高效超超临界汽轮机转子钢FB2的低周疲劳特性研究
2018-08-29丁玲玲杨百勋李益民
丁玲玲， 杨百勋， 田 晓， 李益民
(西安热工研究院有限公司，西安 710054)
汽轮机在启停或变负荷等非稳定工况时，由于温度的变化，转子中会产生热应力，尤其是在调节级附近区段。在机组启动过程中，转子表面温度较高，而心部温度低，此时表面受压应力，心部受拉应力，停机时则相反。这种交变的热应力会引起转子的低周疲劳损伤，进而导致转子开裂，甚至出现严重事故，对参与调峰运行的机组来说更为严重。
从能量角度分析，材料的低周疲劳损伤过程实质上是不可逆塑性应变能的消耗过程。因此，除了用传统的Manson-Coffin模型分析材料的应变-寿命关系外，还可建立塑性应变能与寿命间的关系[1]。
FB2是欧洲COST522项目中研发的一种新型(9%～12%)Cr马氏体钢(数字表示Cr的质量分数)，研发阶段和中试阶段的试验表明其具有优异的高温力学性能以及良好的韧性[2]。目前，再热温度为620 ℃的高效超超临界机组的中压转子均采用FB2。研究FB2的低周疲劳性能可为转子的疲劳寿命设计、安全性评价提供技术依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。笔者重点研究了FB2转子钢的低周疲劳特性，建立了FB2的塑性应变能与其对应的总应变幅和疲劳寿命的关系。
1 试验材料
试验用材料采用日本铸锻钢株式会社(JCFC)生产的转子锻件。试验用钢的化学成分见表1。
表1 试验用钢的化学成分
转子锻件的性能热处理工艺为：奥氏体化，1 100 ℃×18 h/油冷；第一次回火，570 ℃×36 h/炉冷；第二次回火，680 ℃×12 h/炉冷。
FB2的金相组织如图1所示，横纵截面均为回火马氏体组织，组织均匀，晶粒度2级，在马氏体板条边界及板条内弥散分布着大量析出相。
图1 FB2转子钢的微观组织
Fig.1 Microstructure of the FB2 steel
在试样的纵截面可观察到球状及长条状BN夹杂，呈团聚状析出，最大尺寸达100 μm，分布于原奥氏体三岔晶界及奥氏体晶内(见图2)。FB2转子钢中添加了微量的B(一般不超过0.01%)，B能够溶入M23C6中，增加了M23C6的稳定性。M23C6具有稳定原奥氏体晶界的作用，可抑制晶界的迁移，因此B的添加能够改善材料的蠕变性能。然而， Sakuraya等[3]研究发现，对于含碳量为0.004%的9%Cr钢，经1 100 ℃正火+800 ℃回火后，只有20%的B溶入基体，而80%的B形成了BN夹杂。BN为脆性相，当其尺寸较大时，会对材料的冲击及低周疲劳等性能产生不利影响。
文献[4]指出，BN是在钢锭冷却过程中形成的。图3给出了高Cr马氏体钢BN析出的临界B、N含量，将试验用FB2的B、N含量标记在图上，可以推测其中会有大尺寸BN存在，这与试验结果一致。
2 拉伸性能
根据GB/T 228.1—2010 《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T 228.2—2015 《金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法》在MTS 810试验机上进行室温(23±2) ℃和620 ℃下的拉伸试验，结果如表2所示，其中拉伸试验数值为2个试样的平均值，Rp0.2为屈服强度，Rm为抗拉强度，A为延伸率，Z为断面收缩率。从表2可以看出，FB2纵向的性能稍优于径向，这与锻造过程中形成的取向有关。试验结果表明转子各部位材料的拉伸性能差异不大，性能较均匀。试验用FB2的室温拉伸强度和塑性指标满足相关技术要求。
(a) 侵蚀态的BN形貌
(b) 抛光态的BN形貌(SEM)
图3 高Cr马氏体钢中BN析出的临界B、N含量
Fig.3 Critical concentration of B and N precipitated from BN inclusions in high Cr martensitic steel
