在相同保載時間下，不同應(yīng)力比下的蠕變-疲勞壽命基本相同，說明應(yīng)力比對蠕變-疲勞壽命的影響很小，這與文獻(xiàn)[19]中P92鋼的蠕變-疲勞壽命變化趨勢相吻合。應(yīng)力比為0.2條件下，試驗(yàn)鋼的蠕變-疲勞壽命與保載時間呈指數(shù)關(guān)系，二者擬合關(guān)系為

圖2 不同應(yīng)力比下試驗(yàn)鋼的蠕變-疲勞壽命與保載時間的關(guān)系

(1)

式中：Nf為蠕變-疲勞壽命；m和A均為與溫度有關(guān)的材料常數(shù)。

擬合得到m為1.27，A為112.40，擬合相關(guān)系數(shù)為99.2%。

2.2 真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線及蠕變-疲勞交互作用

2.2.1 真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線

在試驗(yàn)過程中不同條件下的真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線相似，因此以應(yīng)力比0.2、保載時間0.3 h的條件為例對真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線進(jìn)行分析。由圖3可知，試驗(yàn)鋼的蠕變-疲勞穩(wěn)定階段占整個壽命的70%左右。在試驗(yàn)加載前的高溫保溫過程中材料發(fā)生軟化，導(dǎo)致試驗(yàn)起始階段的單個循環(huán)變形量較大；隨著試驗(yàn)過程的進(jìn)行，位錯密度增大，材料逐漸硬化，阻礙損傷增大的能力加強(qiáng)，故此階段的循環(huán)變形量減?。划?dāng)阻礙損傷增加的能力達(dá)到最大值時，真應(yīng)力-真應(yīng)變響應(yīng)表現(xiàn)為穩(wěn)定階段，此時循環(huán)變形量幾乎保持不變；隨著損傷的累積，材料承載能力逐漸降低，同時頸縮逐漸明顯，試樣的有效承載面積減小，真應(yīng)力增大致使后期循環(huán)變形量增大并造成試樣的快速斷裂。

圖3 試驗(yàn)鋼在蠕變-疲勞過程中的真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線(R=0.2, tht=0.3 h)

由圖4可見：在應(yīng)力比為0.2條件下，保載時間為0.3,0.5 h時的半壽命真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線基本一致，斷裂時間也相差較??；保載時間為1.0,1.5 h時的半壽命真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線的位置和形狀相似，但后者的寬度大于前者，斷裂時間短于前者；在保載時間為1.5 h條件下，應(yīng)力比為0.2時的半壽命真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線的寬度與應(yīng)力比為0.4時的基本相同，二者的斷裂時間相差較小，而應(yīng)力比為0.3時的半壽命真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線寬度明顯小于應(yīng)力比為0.2和0.4時，且遲滯回線位于較小真應(yīng)變處，斷裂時間大于應(yīng)力比為0.2和0.4時?？芍?，試驗(yàn)鋼在高溫下的蠕變-疲勞壽命與穩(wěn)定階段的真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線密切相關(guān)。

圖4 不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)鋼在蠕變-疲勞半壽命時的真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線

2.2.2 棘輪應(yīng)變與不可恢復(fù)應(yīng)變

可將單個蠕變-疲勞加載過程中的真應(yīng)變分為彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變、蠕變應(yīng)變、黏彈性應(yīng)變和不可恢復(fù)應(yīng)變[20]。在非對稱循環(huán)載荷作用下，由于平均應(yīng)力的存在，試樣的非彈性應(yīng)變將表現(xiàn)出循環(huán)累積現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱為棘輪效應(yīng)，應(yīng)變的平均值為棘輪應(yīng)變。由圖5可知，初始階段棘輪應(yīng)變速率較大，中間階段棘輪應(yīng)變速率較平緩，后期階段棘輪應(yīng)變速率快速增大直至試樣斷裂。

圖5 試驗(yàn)鋼在不同試驗(yàn)條件下的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

棘輪效應(yīng)廣泛存在于壓力容器和管道等工程實(shí)際問題當(dāng)中，是工程設(shè)計過程中需要考慮的重要因素，但是棘輪應(yīng)變不能反映應(yīng)變循環(huán)累積的內(nèi)在機(jī)制及特性。經(jīng)過蠕變-疲勞循環(huán)后，應(yīng)變增量為不可恢復(fù)應(yīng)變，損傷主要由此應(yīng)變引起[21]；在每一個周期中，不可恢復(fù)應(yīng)變都會發(fā)生變化。由圖6可知，在穩(wěn)定階段，不可恢復(fù)應(yīng)變存在一定的波動。

