1Mn18Cr18N护环钢高温低周疲劳特性研究

2016-10-21王辉亭吴双辉文道维任涛林侯世璞

大电机技术 2016年5期

王辉亭，吴双辉，霍岩，文道维，任涛林，侯世璞

王辉亭1，吴双辉2, 3，霍岩2, 3，文道维2, 3，任涛林4，侯世璞2, 3

（1. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040； 2. 哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040； 3.水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040；4.沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳110168）

为了研究超超临界汽轮发电机护环钢1Mn18Cr18N在工作温度100℃的低周疲劳特性，本文采用应变控制法对其进行温度为100℃下的低周疲劳试验，并对试验结果进行分析讨论。拟合出循环应力应变曲线和应变寿命曲线，得到了护环钢1Mn18Cr18N在100℃时的低周疲劳特性参数，包括Rambeg-Osgood参数和Manson-Coffin公式，推导出该材料的转变寿命T。结果表明：1Mn18Cr18N护环钢低周疲劳特性表现为循环软化，循环软化程度随应变幅值的增加而增大，软化速率随应力下降幅值增加而增大；1Mn18Cr18N护环钢的过渡寿命为2177周次，小于2177周次时，塑性应变高于弹性应变成为影响疲劳断裂的主要因素，大于2177周次时，弹性应变主导疲劳断裂。

1Mn18Cr18N护环钢；低周疲劳；循环软化；过渡寿命

0 前言

汽轮发电机护环的工作温度在100℃左右，作为汽轮发电机组的关键部件，在机组频繁的起、停机过程中受到离心力、过盈配合力、电磁力的综合作用，可能使护环发生应变疲劳失效[1, 2]。因此，为了保证机组的安全稳定运行，对护环低周疲劳特性研究具有非常重要的意义。

本试验所用护环材料为1Mn18Cr18N奥氏体不锈钢，应用于超超临界汽轮发电机组。通过1Mn18Cr18N材料进行应变控制的高温100℃低周疲劳试验，掌握其低周疲劳特性，为该材料的低周疲劳强度设计和寿命预测提供重要的实验室数据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用的1Mn18Cr18N钢取自德阳万鑫电站产品开发有限公司生产的护环内环切向部位，材料的化学成分见表1，高温100℃拉伸和室温冲击试验数据见表2。

表1 各主要元素含量（wt%）

表2 材料的力学性能

1.2 试验参数

试验设备为美国MTS 810材料试验系统。参考GB/T 15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》进行低周疲劳试验[3]，选用轴向应变（应变比R=-1）控制方式，波形选择三角波（应变速率为1.2×10-2s-1）。试样尺寸如图1所示，总长120mm，平行段长度28mm，直径7mm。采用伺服闭环控制系统对整个试验过程进行跟踪和数据采集。当拉伸应力幅值下降到曾出现的最大拉伸应力幅max的1/2时，试验终止，此循环周次即为失效循环数N，循环稳定滞回周次为N/ 2。

图1 高温低周疲劳试样

2 试验数据处理

2.1 稳定循环应力与应变关系

在总应变幅一定的条件下，总应变为弹性应变幅与塑性应变幅之和。材料稳定循环应力—应变曲线的表达式，即Ramberg—Osgood公式[5]如下：

高温100℃的低周疲劳循环应力与应变曲线如图2所示。从图中拟合直线可以看出高温100℃低周疲劳稳定循环应力在680~720MPa之间，随塑性应变升高，稳定循环应力逐渐增大。

图2 1Mn18Cr18N钢高温100℃低周疲劳稳定循环应力-应变曲线

根据试验数据拟合的循环应力-应变关系为：

2.2 循环应力-寿命关系

循环应力与寿命关系式[5]为：

图3 1Mn18Cr18N钢高温100℃低周疲劳应力-寿命曲线

根据试验数据拟合得出：

2.3 应变-寿命关系

采用Masson-Coffin公式把总应变分为两部分：弹性应变幅和塑性应变幅，弹性应变幅和塑性应变幅均与寿命呈指数关系，在短寿命区（低循环）塑性应变对疲劳寿命起主导作用，而在长寿命区（高循环），弹性应变起主导作用。弹性应变和塑性应变相等时的寿命称为过渡寿命T。通常把它作为弹性应变和塑性应变对疲劳寿命起主要作用的分界点。Masson-Coffin公式表达式[5]为：