表2 FB2转子钢各部位的拉伸试验结果
3 低周疲劳性能
低周疲劳试验按照GB/T 15248—2008 《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》进行，试验温度为室温和620 ℃，试验采用轴向应变控制，应变比R=-1，加载波形为三角波，应变速率为8×10-3s-1。选取最大循环峰值拉伸应力σmax下降到30%时的循环周次作为失效循环数Nf。试验用等截面圆柱形试样，沿锻件径向取样。
3.1 载荷与循环周次
试验过程中载荷与循环周次的关系见图4。由图4(a)和图4(b)可知，不论是室温还是620 ℃，峰值应力都随着循环次数的增加而减小，这表明FB2为循环软化材料。图4(c)中，低周疲劳过程中峰值应力随着循环周次的变化可分为3个阶段：载荷快速下降的软化阶段、载荷基本保持不变的稳定阶段和载荷快速下降的失效阶段。其中软化阶段约占总循环周次的10%，失效阶段占20%，稳定阶段持续的时间最长。文献[5]指出，在最初阶段，由于位错密度大幅减少，亚晶粗化，表现为峰值拉伸应力迅速减小；之后，位错运动和亚晶粗化逐渐稳定，位错、晶界以及固溶体和析出相的强化依然起作用，两者共同作用导致了稳定的第二阶段；最后，由于裂纹产生扩展导致试样断裂。温度一定时，随着总应变幅(Δεt/2)的增加，稳定的第二阶段越来越短。
(a) 室温
(b) 620 ℃
(c) 载荷与循环周次分成3个阶段的示意图
3.2 循环应力-应变特性
材料的循环应力-应变特性可用循环应力-应变曲线来描述。将一定温度、不同应变幅下的稳态滞后环置于同一坐标内，其顶点的连线即为循环应力-应变曲线。循环应力-应变曲线可用式(1)和式(2)来描述：
(1)
(2)
(a) 室温
(b) 620 ℃
将室温和620 ℃下的拉伸曲线与循环应力(σ)-应变(ε)曲线画在一个坐标下，如图7所示。从图7可以看出，在低周疲劳条件下，随着温度的升高，循环强度明显降低。因此，对于汽轮机转子，尤其是参与调峰的机组，在设计中应注意材料的循环应力-应变特性。
图6 应力幅-塑性应变幅的关系
图7 σ-ε曲线
3.3 应变-寿命曲线
材料的低周疲劳寿命可用Manson-Coffin公式描述：
(3)
过渡疲劳寿命Nt是低周疲劳的一个重要指标，若设计的疲劳寿命小于Nt，就需要材料的低周疲劳寿命曲线及其弹塑性应力分析；若设计的疲劳寿命远大于Nt，应采用材料的高周疲劳寿命曲线及其弹性应力分析。
(a) 总应变幅-寿命曲线
(b) 弹塑性应变幅-寿命曲线
3.4 塑性应变能
不同应变幅下稳定阶段的塑性应变能ΔWp与总应变幅Δεt/2和失效循环数Nf在双对数坐标上均为直线关系(见图10)。关系式如下：
(a) 室温
(b) 620 ℃
(a)ΔWp-Δεt/2曲线
(b) ΔWp-Nf曲线
室温
(4)
ΔWp=431.16×Nf-0.508 49
(5)
620 ℃
(6)
ΔWp=116.95×Nf-0.499 59
(7)
在低周疲劳过程中，忽略最初的快速软化阶段和裂纹扩展阶段少量的循环，其稳定阶段每一循环的塑性应变能基本不变[9-10]，于是，整个疲劳过程中总的塑性应变能Wp可近似用式(8)来描述：
Wp=ΔWp×Nf
(8)
Wp为材料的疲劳韧度，对于一种特定材料而言并非定值。改写式(5)和式(7)：
(9)
(10)
4 结 论
(1) FB2转子钢在室温和620 ℃下，各部位拉伸性能差异不大，性能较均匀，室温下的Rp0.2>700 MPa，满足COST522项目要求。
(2) 在室温和620 ℃下，FB2均表现为循环软化，室温下的应变-寿命曲线高于620 ℃，循环应变-寿命满足Manson-Coffin关系。
(3) 低周疲劳下，FB2稳态滞后环表征的塑性应变能与对应的总应变幅和疲劳寿命在双对数坐标下呈线性关系，可用这个关系估算出其疲劳寿命。
