不同加载速率下汽轮机转子钢的高温低周疲劳断裂特征

   日期:2020-09-01     来源:互联网    作者:中国铸造网    浏览:1283    评论:0    
核心提示:火力发电厂汽轮发电机组在启动、停机或变负荷运行时,汽轮机转子要承受快速加热或冷却引起的热应力和机械应

火力发电厂汽轮发电机组在启动、停机或变负荷运行时,汽轮机转子要承受快速加热或冷却引起的热应力和机械应力,导致局部区域发生塑性变形而产生低周疲劳,在这种交变应力的作用下,经过一定周次的循环就可能在材料中出现疲劳裂纹。实际上,转子低周疲劳研究中加载的应变速率直接与汽轮机启停及运行的温度升降速度与负荷变化速度等工况相关联。本文主要对30Cr1Mo1V转子钢在538℃下的低周疲劳断口和剖面的组织结构进行分析,探讨电厂大型机组关键部件的高温低周疲劳行为的内在本质和规律,以期了解转子钢在运行过程中裂纹的萌生与扩展规律及其高温低周疲劳行为,为汽轮机的安全运行提供理论基础,也为该类材料的安全应用提供技术支持。

实验材料为30Cr1Mo1V汽轮机转子钢,其化学成分为(质量百分比,%):0.28C,1.18Cr,1.20Mo,0.24V,0.42Ni,0.72Mn,0.24Si,0.016P,0.007S,余量Fe。实验材料经1010℃加热/空冷和720℃加热/炉冷至250℃后空冷的预备热处理,再经955℃加热/风冷和680℃加热/炉冷的调质处理。试样加工后经620℃加热/炉冷的去应力处理。高温低周疲劳试验在RDL05电子蠕变疲劳试验机上进行,试样为等截面圆柱形试样,直径为6mm,标距为25mm,温度为538℃,实验加载前在538℃下对试样进行30min均热保温,采用三段加热炉加热,温度控制在±2℃;采用恒应变幅控制的轴向拉-压加载方式,应变波形为对称三角波;实验的最大应变取值为1.0%,应变比R=-1,应变速率分别选取0.1×10-2、0.5×10-2s-1。本实验是控制总应变幅的低周疲劳试验,加载速率的变化用塑性应变速率的变化来表征。用线切割将30Cr1Mo1V转子钢低周疲劳试验断裂试样制备成断口扫描电镜试样,采用带有能谱分析的JSM-5610扫描电镜观测断裂特征。

结果显示,在538℃时,在控制总应变和0.5×10-2、0.1×10-2s-1两种加载速率条件下,汽轮机转子钢低周疲劳试样断面有裂纹源区、裂纹扩展区和瞬断区,瞬断面与其他两区呈一定角度的剪切唇;裂纹源区比较平坦,在此区域有许多细小裂纹沿晶界萌生,这些细小裂纹并不是源自于试样的表面,而是在材料内部萌生。转子钢的高温低周疲劳断裂主要为沿晶断裂,在0.5×10-2s-1时有少量穿晶断裂,而在0.1×10-2s-1中裂纹数目较少,有明显的裂纹尖端和裂纹扩展的方向。在瞬断区的断口,有少量疲劳条纹存在,还有大量的韧窝,断口形貌主要以韧窝为主。0.5×10-2s-1试样韧窝较深,0.1×10-2s-1试样中断裂区还有部分解理断裂;从试样表面萌生的裂纹,沿径向由表面向试样内部扩展,试样裂纹附近出现了大量尺寸为5~30μm的鱼卵状裂纹珠,这是由于高温氧化、疲劳交变载荷交互作用形成的,这些裂纹珠的存在减弱了材料的承载能力,降低了疲劳寿命,应尽量避免。(榕霖)


 
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