1、 30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究摘要30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究目录30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究1 概 述1.1 课题研究背景、目的和意义。电力是现代社会赖以生存和发展的基础。经过改革开放二十多年的发展，到 2000年，我国的发电装机容量和发电量已经居世界第二位，到 2002 年底，全国发电设备总装机容量突破了 3.50 亿千瓦大关。但我国的人均装机容量只有世界平均水平的 40。到 2007 年，我国发电装机容量达到 7 亿千瓦。根据中国电力企业联合会发布全国电力供需与经济运行形势分析预测
2、报告预计，2009 年我国发电装机容量将达到 8.6 亿千瓦。近几年电力行业的发展是突飞猛进，其中能源结构中，火电机组占到了发电容量的 70%以上。而火电机组中燃煤机组占到了很高的比例。众所周知，火力工程中所用的金属材料处于高温高压条件下工作，并承受交变载荷的作用，因而深入研究材料的高温性能具有重要意义。材料的高温性能的研究可以促进我们进一步探讨构件在役高温条件下的寿命以及如何延长其寿命，或者如何去改进材料晶体结构使其具有更好的性能，从而不断开发出新的高性能材料。在石油化工、动力、航空航天等部门中，有许多机械设备，如压力容器、发电锅炉汽轮机、燃气轮机、冶金机械等，长期在高温条件下工作，并且随着
3、我国工业技术的迅速发展，这些设备工作的环境温度越来越高。另外，这些设备在工作过程中除承受一定的静载荷之外，通常还承受着动载荷作用，如频繁的启动停车、快速的较大范围内的温度波动等。这些因素引起的波动载荷叠加在静载荷上，产生疲劳损伤。这些工程结构的安全性和使用寿命取决于结构材料的高温力学性能，特别是抗疲劳一蠕变性能，因为有 85%以上的工程结构破坏与疲劳有关。据统计，由于机件结构的断裂、疲劳、腐蚀损伤，每年造成的经济损失，占美、日、欧共体等国每年国民生产总值的 8%一 12%。据我国劳动部统计，我国在 80 年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约 5000 起，人员累计伤亡近 10000 人，居国内
4、事故的第二位。我国锅炉和压力容器的爆炸事故比工业化先进国家高十倍，其中恶性重大事故比工业化国家高一百倍。90 年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故和人员伤亡数虽然有所减少，但仍居国内事故的第二位。我国乙烯厂的裂解炉炉管因长期承受 800 多摄氏度的高温而时常发生变30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究形、断裂，每次报废所造成的经济损失高达几千万元。对材料高温断裂的宏观、微观研究可防范或减少上述破坏行为产生的巨大破坏作用。30Cr1Mo1V 钢是 20 世纪 80 年代后期开发的汽轮机转子钢，与传统的 30Cr2Mo1V转子钢相比在力学性能和工艺性能方面具有明显的优势，在 90 年代以后
5、 30Cr1Mo1V成为 30Cr2Mo1V 的替代品，该材料被认为可用于制造 23.525Mpa、538540/566超临界机组转子材料。汽轮机转子是汽轮机的核心部件，而其制作材料 30Cr1Mo1V 钢，在高温条件下的疲劳裂纹扩展规律研究，可以得到材料的寿命周期问题，从而，降低疲劳失效而产生的事故率，并且，对延长 30Cr1Mo1V 材料的寿命问题有所帮助。1.2 疲劳裂纹扩展规律的研究状况1.2.1 常温条件下疲劳裂纹扩展规律的研究状况人类对疲劳的研究 19 世纪就开始了，在研究初期，以断裂力学理论应用于疲劳研究，对裂纹扩展寿命的预测通常采用断裂力学的方法。1961 年，Paris 等人
6、提出，在恒幅加载下，da/dN 与应力强度因子的幅值K 有关，并给出了 Paris 公式（1-1）mdaCKN（ ）式中 C 和 m 为材料决定的常数。之后，在这一理论基础上考虑应力比 R 比与临界应力强度因子 。对 da/dN 的影响，Forman 和 Walker 分别提出了 Forman 公式ck(1-2)/(1-R)CdaK（ ）和 Walker 公式（1-3）maxK(-)nCN随着对裂纹扩展机理的研究，人们对于了解应力强度因子在裂纹扩展过程中的变化的兴趣不断增长。1970 年，Elber 发现了裂纹扩展的闭合效应，之后，人们对裂纹的闭合进行了大量的实验和理论研究。一般认为裂纹在完全
