预制裂纹长度对30Cr2Ni4MoV钢断裂韧性的影响

田　宇　王丽艳　李明君

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)



预制裂纹长度对30Cr2Ni4MoV钢断裂韧性的影响

田宇王丽艳李明君

(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)

摘要：采用多试样法对汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV 钢进行准静态断裂韧性试验，拟合J-Δa 阻力曲线并计算J0.2BL，通过研究对比不同预制裂纹长度对试验结果的影响，确定最适宜的预制裂纹长度。

关键词：30Cr2Ni4MoV钢；转子；准静态断裂韧度；J0.2BL；J-Δa阻力曲线

汽轮机转子作为一种大型锻件，在制造和加工过程中不可避免的存在各种缺陷，这些缺陷在交变应力的作用下容易产生裂纹。断裂韧性是材料抵抗裂纹扩展的重要指标，也是评价转子能否安全运行的重要参数，因此准确测量转子材料的准静态断裂韧度是十分必要的。

本试验按照GB/T 21143—2007《金属材料 准静态断裂韧度的统一试验方法》中的规定，通过30Cr2Ni4MoV转子钢进行多试样法断裂韧性试验，考察不同预制裂纹长度对试验结果的影响，并拟合J-Δa阻力曲线，计算断裂韧度J0.2BL的值[1-2]。

1试验概况

试验用料取自转子试料区，30Cr2Ni4MoV转子钢的化学成分和力学性能分别见表1和表2。

表1　30Cr2Ni4MoV转子钢的化学成分(质量分数，%)

表2　30Cr2Ni4MoV转子钢的力学性能

试样按标准加工为台阶型紧凑拉伸(LLCT)试样，试样如图1所示。B=25 mm，W=50 mm，试样中间台阶型缺口用0.15 mm 的铜丝以慢走丝加工，根据缺口尺寸不同共分为四组试样，其缺口长度分别为21 mm、26 mm、28 mm和32 mm。

2试验设备及试验参数

试验设备采用MTS 810电液伺服材料试验系统，引伸计为MTS632.02F—20型COD规，试验机和引伸计的精度均满足GB/T 4161—2007的要求。试验前预制裂纹，根据GB/T 21143—2007规定，对于紧凑拉伸试样，在最后的1.3 mm或50% 的预裂纹扩展量时的最大疲劳预制裂纹力应取如下两式的低值。

图1　台阶型紧凑拉伸试样图

式中，ξ=1.6×10-4m1/2。

计算得Ff1=38.54 kN，Ff2=12.31 kN。取两者较小值即12.31 kN，并推算出Kf=33.61 MPa·m1/2。因此选择恒K法进行预裂，Kf=18.5 MPa·m1/2，疲劳过程中应力比R=0.1，所有试样预制裂纹扩展量为2 mm。经过预制裂纹后四组试样的预制裂纹长度a0分别为23 mm、28 mm、30 mm和34 mm。符合标准中a0/W在0.45~0.70之间的规定。

3试验过程

3.1试验加载

试验采用位移控制加载，速率为0.6 MPa·m1/2·s-1，对于多试样法试验，第一个试样需要加载到刚刚超过最大试验力值后卸载，其余的试样加载依次递减，试验全程记录载荷F与COD规张口位移V。图2为不同预制裂纹长度的四组试样F-V曲线。可以看出四条曲线的特征，初始段呈直线上升，当V到达一定数值时载荷增加变缓，达到峰值。随着预制裂纹长度的减小，其载荷逐渐上升，当预制裂纹长度为23 mm，其直线段载荷接近100 kN，在试验过程中销子受到过大的剪切应力而导致变形，同时引起试验夹具和试验件的变形。由于设备的最大载荷是100 kN，因此这个预裂长度的试样无法进行断裂韧度试验。

3.2裂纹尖端着色与长度测量

对于裂纹长度的测量，确定裂纹前缘的位置非常重要。GB/T 21143—2007提供了两种裂纹扩展前缘标记的方法——着色与二次疲劳。着色一般采用加热发蓝的方法，但在打开裂纹时会出现着色裂纹面断开的现象，给测量带来不便。而二次疲劳裂纹前缘可以很好地保留，但对于Δα⟨0.3 mm的试样，由于没有色差测量存在一定困难。因此本实验把两种方法结合起来，选用400℃保温60 min 后炉冷，裂纹着色，再在室温下进行二次疲劳后打开裂纹面。着色和二次疲劳后试样断面形貌如图3所示。可以看出裂纹前缘被完整保存下来，预制裂纹区和裂纹扩展区着色清晰，二次疲劳区与裂纹扩展区分界明显，便于测量。

