黃亮 艾迪 田宇 馬新博 王麗艷

(哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

蠕變疲勞交互作用的本質(zhì)是蠕變損傷和疲勞損傷的相互關(guān)系。疲勞的主要損傷形式是裂紋在晶內(nèi)擴展，蠕變的主要損傷形式是空洞在晶界形核和長大。當(dāng)蠕變和疲勞損傷依次和同時發(fā)生時，一種損傷對另一種損傷的發(fā)展過程將產(chǎn)生一定的影響，從而加速或減緩總損傷，進而影響疲勞壽命，即為蠕變疲勞交互作用[1]。

汽輪機轉(zhuǎn)子在高溫高壓條件下工作，汽輪機組在頻繁啟停過程中，會伴隨著溫度的升高或降低，溫度分布不均勻引起的熱應(yīng)力變化，使汽輪機轉(zhuǎn)子不僅產(chǎn)生蠕變損傷，還會產(chǎn)生疲勞損傷，且蠕變損傷及疲勞損傷往往會發(fā)生交互作用[2-4]。當(dāng)局部的蠕變疲勞載荷高于材料的疲勞極限時，材料會發(fā)生塑性變形，從而萌生裂紋，進一步降低轉(zhuǎn)子在服役工況下的使用壽命，導(dǎo)致材料提前失效。因此，采用不同的方法對轉(zhuǎn)子鋼材料進行疲勞蠕變壽命預(yù)測具有重要的工程實際意義[5]。

目前，已有相關(guān)研究人員提出了不同的蠕變疲勞壽命預(yù)測模型。COFFIN提出了頻率分離法，但由于未考慮壓縮保載可能產(chǎn)生的拉伸平均應(yīng)力，以及對裂紋產(chǎn)生的焊合作用，因此預(yù)測精度不高[6-7]；MANSON提出了應(yīng)變范圍劃分法，具有較高的預(yù)測精度，得到了廣泛的應(yīng)用，但不適用于壽命非常短或保載時間過長的情況[6,8]；何晉瑞在應(yīng)變范圍劃分法的基礎(chǔ)上提出了應(yīng)變能劃分法，該模型具有較高的預(yù)測精度，但試驗量較大，且該理論沒有對微裂紋萌生之前的裂紋“擴展”“張開”做出解釋[6,9]。

對于工程構(gòu)件其運行工況是極其復(fù)雜的，在實驗室條件下模擬蠕變疲勞時一般采用以下幾種波形：第一種波形為無保持時間的對稱循環(huán)疲勞即連續(xù)疲勞，也可根據(jù)需要采用非對稱循環(huán)，即快拉伸-慢壓縮或慢拉伸-快壓縮；第二種波形為拉伸保持蠕變疲勞；第三種波形為壓縮保持蠕變疲勞；第四種波形為對稱保持蠕變疲勞[9]。且蠕變疲勞交互作用會受循環(huán)的應(yīng)變幅(或應(yīng)力幅)、應(yīng)變速率(或頻率)、保持時間、波形和環(huán)境等因素的影響[1]。

表1 14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)

本文對14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB轉(zhuǎn)子鋼材料在620℃下進行了以下兩種試驗：(1)加載波形采用三角波，進行不同應(yīng)變的低周疲勞試驗；(2)加載波形采用梯形波，進行不同應(yīng)變、不同保載時間的蠕變疲勞試驗。并采用經(jīng)驗法及應(yīng)變幅分割法兩種壽命預(yù)測方法對14Cr9Mo1.5Co1.2Nb NB轉(zhuǎn)子鋼材料進行蠕變疲勞交互作用壽命預(yù)測，為轉(zhuǎn)子的安全運行提供理論支持。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

以14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB為試驗材料，該材料用于超超臨界機組高中壓轉(zhuǎn)子，通常在620℃下使用，其化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗方案

高溫低周疲勞試驗：試驗設(shè)備采用MTS810-10t電液伺服疲勞試驗機，如圖1所示；試驗溫度為620℃；應(yīng)變速率為0.002 s-1；應(yīng)變分別為0.0035、0.0045、0.0055；應(yīng)變比為-1；加載方式為三角波；將三個熱電偶分別用細鐵絲綁在上面卡具靠近試樣的位置、試樣中部及下面卡具靠近試樣的位置，通過上、中、下三個熱電偶測量試樣標(biāo)距段內(nèi)的溫度。