7、张开之前是不会扩展的，在应力循环中，对疲劳裂纹扩展有贡献的部分为最大应力与张开应力之差，即有效应力幅。基于闭合理论，人们发展了许多闭合模型，如 Elber 公式（1-4）K)nefdaCN自 Pearson 在 1975 年提出“小裂纹”的概念，并报导了疲劳短裂纹快速扩展的研究成果之后，小裂纹的形成和扩展构成了疲劳裂纹的形成阶段，当小裂纹扩展到一定程度时，则进入疲劳裂纹扩展阶段。人们为了描述小裂纹不同于长裂纹的扩展特性，30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究相继提出了许多小裂纹模型。目前，普遍认为小裂纹的扩展速率不同于长裂纹是由于闭合效应造成的。尽管线弹性断裂力学在小裂纹阶段己经失效
8、，工程上仍有许多模型直接采用线弹性断裂力学参数或通过某些修正参数来描述小裂纹的扩展。如 IFQ 模型、MeEvily 等，通过引入一个材料常数 对线弹性断裂力学公式进行修正，得到了一个cr既可以描述小裂纹扩展又可以描述长裂纹扩展速率的模型。1992 年 Vormwald 等认为小裂纹阶段的有效驱动参数是 ，并提出了一个小裂纹扩展的寿命模型。1996 年傅efJ祥炯 等通过在 Paris 公式中引入闭合效应的影响，得出了一个全寿命模型，该模型的当量初始裂纹长度是由小裂纹扩展规律反推到一个作为材料及工艺质量控制的尺度。1996 年 x.D.Li 提出了一个基于位错理论的动态预测裂纹扩展阶段转变和小
9、裂纹扩展速率的微观力学模型。这些模型由于公式中参数多且需要依赖实验定，使得它们的使用受到了限制。1998 年马君峰通过对裂纹闭合效应的解析描述，提出了一个全寿命分析归一化的模型，该模型对裂纹形成寿命仍采用疲劳分析方法。1999 年 J.C.Newman 等用小裂纹理论检验了 Newlnan 裂纹闭合模型预测小裂纹扩展速率和疲劳寿命的能力。其研究表明用断裂力学方法来预测疲劳裂纹的形成寿命也是可行的。Palrs 公式是描述疲劳裂纹扩展规律的经典公式。一些研究者从细观力学的观点出发，对 Palrs 公式的物理意义加以陈述和对 Pairs 公式修正，并对 Pairs 公式中的C、m 和微观结构参量的关
10、系进行定义。K.Krausz 得出（1-5）/KkT式中 k 为 Boltzmann 常数，T 为绝对温度， 为材料结构参数。他提出疲劳裂纹扩展速率公式：（1-6）/exp()HKdaNLhk式中 L 为每一热激活下裂纹扩展的功，h 为 Planck 常数，H 为激活能，特别说明的是H、a 是显微结构的定量测量参量。刘立名，段梦兰从材料的微观结构和裂纹尖端的应力场，应用位错动力学理论、热激活能理论和速率过程理论，推导出了裂纹扩展的一个基本公式。（1-7）(1)0/exp()kTAUdaNKf其中， ，A。 、 是常数，U 为材料的结构参数，f 为加载0exp(),Cnfkk30Cr1Mo1V钢
11、高温低周疲劳裂纹扩展规律研究频率，其它参数的物理意义同(1-5)(1-6)式。通过对(1-7)式的分析，他们得出：只需测量一次材料的微观参量即可获得任意试验条件下的裂纹扩展特性。1.2.2 高温条件下裂纹扩展规律的研究状况高温疲劳问题非常复杂，目前主要是对高温疲劳裂纹扩展速率的影响因素展开了研究。现有研究初步表明，在较低的温度范围(20一 350)内，温度对疲劳裂纹扩展速率的影响不明显，但继续升高温度，则会加速裂纹的扩展。温度升高，材料的弹性模量和强度下降，氧化作用增强，导致裂纹扩展速率增加。在室温条件下，对大多数金属而言，人们通常采用 Paris 公式或 Forman 公式等。在高温下考虑到
12、蠕变 GAWebster 基于弹塑性断裂力学中 J 积分的概念提出了用修正 J 积分 作为控制蠕变裂纹扩展速度的断裂力学参数。 的积分表达式为：*C *C（1-8）iuWdyTsx（1-9）*0ij式中： 应力矢量 T 的分量；i位移速率矢量在 i 方向上分量；iu积分路径；ds积分路径上的弧线元；应力分量；ij应变能。*W由于 具有较明确的物理意义，目前在许多蠕变裂纹扩展问题研究中得到应用，C并取得良好的效果。如果考虑到材料的蠕变机制对变形影响较小，认为净截面应力仍保持在弹性范围内，那么 da/dN 和 之间仍服从 Paris 公式。这里 C 和 n 随温度变化K而取不同的数值。F.Jegl