高温100℃的低周疲劳应变与寿命曲线如图4所示。从图中可以看出随着总应变增加，弹性应变基本恒定，塑形应变逐渐增加，循环次数逐渐减少。当弹性应变与塑性应变相等时，得到高温100℃低周疲劳过渡寿命为2177周次，小于2177周次时，塑性应变高于弹性应变成为影响疲劳断裂的主要因素，大于2177周次时，弹性应变主导疲劳断裂。

图4 1Mn18Cr18N钢高温100℃低周疲劳应变—寿命曲线

采用最小二乘法，运用公式（5）对试验原始数据进行处理，得到高温100℃低周疲劳特性Masson-Coffin公式如下：

3 分析与讨论

3.1 1Mn18Cr18N钢低周疲劳特性分析

选取高温100℃总应变幅为0.0050%的试样作为典型，对护环钢1Mn18Cr18N的低周疲劳特性分析，图5为拟合所得的迟滞回线和应力-寿命曲线，左侧两个滞回环（图5（a））分别对应低周疲劳开始和结束的两个阶段（图5（b））。

图5 1Mn18Cr18N钢迟滞回线和应力-寿命曲线

低周疲劳开始运行和失效所对应的滞回环如图5（a）所示，从图中可以看出，两个过程中滞回环形状和面积差异较大。初始迟滞回线存在明显的弹性直线段和塑性直线段，应力幅值最大，拉伸卸载弹性模量NT与压缩卸载弹性模量NC基本相当。近失效迟滞回线的拉伸峰值降幅大于压缩峰值降幅，拉伸卸载弹性模量NT降幅大于压缩卸载弹性模量NC降幅。迟滞回线包围的面积代表材料产生塑性变形时外力所做的功或消耗的能量，同时代表材料抗循环变形的能力，临近失效时，迟滞回线包围的面积减小，说明在临近失效时产生塑性变形所消耗的能量减少，见表3。

表3 低周疲劳开始与结束的特征参数

当应变幅一定时，1Mn18Cr18N钢低周疲劳表现为循环软化特性，即应力幅随循环次数的增加而减少，如图5（b）表示。从应力-寿命曲线中可以看出，整个低周疲劳循环寿命可分为三个阶段：第Ⅰ阶段应力峰值快速下降，拉压应力幅变化基本相当，软化程度基本一致；第Ⅱ阶段应力峰值缓慢下降，在循环次数达到失效循环次数的10%~90%之间，基本趋于稳定；第Ⅲ阶段应力快速下降阶段，压缩应力峰值下降幅度很小，而拉伸应力峰值急剧减小。整个过程第Ⅰ和第Ⅲ阶段所占比例较小，工程寿命计算主要涉及第Ⅱ阶段应力稳态下降的部分。

3.2 不同应变幅下的应力应变分析

在相等间隔的应变幅下，1Mn18Cr18N护环钢的应力-寿命曲线如图6所示，从图中可以看出，低周疲劳循环特性受应变幅值影响显著，随应变幅值的增加，材料的循环软化程度增大，第Ⅰ阶段应力峰值下降速率加快[6]。当应变幅值为0.0050%时，循环次数大于过渡寿命T，循环变形以弹性应变为主，塑性变形很小，表现为应力下降缓慢，疲劳寿命较高。随着应变幅值的增加，材料的塑性变形程度逐渐增加。当应变幅为0.0080%和0.0085%时，循环次数小于过渡寿命，循环变形以塑性变形为主，表现为应力下降明显，且软化速率较高，疲劳寿命较短。应变幅值的提高是造成低周疲劳寿命降低和循环特性改变的主要原因。