图2　不同预制裂纹长度的四组试样的F-V曲线

图3　着色和二次疲劳后试样断面形貌

3.3断裂韧度测定

对于台阶型紧凑拉伸试样，J计算公式为：

式中Up——力与施力点位移曲线下的面积塑性分量；

BN——两侧槽之间的试样净厚度；

g2(a0/W)——紧凑拉伸试样的应力强度因子系数。

经过计算得到三条不同预制裂纹长度的J积分试验结果，利用拟合公式：J=α+β(Δa)γ进行曲线拟合，得到J-Δa阻力曲线，如图4所示。其中，α、β≥0，0≤γ≤1。三条曲线中，预制裂纹长度为28 mm的曲线最高，其最大裂纹扩展量Δa达到0.9 mm；预制裂纹长度为34 mm的曲线最低，其最大裂纹扩展量Δa只有0.55 mm。这是由于预制裂纹越短，留下的韧带(W-a0)越长，因此加载时裂纹前缘张口也就更大，导致裂纹扩展量Δa增大。

过横坐标轴(0.2，0)点作斜率为3.75Rm的钝化线与三条曲线分别相交，得到三组试验J0.2BL的数值。J0.2BL(28 mm)=302.8 kJ/m2，J0.2BL(30mm)=285.3 kJ/m2，J0.2BL(34 mm)=266. 6kJ/m2。随着预制裂纹长度增加，J0.2BL值略有下降。

图4　不同预裂长度的J-Δa阻力曲线

3.4试验结果有效性判定

试验完成后需要判定J-Δa阻力曲线的有效性，以下是判定依据：

(1)在0.1 mm 和0.3 mm 钝化线偏置线之间至少有一个数据点；

(2)在0.1 mm 和0.5 mm 钝化线偏置线之间至少有两个数据点；

(3)J-Δa阻力曲线应至少通过六个数据点；

(4)0.5≤Δamax≤0.10(W-a0) ；

其中(4)提到的Δamax是指过最大数据点作钝化线的平行线与横坐标轴交点的横坐标值。经过计算，预制裂纹长度为28mm和30mm的两组试验均满足有效性判定。预制裂纹长度为34mm的试样不满足(4)中Δamax≥0.5mm的条件，其Δamax值仅为0.45mm，该组试验无效。这是由于韧带长度太短，裂纹扩展量Δa太小，导致Δamax无法满足试验有效性要求。

4结论

(1)通过四组不同预制裂纹长度断裂韧性试验发现，预制裂纹长度越短，其需要的试验载荷也就越大。预制裂纹过短会导致试验卡具和试验件变形，对试验产生不利影响。

(2)预制裂纹长度过短会造成裂纹扩展量Δa过小，使J-Δa阻力曲线无法满足有效性判定条件，最终导致试验无效。

(3)本试验把裂纹前缘标记的两种方法(着色与二次疲劳)结合使用，取得了良好的实际效果，裂纹前缘清晰可见，易于测量。

(4)对于预制裂纹长度的选择，应尽量选择a0/W在0.55～0.6的范围内，针对不同材料可做适当调整。

参考文献

[1]岳增武，赵永宁，周敬恩.汽轮机低压转子钢 30Cr2Ni4MoV的断裂韧性. 中国电力，1997(12):43-45.

[2]D.布洛克著.工程断裂力学基础. 王克仁等译.北京：科学出版社，1980.

编辑杜青泉

Influence of Length of Precrack on

Fracture Toughness for 30Cr2Ni4MoV Steel

Tian Yu, Wang Liyan, Li Mingjun

Abstract：By adopting the multiple-sample method, the quasi static fracture toughness test of 30Cr2Ni4MoV steel used for steam turbine rotor has been performed. Meanwhile, by means of fitting the resistance curve J-Δa, the value of J0.2BLhas been calculated. Eventually, by studying the influence of different length of precrack on the tested results, the optimum length of precrack has been determined.

Key words：30Cr2Ni4MoV steel; rotor; quasi static fracture toughness; J0.2BL; resistance curve J-Δa

作者简介：田宇，材料工程师。电话：13664607811，E-mail：ty19840709@163.com

收稿日期：2015—10—10

中图分类号：TK263.61

文献标志码：A