常用大軸材料旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為研究

賈朋剛，程廣福，文道維，劉玉鑫，侯世璞

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常用大軸材料旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為研究

賈朋剛，程廣福，文道維，劉玉鑫，侯世璞

（水力發(fā)電設(shè)備國家重點(diǎn)試驗(yàn)室（哈爾濱大電機(jī)研究所），哈爾濱 150040）

采用臺(tái)灣產(chǎn)HT-8120型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)研究了汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件材料25Cr2Ni4MoV和水輪機(jī)大軸材料20SiMn的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能。結(jié)果表明，常用轉(zhuǎn)軸材料25Cr2Ni4MoV與20SiMn的疲勞極限-1明顯大于0.27(R0.2+R)，設(shè)計(jì)中選用0.27(R0.2+R)作為的疲勞極限進(jìn)行計(jì)算時(shí)，轉(zhuǎn)軸的安全系數(shù)會(huì)高于實(shí)際值。大型轉(zhuǎn)軸試樣表面和內(nèi)部的碳化物和氧化物夾雜容易萌生疲勞源，其中表面的碳化物和氧化物夾雜對(duì)疲勞性能的降低相近，內(nèi)部的碳化物和氧化物夾雜對(duì)疲勞性能的降低亦相近，內(nèi)部夾雜危害性小于表面夾雜。

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件材料；轉(zhuǎn)軸；旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞；S-N曲線；疲勞壽命

0 前言

疲勞的研究始于19世紀(jì)中期Wohler對(duì)車軸的系統(tǒng)研究，在材料疲勞研究領(lǐng)域，通常按循環(huán)失效周次將疲勞劃分為高周疲勞和低周疲勞[1]。近二十年，隨著現(xiàn)代分析技術(shù)水平的不斷提高，國內(nèi)外對(duì)疲勞現(xiàn)象的研究進(jìn)展很快，并取得了很多的成果[2-4]。軸類零（構(gòu)）件在工作時(shí)承受著循環(huán)載荷，其失效形式主要是疲勞失效。目前，關(guān)于軸類材料的拉壓疲勞（=-1）國內(nèi)外已有一些研究[5-8]，但關(guān)于軸類材料的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為研究較少，而汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸，貫流式水輪機(jī)主軸和臥式?jīng)_擊式水輪機(jī)主軸等在運(yùn)行過程中都承受了旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞載荷。因此，軸類材料的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞行為研究對(duì)提高大軸的疲勞設(shè)計(jì)和可靠性有著重要意義[9]。

為此，本文選用軸類材料中有代表性的汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件材料25Cr2Ni4MoV和水輪機(jī)大軸材料20SiMn進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，為材料的疲勞設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件常用材料25Cr2Ni4MoV和水輪機(jī)大軸常用材料20SiMn，軸頭本體軸向取樣?；瘜W(xué)成分測試試驗(yàn)采用芬蘭的ARC-MET-8000便攜式直讀光譜儀。拉伸試驗(yàn)采用日本島津公司的AG-I 250kN電子萬能試驗(yàn)機(jī)。沖擊試驗(yàn)采用上海華龍測試儀器有限公司的CBD-300擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)按GB229--2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行。材料的化學(xué)成分見表1，材料的力學(xué)性能見表2，試驗(yàn)溫度為室溫。

表1 25Cr2Ni4MoV與20SiMn的化學(xué)成分

表2 25Cr2Ni4MoV與20SiMn的力學(xué)性能

注：0.2—屈服強(qiáng)度，R—抗拉強(qiáng)度，—斷后伸長率，—斷面收縮率，2—沖擊值

疲勞試樣選擇GB/T 4337-2008標(biāo)準(zhǔn)中推薦的光滑圓柱型標(biāo)準(zhǔn)試樣，如圖1所示。試樣尺寸=9.5mm，=20mm，=30mm＞2d，每個(gè)試樣經(jīng)過400#、800#、1200#和2000#砂紙沿軸向打磨。

圖1 疲勞試樣

試驗(yàn)在室溫、空氣環(huán)境下進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備為臺(tái)灣產(chǎn)HT-8120型旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)加載頻率為50Hz，四點(diǎn)對(duì)稱加力，其應(yīng)力比=-1。采用升降試驗(yàn)法，測試25Cr2Ni4MoV和20SiMn標(biāo)準(zhǔn)試樣的S-N曲線，計(jì)算1×107的疲勞極限[12-13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 25Cr2Ni4MoV旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命

25Cr2Ni4MoV的部分旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)升降結(jié)果，見表3。疲勞強(qiáng)度用升降法測得，試驗(yàn)中有7個(gè)試樣失效，7個(gè)試樣沒有發(fā)生失效。