圖1 MTS810-10t電液伺服疲勞試驗機

高溫蠕變疲勞試驗：試驗設(shè)備采用MTS810-10t電液伺服疲勞試驗機；試驗溫度為620℃；應(yīng)變分別為0.0035、0.0045、0.0055；應(yīng)變比為-1；保載時間分別為10 min、20 min、30 min；加載方式為梯形波；將三個熱電偶分別用細鐵絲綁在上面卡具靠近試樣的位置、試樣中部及下面卡具靠近試樣的位置，通過上、中、下三個熱電偶測量試樣標(biāo)距段內(nèi)的溫度。

某科技公司的銷售人員Jack照常8點半出門坐地鐵去上班，地鐵站距離公司還有3公里左右的路程，Jack用手機掃開一輛共享單車，騎行到公司。下午，要外出見客戶，Jack約了一輛滴滴順風(fēng)車。司機師傅很能聊，一路上跟Jack聊得很愉快。見完客戶已是晚上7點，手機顯示電量不足，Jack來到一個Shopping Mall掃開了一個共享移動電源。走出Shopping Mall，下雨了，Jack再次拿出手機，掃開了一把共享雨傘……

裝好引伸計，關(guān)好爐門，仔細檢查引伸計的陶瓷棒不與矩形孔的任何一邊接觸。用石英棉把爐子的上下縫隙塞嚴，以減少散熱，提高加熱和保溫的效率。試驗采用溫度控制器控制爐溫和升溫速率，待爐溫達到620℃并恒溫保持30 min后，開始試驗。

2 蠕變疲勞壽命預(yù)測模型介紹

對于服役于蠕變疲勞條件下的構(gòu)件，蠕變疲勞壽命即服役壽命是至關(guān)重要的，是構(gòu)件設(shè)計必需的基本數(shù)據(jù)，也是對服役一定時間的構(gòu)件進行安全性評估的依據(jù)[9]。蠕變疲勞壽命受諸多因素的影響，包括應(yīng)變幅、應(yīng)變速率、頻率、加載波形、保載時間等因素，因此很難找到適合各種條件下的統(tǒng)一模型[9]。本文采用經(jīng)驗法和應(yīng)變幅分割法建立14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB轉(zhuǎn)子鋼材料的蠕變疲勞壽命預(yù)測模型。

2.1 經(jīng)驗法

2.2 應(yīng)變幅分割法

在一個應(yīng)力-應(yīng)變循環(huán)中會包含塑性應(yīng)變和蠕變應(yīng)變，也會包含拉應(yīng)變和壓應(yīng)變，這些不同性質(zhì)的應(yīng)變會以不同的方式影響總損傷。線性累積損傷法只考慮總應(yīng)變幅而未區(qū)分不同性質(zhì)的應(yīng)變，會產(chǎn)生較大的誤差。應(yīng)變幅分割法的目的是將應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)按其變形性質(zhì)分為若干分量，分別評價各分量引起的損傷。如圖2所示，AC為拉伸塑性應(yīng)變，CD為恒應(yīng)力拉伸蠕變應(yīng)變，DB為壓縮塑性應(yīng)變，BA為壓縮蠕變應(yīng)變[9,11]。

(1)塑性應(yīng)變幅Δεpp：為可逆塑性應(yīng)變，等于拉伸和壓縮塑性應(yīng)變中較小的一個。

(2)蠕變應(yīng)變幅Δεcc：為可逆蠕變應(yīng)變，等于拉伸和壓縮蠕變應(yīng)變中較小的一個。

(3)塑性-蠕變應(yīng)變幅Δεpc：拉伸塑性應(yīng)變被壓縮塑性應(yīng)變反向后還有剩余應(yīng)變；壓縮蠕變應(yīng)變被拉伸蠕變反向后還有剩余應(yīng)變，兩個剩余應(yīng)變相等。這個剩余應(yīng)變代表拉伸塑性應(yīng)變和壓縮蠕變應(yīng)變所構(gòu)成的應(yīng)變幅。

圖2 典型的蠕變疲勞循環(huán)

(4)Δεcp：代表壓縮塑性應(yīng)變和拉伸蠕變應(yīng)變所構(gòu)成的應(yīng)變幅。對于一個循環(huán)來說，Δεpc和Δεcp中只能有一個。即，總的非彈性應(yīng)變幅等于各應(yīng)變幅之和：