圖6 試驗(yàn)鋼在不同試驗(yàn)條件下的不可恢復(fù)應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線

2.2.3 純?nèi)渥儜?yīng)變速率

由圖7可以看出，試驗(yàn)鋼純?nèi)渥儜?yīng)變速率經(jīng)歷了下降階段、穩(wěn)定階段和增速階段，且穩(wěn)定階段約占整個壽命的70%，該階段的蠕變應(yīng)變速率最小，最小值為5.112×10-8s-1。

圖7 試驗(yàn)鋼在620 ℃下的純?nèi)渥儜?yīng)變速率隨歸一化壽命的變化曲線

2.2.4 蠕變-疲勞交互作用因子

蠕變-疲勞壽命是蠕變損傷與疲勞損傷交互作用的宏觀體現(xiàn)，而二者的交互作用主要取決于疲勞載荷對蠕變損傷的影響大還是蠕變載荷對疲勞損傷的影響大。參考文獻(xiàn)[22]提出了一種觀點(diǎn)：當(dāng)平均應(yīng)力小于應(yīng)力幅時，疲勞載荷主導(dǎo)損傷；當(dāng)平均應(yīng)力大于應(yīng)力幅時，蠕變載荷主導(dǎo)損傷；當(dāng)應(yīng)力幅和平均應(yīng)力處于相同水平時，相互作用主導(dǎo)損傷。蠕變-疲勞過程與純?nèi)渥冞^程均存在穩(wěn)定階段，且均占據(jù)了壽命的70%左右。對于純?nèi)渥冞^程，蠕變應(yīng)變與蠕變損傷有關(guān)，應(yīng)變越大，損傷越大；對于蠕變-疲勞過程，不可恢復(fù)應(yīng)變是其損傷的宏觀表現(xiàn)，因此作者從應(yīng)變的角度定義了蠕變-疲勞交互作用因子μ。

在蠕變-疲勞過程中，若無疲勞載荷的存在，且忽略加載和卸載對應(yīng)變的影響，則一個循環(huán)周期內(nèi)，在蠕變載荷作用下產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變Δεc為

(2)

由于試驗(yàn)中最小應(yīng)力下的保載時間很短，因此在蠕變-疲勞保載時間內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變?yōu)?/p>

(3)

但是，蠕變-疲勞過程因疲勞載荷的引入存在應(yīng)變棘輪效應(yīng)，一個循環(huán)內(nèi)不可恢復(fù)應(yīng)變是蠕變-疲勞損傷的宏觀表現(xiàn)，因此定義蠕變-疲勞的交互作用因子為

(4)

式中：Δεir為穩(wěn)定階段的不可恢復(fù)應(yīng)變，以半壽命時的不可恢復(fù)應(yīng)變表示。

(5)

表3 試驗(yàn)鋼在620 ℃下的蠕變-疲勞交互作用因子和平均蠕變-疲勞交互作用因子

2.3 斷口形貌

2.3.1 宏觀斷口形貌

由圖8可以看出，不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)鋼的宏觀斷口都存在明顯的3個區(qū)域，分別為纖維區(qū)、放射區(qū)及剪切唇，且纖維區(qū)均位于斷口中間位置，斷口均發(fā)生頸縮，整體呈杯錐型斷口，呈典型的韌性斷裂特征。剪切唇與橫截面成45°角，沿著最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展，斷裂形式更接近于剪切型韌性斷裂；蠕變-疲勞斷口剪切唇部位均存在孔洞，并且保載時間越長，孔洞的尺寸越大，蠕變-疲勞的交互作用與保載時間密切有關(guān)。對比發(fā)現(xiàn)，保載時間越長，斷口表面纖維區(qū)越趨于平整。純?nèi)渥償嗫谟捎跊]有疲勞載荷作用，保載時間可以看作無限長，因此其表面較平整。

圖8 不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)鋼的蠕變-疲勞斷口和純?nèi)渥償嗫诤暧^形貌

2.3.2 韌窩微觀形貌

由圖9可以看出，在應(yīng)力比0.2以及保載時間0.3,0.5 h條件下，斷口韌窩較淺，韌窩表面比較光滑，坡度比較平緩，韌窩邊緣處出現(xiàn)脫落型破損，破損部位有鋒利的邊緣；由于該條件下的保載時間相對較短，損傷以與循環(huán)有關(guān)的疲勞載荷為主，因此將這種類型的韌窩定義為疲勞韌窩。在應(yīng)力比0.3和0.4、保載時間1.5 h條件下，斷口韌窩較深，韌窩表面比較粗糙，坡度比較陡峭，韌窩邊緣同樣有破損，但破損類型為新生韌窩型破損，即在大韌窩的邊緣出現(xiàn)新的小韌窩，破損部位已經(jīng)發(fā)生輕微鈍化；由于在此試驗(yàn)條件中保載時間相對較長，損傷以與時間有關(guān)的蠕變載荷為主，因此將這種類型的韌窩定義為蠕變韌窩。

