高温氧化对30Cr1M o1V钢蠕变-疲劳裂纹扩展速率的影响

任延杰, 陈 荐, 何建军, 邱 伟, 陈建林, 周鹏展

(长沙理工大学 能源高效清洁利用湖南省普通高等学校重点实验室,长沙 410076)

裂纹扩展速率是高温结构部件损伤容量设计和 寿命预测的重要指标.影响裂纹扩展速率的因素很多,如温度、环境、加载频率、保载时间、材料的晶界及晶粒尺寸等,其中环境对裂纹扩展的影响较复杂.在高温下,金属不可避免地受到高温氧化作用,一些研究结果表明:氧化是高温下影响金属疲劳裂纹扩展的一个主要因素[1].有关氧化作用对裂纹扩展速率影响的研究较多[2-4].J.P.Pedron[2]等认为,对于镍基合金,氧可加速空洞的形核和长大,提高了蠕变速率;C.F.Miller[3]和M.Guo[4]认为氧可降低表面能,降低孔洞形核的临界应力,促进孔洞的形成,且可使疲劳裂纹的断裂扩展方式由穿晶断裂转变为沿晶断裂.尽管目前的研究大多认为高温下氧化作用不可避免地加剧了疲劳裂纹扩展的速度,但也有研究人员提出:氧化作用可增大裂纹尖端的半径,使裂纹尖端钝化.另外,在较低的应力强度因子区,氧化物可使裂纹闭合,因而缩小了有效应力强度因子范围,并阻止了裂纹开裂[5].

目前,关于高温氧化对低周疲劳裂纹扩展速率影响的研究大多针对IN718等镍基高温合金.一般,由于30Cr1M o1V钢具有较好的抗腐蚀和力学性能,常用于汽轮机叶片材料,其工作温度为400～600℃,由于应力作用下的频繁起停,转子钢不可避免地遭受疲劳-蠕变损伤.毛雪平等[6]对30Cr1Mo1V转子钢的高温低周疲劳特性进行过相应的研究,但目前关于高温氧化对30Cr1M o1V钢高温低周疲劳裂纹扩展影响的研究却鲜见报道.笔者研究了在空气和惰性环境下,30Cr1M o1V钢分别在540℃和650℃下的蠕变-疲劳裂纹扩展行为,并分析了氧化对其裂纹扩展速率的影响.

1 试验

1.1 材料

试验材料为30Cr1M o1V转子钢,热处理工艺为:预备热处理,1 010℃,空冷;720℃回火后炉冷;调质热处理,955℃鼓风冷却,680℃炉冷;去应力退火,≥620℃炉冷.金相组织为回火贝氏体加铁素体,30Cr1M o1V钢的化学成分列于表1.

表1 30Cr1Mo1V钢的化学成分Tab.1 Chem ical composition of 30Cr1Mo1V steel%

在表1中,除列出的化学成分外,其余为Fe的含量.

1.2 试验方法

试验在长春试验机研究所生产的RDL05电子蠕变-疲劳试验机上进行,试验机上高温炉充入氩气进行保护,测量控制系统为德国DOLI公司生产的EDC222的数字控制器.试样按 Standard ASTM E647进行加工,制备标准紧靠拉伸试样.疲劳试验与蠕变疲劳试验需预制疲劳裂纹.预制疲劳裂纹采用△K渐减方法在常温条件下进行,预制疲劳裂纹长2mm,在540℃和650℃下分别进行疲劳或蠕变-疲劳试验.加载波形为三角波或梯形波,梯形波在拉应力最大值时分别引入保载时间60 s、360 s和1 200 s.裂纹扩展长度采用离位直读法测量,试样经过一定循环周次后停止试验,降温后将醋酸纤维素薄膜粘贴在待测试样表面,干后取下,在200MAT显微镜下对薄膜进行裂纹长度测量.经修正后得到裂纹长度和循环数的对应值,采用七点递增多项式方法进行了计算,得出疲劳裂纹扩展速率d a/d N和裂纹长度的拟合值以及应力强度因子幅△K.

2 结果与分析

2.1 疲劳裂纹扩展

图1给出了在空气和氩气中,室温、540℃和650℃下的疲劳裂纹扩展速率(FCGR).图1中的加载频率为20 Hz.由图1可知:在540℃和650℃时的裂纹扩展速率明显高于在室温时的纯疲劳裂纹扩展速率,且在高温下空气中的FCGR约是惰性气体中的3倍,这主要归因于裂纹尖端的表面吸附效应.在△K较低时,温度由540℃升高到650℃,FCGR略有提高;当△K较高时,在540℃和650℃下,FCGR的变化并不明显.这一结果与报道中其他合金的试验结果相吻合.