13、ie 考虑到在温度变化的条件下裂纹扩展是一种具有体扩散机制的热激活过程，C、n 应该是激活能的函数。在这种假设下，给出裂纹扩展速率的表达式为：（1-10）021ln()expnQCKdaCKNRT式中: 、 材料常数；1230Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究T绝对温度；R气体普适常数；体扩散激活势垒。0Q高温下加载频率对裂纹扩展影响较大，加载频率越低，裂纹扩展速率越高。造成频率影响高温裂纹扩展速率的原因一般有两种，一种是由于高温下裂纹尖端有蠕变损伤，频率降低，增加了蠕变损伤的程度，从而加快了疲劳裂纹的扩展速率。另一种是由于环境的影响。目前，关于环境对裂纹扩展的影响机理研究还很少，部
14、分文献只简单地归结为有害物质的扩散，所以环境影响裂纹扩展的机理还有待作进一步深入研究。高温疲劳试验中，增加保持时间，一方面增加空气与试样尖端的接触时间，另一方面使蠕变时间增加。积聚的蠕变损伤引起晶界处空穴的形核和扩展，加速了疲劳裂纹扩展。而空气与试样尖端的接触时间越长，氧化作用时间越长。但关于氧化作用对裂纹扩展速率的机理问题仍不十分清楚。在高温下氧化物引起裂纹闭合的研究很少。1.2.3 加载负荷条件下的裂纹扩展规律的研究现状Thomas 和 Dawson 研究了在大应变长期应变控制保持时间对循环寿命的影响，他们的结果表明，保持时间对疲劳寿命的影响与应变范围和实验温度有关。在 550，在应变范围
15、大于 0.4%时，增加保持时间会减小疲劳寿命，而低于此应变范围，所有的疲劳曲线收敛与 0.5 小时的寿命曲线。在 500下，存在同样的趋势，只是发生收敛的应变小些。文献8 对 1Cr-1Mo-0.25V 转子钢进行了应力控制的蠕变疲劳交互作用条件下裂纹扩展规律研究。采用完全恢复模型和不完全回复模型的蠕变断裂力学参数对保持时间的裂纹增长速率进行了拟合。裂纹增长速率计算结果显示，蠕变疲劳交互作用应力保持期内的裂纹扩展速率远高于相同应力下的蠕变裂纹扩展速率，对蠕变疲劳交互作用的断口进行的观察表明,由于保持时间内的蠕变变形的影响，循环裂纹增长速率被显著的延迟。与新材料相比，由于服役老化引起的蠕变脆性的
16、影响，服役材料循环裂纹增长速率明显提高。从整个循环来看，将裂纹扩展速度视为时间相关性更加合理。王正 张振华等对 2.25Cr1Mo 在复杂应力下的低周疲劳裂纹的扩展进行了研究与分析，研究采用应变控制, 三角形波, 应变幅 013% , 应变速率 012%/s 试验温度分别为20和 400。研究表明复杂应力状态下, 疲劳破坏产生在最大当量应变处，裂纹扩展30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究方向与最大主应力相垂直。复杂应力状态下，不同缺口形式的疲劳裂纹扩展速率用当量应力强度因子范围对其表征时不产生缺口依存性。1.3 转子钢的研究状况30Cr1Mo1V 钢作为转子钢，那么在其他转子钢方面
17、的研究能对 30Cr1Mo1V 的研究有很好的帮助。从国内的研究来看从上世纪 80 年代，西安热工研究院在当时的电力部的支持下，开始了转子钢性能研究。此后有关转子钢的特性的研究才开展起来。王金瑞等从一台报废的 50MW 机组的高压转子上取样进行了应变控制的低周疲劳实验，得到了第一条国产 30Cr2MoV 转子钢低周疲劳曲线。孙忠孝采用应力控制的方法对30Cr2MoV 转子钢进行了疲劳-蠕变交互作用下的裂纹扩展研究，提出了 30Cr2MoV 转子钢疲劳- 蠕变交互作用下的裂纹扩展判据。孙劲松等采用应变控制控制对 30Cr2MoV转子钢新材料进行了研究，给出了 30Cr2MoV 转子钢的下限低周疲
18、劳曲线。刘宗德等对 30Cr2MoV 转子钢在 3001100温度范围内进行了拉伸力学性能实验，得到了较宽温度范围内的拉伸应力应变曲线和屈服强度、抗拉强度与温度的关系，为解决转子碰磨后的弯曲校直提供参考依据。周顺深研究了蠕变断裂延性的变化对 Cr-Mo-V 材料的疲劳- 蠕变交互作用下的裂纹开裂和扩展的影响。采用应变控制的方法进行了30Cr1Mo1V 转子钢的低周疲劳实验，给出 510和 538温度下的 30Cr1Mo1V 转子钢低周疲劳应变寿命曲线。2 高温低周疲劳裂纹扩展的基本理论2.1 高温低周疲劳简介疲劳的分类有很多种，根据在疲劳过程中塑性应变和弹性应变所起的作用的大小，可将疲劳分为应