圖9 不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)鋼蠕變-疲勞斷口韌窩形貌

試驗(yàn)鋼的斷裂形式主要是韌性斷裂。韌窩主要在夾雜物、第二相粒子處形核，即在載荷作用下，夾雜物、第二相粒子與基體發(fā)生脫離而形核，另外晶界的滑移變形也會形成韌窩。夾雜物、第二相粒子處形成的韌窩尺寸較大，且在載荷的持續(xù)作用下，韌窩發(fā)生連接而長大；同時夾雜物周圍應(yīng)力場比較復(fù)雜，韌窩長大速率明顯高于其他位置，這也是在同一韌性斷口不均勻分布著尺寸較大韌窩的原因。疲勞對韌窩長大的影響分為兩類：(1)靜載荷條件下，夾雜物、第二相粒子形成的韌窩在連接時，韌窩前沿比較尖銳，存在局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致韌窩長大速率較快，當(dāng)引入疲勞載荷后，隨著載荷的加載與卸載，韌窩表面發(fā)生閉合及摩擦，導(dǎo)致韌窩前沿鈍化，應(yīng)力集中減小，韌窩長大速率降低；(2)在靜載荷下晶界滑移不可恢復(fù)，并且隨著載荷的持續(xù)作用，韌窩較快形核，并立即進(jìn)入長大階段，但疲勞載荷卸載階段不但降低了晶界的滑移程度，減緩韌窩形核，而且降低韌窩的長大速率，進(jìn)而減緩整體蠕變損傷速率，且這種影響會隨著疲勞參數(shù)的增大而增加。當(dāng)韌窩長大到一定尺寸時，會出現(xiàn)多個韌窩連接現(xiàn)象。

圖10 不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)鋼蠕變-疲勞斷口韌窩孔洞連接形貌

2.3.3 裂紋微觀形貌

由圖11可以看出：在保載時間較短的試驗(yàn)鋼斷口表面存在一些寬度較窄、長度較長的裂紋；在保載時間較長的試驗(yàn)鋼斷口表面存在一些寬度較寬、長度較短的裂紋。同時，在斷口表面還存在切痕，如圖中細(xì)實(shí)線所示，主要出現(xiàn)在高低過渡區(qū)域；這些切痕棱角分明，是瞬間斷裂的特征。隨著保載時間的延長、應(yīng)力比的增大，裂紋和切痕逐漸減少，斷口高低表面也逐漸趨于光滑過渡。

圖11 不同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)鋼蠕變-疲勞斷口和純?nèi)渥償嗫诹鸭y形貌

3 結(jié) 論

(1)在載荷控制的蠕變-疲勞條件下，X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的蠕變-疲勞壽命與保載時間呈指數(shù)關(guān)系；保載時間越長，應(yīng)力比對蠕變-疲勞壽命的影響越小。

(2)X12CrMoWVNbN10-1鋼在高溫下的蠕變-疲勞壽命與穩(wěn)定階段的真應(yīng)力-真應(yīng)變遲滯回線密切相關(guān)，從應(yīng)變角度定義的蠕變-疲勞交互作用因子能夠很好地反映二者的交互作用。

(3)X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在載荷控制下的蠕變-疲勞相互作用主要受控于2種機(jī)制：當(dāng)保載時間較短(0.3,0.5 h)時，疲勞損傷抑制蠕變損傷，損傷以與循環(huán)有關(guān)的疲勞載荷為主；當(dāng)保載時間足夠長(1.0,1.5 h)時，疲勞損傷促進(jìn)蠕變損傷，損傷以與時間有關(guān)的蠕變載荷為主。

(4)X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在載荷控制下的蠕變-疲勞斷裂形式為韌性斷裂，斷裂主要由2種韌窩引起的：一種由疲勞主導(dǎo)作用下的晶界滑動變形引起，發(fā)生在保載時間較短(0.3,0.5 h)的條件下；另一種由蠕變損傷主導(dǎo)作用下夾雜物或第二相顆粒從基體上脫落所致，發(fā)生在長保載時間(1.0,1.5 h)條件下。