表3 25Cr2Ni4MoV疲勞壽命實(shí)驗(yàn)升降法結(jié)果

注：×—循環(huán)次數(shù)未達(dá)到107試樣發(fā)生破壞；○—循環(huán)次數(shù)超過107試樣未發(fā)生破壞。

計(jì)算得條件疲勞強(qiáng)度：

圖2是25Cr2Ni4MoV材料的S-N曲線。

用最小二乘法在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下擬合S-N曲線中斜線段的方程，擬合所用數(shù)據(jù)點(diǎn)不包含未斷試樣，得到25Cr2Ni4MoV的Basquin方程為：

2.2 20SiMn旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞壽命

20SiMn的部分旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)升降結(jié)果，見表4。疲勞強(qiáng)度用升降法測得，試驗(yàn)中有6個(gè)試樣失效，6個(gè)試樣沒有發(fā)生失效。

表4 20SiMn疲勞壽命實(shí)驗(yàn)升降法結(jié)果

注：×—循環(huán)次數(shù)未達(dá)到107試樣破壞；○—循環(huán)次數(shù)超過107試樣未破壞。

計(jì)算得條件疲勞強(qiáng)度：

用最小二乘法在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下擬合S-N曲線中斜線段的方程，擬合所用數(shù)據(jù)點(diǎn)不包含未斷試樣，得到20SiMn的Basquin方程為：

圖3是20SiMn材料的S-N曲線。

圖3 鍛鋼20SiMn的S-N曲線

在工程應(yīng)用中，零平均應(yīng)力作用下，在應(yīng)力比=-1時(shí)，通常選用0.27(0.2+R)作為材料的疲勞極限來進(jìn)行近似計(jì)算。表5列出了常用大軸材料25Cr2Ni4MoV與20SiMn的σ-1、σ-1/R與0.2/R。從表5中可以看出，不同材料的疲勞極限σ-1與抗拉強(qiáng)度R具有不同的比值。25Cr2Ni4MoV與20SiMn的疲勞極限σ-1明顯大于0.27(0.2+R)。因此，常用大軸材料25Cr2Ni4MoV與20SiMn在設(shè)計(jì)中選用0.27(0.2+R)作為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限進(jìn)行計(jì)算時(shí)，安全系數(shù)會(huì)高于實(shí)際值。

表5 25Cr2Ni4MoV與20SiMn的疲勞極限

注：-1疲勞極限，0.2—屈服強(qiáng)度，R—抗拉強(qiáng)度

2.3 疲勞試樣斷口分析

2.3.1 宏觀形貌分析

對(duì)循環(huán)次數(shù)為106量級(jí)的25Cr2Ni4MoV和20SiMn試樣斷口形貌進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如圖4~6所示。圖4是25Cr2Ni4MoV試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口整體形貌，圖5是20SiMn試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口整體形貌。由圖4和圖5可知，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷口分為三個(gè)區(qū)域：疲勞斷口由于在循環(huán)應(yīng)力作用下裂紋擴(kuò)展后經(jīng)過反復(fù)擠壓形成的較暗區(qū)域、裂紋擴(kuò)展過程中沒有受到反復(fù)擠壓的區(qū)域以及瞬斷區(qū)，即疲勞源區(qū)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)和快速瞬斷區(qū)[14]。圖6為25Cr2Ni4MoV試樣的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋。由圖6可知，裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口特征為清晰的疲勞條帶，每一條帶對(duì)應(yīng)一次載荷循環(huán)。條痕間距下邊較窄，向上逐漸加寬，沿著裂紋擴(kuò)展方向以規(guī)則的方式增加[15]。在持續(xù)反復(fù)載荷下，雖然其應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度，25Cr2Ni4MoV試樣也會(huì)發(fā)生破壞。

圖4 25Cr2Ni4MoV試樣宏觀斷口形貌

圖5 20SiMn試樣宏觀斷口形貌

圖6 25Cr2Ni4MoV試樣疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋

2.3.2 25Cr2Ni4MoV疲勞源區(qū)夾雜物分析

利用SEM觀察425MPa應(yīng)力水平下25Cr2Ni4MoV斷口的疲勞源區(qū)，并利用能譜對(duì)疲勞源區(qū)的第二相質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行成分分析，如圖7所示。25Cr2Ni4MoV經(jīng)337萬次疲勞試驗(yàn)斷裂后的疲勞源區(qū)形貌如圖7（a）所示，對(duì)夾雜物的能譜分析如圖7（b）所示，疲勞源區(qū)存在內(nèi)部碳化物夾雜。25Cr2Ni4MoV經(jīng)94萬次疲勞試驗(yàn)斷裂后的疲勞源區(qū)形貌和能譜如圖7（c）、（d）所示，疲勞源起源于表面氧化物夾雜。25Cr2Ni4MoV經(jīng)199萬次疲勞試驗(yàn)斷裂后的疲勞源區(qū)形貌和能譜如圖7（e）和7（f）所示，疲勞源起源于材料內(nèi)部SiO2·CaO·Al2O3夾雜。