图6 1Mn18Cr18N钢高温100℃不同应变幅对应的应力-寿命曲线

4 结论

（1）1Mn18Cr18N护环钢在高温100℃下的低周疲劳特性表现为循环软化。

（2）拟合得到高温100℃下1Mn18Cr18N钢的稳定循环应力-应变曲线、循环应力-寿命曲线和应变-寿命曲线，得出高温100℃下1Mn18Cr18N钢的Ramberg-Osgood公式和Manson-Coffin公式。

（3）1Mn18Cr18N护环钢的过渡寿命为2177周次，小于2177周次时，塑性应变高于弹性应变成为影响疲劳断裂的主要因素，大于2177周次时，弹性应变主导疲劳寿命。

（4）1Mn18Cr18N护环钢低周疲劳的拉应力峰值大于压应力峰值的降幅，拉伸卸载弹性模量NT降幅大于压缩卸载弹性模量NC降幅。迟滞回线面积逐渐减小。

（5）1Mn18Cr18N护环钢循环软化程度随应变幅值的增加而增大，软化速率随应力下降幅值增加而增大。

[1] 张红军, 等. 1Mn18Cr18N钢护环裂纹性质和材质状态分析[J]. 大电机技术, 2011(5): 17-20.

[2] 陈玉明, 等. 汽轮发电机组无磁性护环锻件材料的演变过程和研究概况[J]. 大型铸锻件, 2002(3): 48-52.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 15248-2008 金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法. 北京: 中国标准出版社, 2008

[4] 吴海利, 朱月梅, 贾国庆. X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢室温低周疲劳特性[J]. 北京科技大学学报, 2011(7): 841-845.

[5] 李舜酩. 机械疲劳与可靠性设计[M]. 北京: 科学出版社, 2007.

[6] 王建国, 等. 800MPa级低合金高强度钢低周疲劳性能[J]. 北京科技大学学报, 2005(1): 75-78.

High Temperature Low-cycle Fatigue Properties of 1Mn18Cr18N Austenitic Stainless Steel Applied on Retaining Ring

WANG Huiting1, WU Shuanghui2,3, HUO Yan2,3, WEN Daowei2,3, REN Laolin4, HOU Shipu2,3

(1. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China; 2. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China; 3.State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040; 4.Shenyang Siasun Robot & Automation CO.Ltd. Shenyang 110168, China.)

1Mn18Cr18N is one typical austenitic stainless steel which is generally applied on the retaining ring of ultra-supercritical turbo-generator at working temperature of 100℃. In this paper, strain control method has been utilized to investigate the low-cycle fatigue properties of 1Mn18Cr18N at testing temperature of 100℃. Furthermore, the low-cycle fatigue characters of 1Mn18Cr18N have also been discussed to provide technical references for designing and application of retaining rings. Low-cycle fatigue characteristic parameters including Rambeg-Osgood parameter and Manson-Coffin equation of 1Mn18Cr18N at 100℃ and material transform life NThave been derived from the cyclic stress strain curves and strain life curves. The results indicate that the low-cycle fatigue of 1Mn18Cr18N material is characterized by cyclic softening, which was strengthened as the strain amplitude increased. The transition fatigue life of 1Mn18Cr18N retaining ring material is about 2177 cycles. Plastic strain tends to be the main parameter which affects the fatigue fracture of retaining ring whenNis less than 2177 cycles, otherwise, elastic strain would play the leading role.

1Mn18Cr18N austenitic stainless steel; low-cycle fatigue; cyclic softening; transition fatigue life

TM304

1000-3983(2016)05-0011-04

2016-01-08

王辉亭（1974-），2007年毕业于哈尔滨工业大学材料工程专业获工程硕士学位，长期从事水轮机、水轮发电机和汽轮发电机材料的研发和应用工作，高级工程师。