Δεt=Δεpp+Δεcc+Δεpc

Δεt=Δεpp+Δεcc+Δεcp

NΔεα=C

考慮各應(yīng)變幅之間的交互作用，設(shè)總的非彈性應(yīng)變幅為Δεt，各應(yīng)變幅分數(shù)如下：

則綜合壽命與各分壽命的關(guān)系為：

式中，Nf是各應(yīng)變幅共同作用下的綜合壽命。

應(yīng)變幅分割法的最大優(yōu)點是能夠得到給定循環(huán)的不同類型應(yīng)變引起的損傷值，尤其在沒有任何特殊假定的情況下包含了壓縮應(yīng)變對壽命的影響[9]。此模型利用蠕變疲勞循環(huán)中各個非彈性應(yīng)變分量來描述塑性、蠕變及塑性-蠕變交互作用對高溫蠕變疲勞損傷的貢獻，在蠕變作用明顯的情況下具有良好的適用性[9]。

3 試驗結(jié)果分析與討論

3.1 低周疲勞試驗

14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB高溫低周疲勞試驗采用軸向應(yīng)變控制，應(yīng)變比為-1，使用伺服閉環(huán)控制系統(tǒng)對試驗過程進行控制和數(shù)據(jù)采集。選取循環(huán)峰值拉伸應(yīng)力下降到曾出現(xiàn)的最大循環(huán)峰值拉伸應(yīng)力σmax的50%時的循環(huán)周次作為失效循環(huán)數(shù)Nf，以Nf/2作為循環(huán)穩(wěn)定滯回周次。其試驗結(jié)果如表2及圖3所示。

表2 14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB低周疲勞結(jié)果

圖3 不同應(yīng)變下的低周疲勞壽命和應(yīng)變分量

3.2 蠕變疲勞試驗

14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB高溫蠕變疲勞試驗采用應(yīng)變保持，加載方式為梯形波。選取循環(huán)峰值拉伸應(yīng)力下降到曾出現(xiàn)的最大循環(huán)峰值拉伸應(yīng)力σmax的20%時的循環(huán)周次作為失效循環(huán)數(shù)N。由低周疲勞試驗數(shù)據(jù)可得出不同應(yīng)變下的塑性應(yīng)變幅，由蠕變疲勞試驗數(shù)據(jù)可得出不同應(yīng)變下的塑性-蠕變應(yīng)變幅，其試驗結(jié)果如表3及圖4所示。

采用經(jīng)驗法及應(yīng)變幅分割法兩種方法建立14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB轉(zhuǎn)子鋼材料620℃下的蠕變疲勞壽命預(yù)測模型。采用經(jīng)驗法得到的蠕變疲勞壽命計算值及誤差見表4及圖5，經(jīng)擬合，其蠕變疲勞壽命預(yù)測公式為：

(lgNf)0.5=-3.79096-2.26234S+0.7387S2

+0.31845S3+1.1507×10-4

+0.51152H-0.2573H2

表3 14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB蠕變疲勞結(jié)果

圖4 不同應(yīng)變保載時間下蠕變疲勞壽命、蠕變應(yīng)變分量

表4 經(jīng)驗法蠕變疲勞壽命計算值及誤差

圖5 不同應(yīng)變下蠕變疲勞壽命實測值與計算值比較

表5 應(yīng)變幅分割法蠕變疲勞壽命計算值及誤差

采用應(yīng)變幅分割法得到的蠕變疲勞壽命計算值及誤差見表5及圖6，塑性應(yīng)變幅Δεpp單獨作用相當(dāng)于不發(fā)生蠕變的低周疲勞，塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命之間滿足下述關(guān)系[1]：

(a)保載10 min (b)保載20 min (c)保載時間30 min

NfΔεpα=C

根據(jù)表2低周疲勞試驗結(jié)果，經(jīng)擬合，其擬合結(jié)果為：

Npp0.99Δεpp=2.82

Ncp0.64Δεcp=0.10。

由表4及表5數(shù)據(jù)可以得出，試驗壽命與預(yù)測壽命的相對誤差均較小。證明了建立的壽命預(yù)估表達式能夠較好地預(yù)測本次試驗條件的失效壽命。

4 結(jié)論

采用經(jīng)驗法及應(yīng)變幅分割法建立了14Cr9Mo1.5Co1.2NbNB轉(zhuǎn)子鋼620℃下的蠕變疲勞壽命預(yù)測模型，兩種蠕變疲勞壽命預(yù)測模型均具有較高的精度，預(yù)測壽命與實際壽命的誤差均較小，可為轉(zhuǎn)子的安全運行提供理論支持。