由圖7可以看出，25Cr2Ni4MoV的疲勞源可以起源于內(nèi)部的碳化物夾雜，也可以起源于表面和內(nèi)部的氧化物夾雜，表面的碳化物和氧化物夾雜對(duì)疲勞性能的危害性很大，內(nèi)部夾雜危害性小于表面夾雜。

2.3.3 20SiMn疲勞源區(qū)夾雜物分析

利用SEM觀察230MPa應(yīng)力水平下20SiMn的疲勞斷口，并利用能譜對(duì)疲勞源區(qū)的第二相質(zhì)點(diǎn)進(jìn)行成分分析，如圖8所示。圖8（a）是20SiMn試樣經(jīng)59萬次疲勞試驗(yàn)斷裂后的疲勞源區(qū)形貌，結(jié)合圖8（b）可以認(rèn)為疲勞起源于材料表面的碳化物夾雜。20SiMn經(jīng)172萬次疲勞試驗(yàn)斷裂后的疲勞源區(qū)形貌如圖8（c）所示，對(duì)夾雜物的能譜分析如圖8（d）所示，疲勞源區(qū)存在內(nèi)部碳化物夾雜。20SiMn經(jīng)65萬次疲勞試驗(yàn)斷裂后的疲勞源區(qū)形貌和能譜如圖8（e）和8（f）所示，疲勞源起源于表面MgO·Al2O3夾雜。20SiMn經(jīng)173萬次疲勞試驗(yàn)斷裂后的疲勞源區(qū)形貌和能譜見圖8（g）和8（h），疲勞源起源于材料內(nèi)部SiO2·NaO2·Al2O3夾雜。

由圖8可知，20SiMn表面和內(nèi)部的第二相夾雜有可能生成旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞的疲勞源，夾雜以碳化物或氧化物為主，其中，表面的碳化物和氧化物夾雜對(duì)疲勞性能的降低相近，內(nèi)部的碳化物和氧化物夾雜對(duì)疲勞性能的降低亦相近，內(nèi)部夾雜危害性小于表面夾雜。

因此，對(duì)于大型鑄鍛件材料，控制鋼水質(zhì)量，嚴(yán)格探傷要求，限制C、O、Mg、Al、Na等元素富集，避免碳化物和氧化物夾雜或使夾雜物無害化，可以達(dá)到延緩和抑制大型軸類鍛件疲勞裂紋萌生的目的。

3 結(jié)論

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件材料25Cr2Ni4MoV和水輪機(jī)大軸材料20SiMn的疲勞極限-1明顯大于0.27(0.2+R)，在設(shè)計(jì)中選用0.27(0.2+R)作為旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限進(jìn)行計(jì)算時(shí)，大型轉(zhuǎn)軸的安全系數(shù)會(huì)高于實(shí)際值。大型軸鍛件材料25Cr2Ni4MoV與20SiMn表面和內(nèi)部的第二相夾雜容易萌生疲勞源，夾雜以碳化物或氧化物為主，其中，表面的碳化物和氧化物夾雜對(duì)疲勞性能的降低相近，內(nèi)部的碳化物和氧化物夾雜對(duì)疲勞性能的降低亦相近，內(nèi)部夾雜危害性小于表面夾雜．

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Study on the Fatigue Behavior of the Rotating Bending of the Common Shaft Material

JIA Penggang, CHENG Guangfu, WEN Daowei, LIU Yuxin, HOU Shipu

(State Key Laboratory of Hydrpower Equipment (Harbin Institute of Large Electrical Machinery), Harbin150040, China)

The bending fatigue properties of turbine generator rotor forging 25Cr2Ni4MoV and hydraulic turbine shaft 20SiMn were studied using the HT-8120 type rotating bending fatigue testing machine. The results show that the fatigue limits-1of 25Cr2Ni4MoV and 20SiMn are significantly larger than the 0.27(R0.2+R), so the safety factor becomes larger with 0.27 (R0.2+R) as bending fatigue limit in the calculation. The inclusions of sub surface carbide and oxide are similar to the reduction of fatigue properties, and the inclusions of internal carbide and oxide are also similar to the reduction of fatigue properties. The harmfulness of internal inclusion is less than that of the surface inclusion.

turbine generator rotor forging;shaft; rotating bending fatigue; S-N curve; fatigue life

TK730.5

A

1000-3983(2018)03-0027-06

2017-05-23

賈朋剛（1984-），2011年畢業(yè)于西安交通大學(xué)材料工程系，碩士，現(xiàn)工作于哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司哈爾濱大電機(jī)研究所，從事發(fā)電設(shè)備用金屬材料加工工藝及性能研究，工程師。