30Cr1Mo1V转子钢蠕变-疲劳交互作用的实验研究
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。
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
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