图1 在空气和氩气中,室温、540℃和650℃下疲劳裂纹扩展速率Fig.1 Crack grow th rate at RT,540℃and 650℃,in air and argon environment

图2给出了在540℃下、空气和氩气中频率对疲劳裂纹扩展速率的影响.由图2可知:在空气和氩气2种气氛中,加载频率较低时的裂纹扩展速率明显高于加载频率较高时.这一结果表明:在循环载荷作用下,蠕变损伤对疲劳裂纹扩展速率有一定的影响;在空气中,低频时的疲劳裂纹扩展速率最大.为研究高温下蠕变对裂纹扩展速率的影响,笔者在三角波的最大值时引入了保载时间.图3为540℃时保载时间对疲劳裂纹扩展速率的影响.从图3可知:保载时间显著地提高了疲劳裂纹扩展速率.

图2 在540℃下,空气和氩气中频率对疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.2 Effect of frequency on fatique crack grow th rate at 540℃in air or argon environment

图3 540℃时保载时间对疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.3 Influence of holding time on crack g row th rate at 540℃

2.2 蠕变-疲劳裂纹扩展

为了研究蠕变与氧化因素对疲劳裂纹扩展速率的影响,笔者分析了不同保载时间作用下的蠕变-疲劳裂纹扩展速率.图4为空气中540℃时保载时间对蠕变-疲劳裂纹扩展速率的影响.图5为氩气中540℃时保载时间对蠕变-疲劳裂纹扩展速率的影响.引入保载时间后,空气中的蠕变-疲劳裂纹扩展速率明显高于惰性环境中.从图4可知:在空气中,当保载时间小于60 s时,保载时间对CFCG的影响较小,表明此时CFCG与疲劳循环周次有关.当保载时间为360 s和1 200 s时,CFCG随着保载时间的延长而增加,表明此时与时间因素相关的蠕变与氧化作用影响疲劳裂纹的扩展速率.这与文献[7]中1Cr10Mo1W 1NiVNbN合金的蠕变-疲劳裂纹扩展行为的结果一致.R.P.Wei[8]对873～973 K镍基合金在氩气中的疲劳裂纹扩展速率的研究也得到类似的结果.D.G Prakash等[9]认为,高温下氧对裂纹的扩展有两方面的影响:首先,氧的合金元素反应促进了孔洞的形成;另外,氧沿晶界的扩散可阻止空位的扩散,减少孔洞的形成.因此,当保载时间为 60 s时,这两个反应过程存在竞争.当保载时间延长时,氧沿晶界扩散并与合金元素发生反应这一过程占优.因此,在蠕变-环境二者共同作用下,裂纹扩展速率迅速增大,可推断保载时间可能存在一个临界值.当高于此临界值时,CFCG与保载时间呈一定线性关系;当低于此临界值时,CFCG与保载时间无关.关于这一推论还需通过试验进一步验证.

由图5可知:随着保载时间的延长,疲劳裂纹扩展速率增大.此时,与时间相关的蠕变损伤对疲劳裂纹扩展速率有一定影响.

图4 空气中540℃时保载时间对蠕变-疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.4 Effect of holding time on CFCG rate at 540℃in air environment

图5 氩气中540℃时保载时间对蠕变-疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.5 E ffect of holding time on CFCG rate at 540℃in argon environment

图6为空气中540℃时一定K max值下不同保载时间对蠕变-疲劳裂纹扩展速率的影响.图7为氩气中540℃时一定K max值下不同保载时间对蠕变-疲劳扩展速率的影响.由图6和图7可知:在氩气和空气中,CFCG均与保载时间成一定比例,表明与时间相关因素对裂纹的扩展有较大的影响.其中,由于氧对裂纹扩展速率的影响,空气中的CFCG明显高于氩气中.

图6 空气中540℃时一定K max值下不同保载时间对蠕变-疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.6 Effect of holding tim e on CFCG rate in air for a certain K max at 540℃

图7 氩气中540℃时一定K max值下不同保载时间对蠕变-疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.7 Effect of holding time on CFCG rate in argon for a certain K max at 540℃

3 结 论

(1)在加载频率一定时,高温下空气中30Cr1Mov1V钢的疲劳裂纹扩展速率明显高于氩气环境中.

(2)在空气和氩气2种环境中,在540℃和650℃下的疲劳裂纹扩展速率明显高于室温下,且在△K较低时,650℃时的疲劳裂纹扩展速率明显高于540℃;在△K较高时,540℃和650℃2个温度下的疲劳裂纹扩展速率相差不大;在540℃时,加载频率降低,空气和氩气环境中的疲劳裂纹扩展速率均增大.

(3)当在加载过程中引入保载时间时,空气中的疲劳裂纹扩展速率明显高于氩气环境中.在氩气中,随着保载时间的延长,裂纹扩展速率增大,此时蠕变作用促进裂纹的扩展;在空气中,在不同的保载时间下,高温氧化作用对裂纹扩展速率的影响不同.当保载时间为60 s时,高温氧化作用对裂纹扩展速率的影响不明显,表明此时裂纹扩展速率与循环有关;当保载时间增加到360 s和1 200 s时,裂纹扩展速率随时间延长呈线性增大,此时因高温氧化及蠕变等时间相关因素的交互作用促进了裂纹扩展.

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