19、力疲劳和应变疲劳；根据疲劳所经历失效循环周次的长短，可将疲劳分为高周疲劳和低周疲劳；根据工作的环境，疲劳又可以分为高温疲劳、常温疲劳和低温疲劳等。低周疲劳，也称为应变疲劳，它是随着科学技术的发展，在工程中采用了弹塑性设计，允许零件局部区域的材料产生塑性变形出现的一种高应力应变、低循环寿命疲劳形式。与常规的高周疲劳相比，低周疲劳具有自己的一些特征：（1)对零件或构件30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究的危险部位的应力应变分析采用局部应力一应变法分析；（2)低周疲劳的试验采用应变控制方式，在描叙疲劳特性时采用应变作为基本参量；（3)疲劳应力与应变之间响应关系的曲线采用循环应力一应变曲线
20、，材料抗循环塑性变形的能力用表示迟滞回线表示， （4)采用雨流法对复杂载荷谱进行分解。高温疲劳是指零件在高于材料的 0.5Tm(用绝对温度表示的熔点)或高于再结晶温度时受到交变应力的作用所引起的疲劳破坏。生产中有许多机器零件是在高温和交变载荷作用下工作。如汽轮机、燃气轮机的叶轮和叶片，柴油机的排气阀等，容易产生高温疲劳破坏。高温疲劳具有以下特点： (1)高温疲劳的疲劳曲线无水平部分，疲劳强度随循环周次 N 增加不断降低。因此，高温下的材料疲劳强度用规定循环周次下的疲劳强度表示，一般取 5107或 108次。(2)高温疲劳总伴随蠕变发生，温度越高蠕变所占比例越大，疲劳和蠕变交互作用也越强烈。不同
21、材料显著发生蠕变的温度不同，一般当材料温度超过 0.3Tm 时蠕变显著发生，使材料的疲劳强度急剧降低。例如，碳钢温度超过 300350，合金钢超过 350400的发生显著蠕变。 高温时，由于疲劳过程与时间、环境等因素的影响有关。另外它们之间还存在着交互作用。因此，高温下的金属疲劳性能和寿命估算比常温下要复杂得多。虽然高温疲劳的寿命估算方法有很多，但没有一个公认的最佳方法。目前所进行的高温低周条件下的疲劳寿命估计，大多是在常温低周疲劳寿命的估计方法上发展起来的。高温低周疲劳的估算模型常用的有以下几种。（1）频率修正法，它是在 Coffin-Manson 方法的基础上发展起来的（2-1）1pfNC
22、式中： -塑性应变范围；-试样断裂的循环数；f、 -材料常数。1C（2）通用斜率法和 10%规则，采用高温短时拉伸的材料常数(E, , D )用通用u斜率公式进行材料高温寿命预测时发现预测值高于实验值，Manson 提出了 10%规则，即 =10% 作为对高温影响的修正。 是用通用斜率公式在使用高温材料常数情况fNf fN下的计算值。30Cr1Mo1V钢高温低周疲劳裂纹扩展规律研究2.2 疲劳裂纹扩展的基本规律疲劳裂纹扩展的基本规律就是其一般规律，是对裂纹扩展行为或现象所进行的一种综合性描述；而疲劳裂纹扩展的宏观力学模型，则是对形成这一规律的内在的裂纹扩展抗力与外加的驱动力之间的矛盾运动所做的
23、研究，是裂纹得以扩展的本质。裂纹扩展抗力是材料的内在属性，而驱动力则是由外界加载条件和裂纹体几何相关的。对于疲劳裂纹扩展研究，从研究以来，最大的成就可以认为是 Paris 将应力强度因子幅 用来定量地描述宏观疲劳裂纹扩展速率，提出了著名的 Paris 公式。疲劳K裂纹扩展的一般规律通常用 da/dN 的双对数坐标下的裂纹扩展速率曲线表示，如K图 2-1 所示。它可描述为：当作用于裂纹尖端的循环应力强度因子幅 低于门槛值K时裂纹不扩展；当应力强度因子幅略大于门槛值时，裂纹低速扩展且随 的增th加裂纹扩展速率快速升高，这一阶段的扩展被定性地称为近门槛扩展区；当 继续增加，裂纹扩展速率由快速升高变为以某种几乎恒定的升高速率缓慢升高，这一阶段的扩展被称为中部稳态扩展区；当 进一步增加，裂纹扩展速率再次变为快速升高直至K最终断裂，这一阶段的裂纹扩展被称为快速扩展区。上述近门槛区、中部稳定区和快速扩展区通常被分别称为 A 区、B 区和 C 区。因为疲劳寿命主要决定于中部稳态区的裂纹扩展寿命，所以我们主要研究 B 区的裂纹扩展规律。图 2-1 疲劳裂纹曲线2.3 疲劳裂纹扩展的主要影响因素
