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背景简介

汽轮机转子作为超超临界（USC）发电机组的关键构件，其高温下的安全性评估极为重要。目前大型转子通常采用焊接工艺进行制造，可在不同温度及压力区间选用不同的材料。焊接接头部位的微观组织和力学性能分布极不均匀，这对评估转子的性能造成了很大的挑战。汽轮机转子在实际工况中长期承受包括自重、蒸汽压力、离心力及热应力等复杂的交变载荷作用，存在多种可能的失效模式。随载荷增大及服役温度的提高，在苛刻服役环境下耦合蠕变-疲劳等复杂工况使高温部件的强度设计和寿命评估方法面临了极为严峻的挑战。因此本文针对CrMoV钢焊接接头开展中断蠕变-疲劳试验，定量探究在520 ℃下CrMoV钢焊接接头的裂纹萌生和扩展机理，为焊接接头的结构完整性评估提供参考。

成果介绍

（1）蠕变-疲劳交互载荷下，裂纹多点萌生于细晶热影响区（FGHAZ）的氧化膜表面。微裂纹在表面氧化膜中进一步扩展，将其分割为等距的条状形貌。在压缩过程中，由于其较低的强度和韧性，条状氧化膜会被压溃开裂，产生平行于加载方向的微裂纹，表面形成周期性的多层竹节状结构。垂直于载荷方向的裂纹将继续向氧化层内部扩展，在1/6寿命时，裂纹长度达到约10微米，与表面的氧化层厚度近似相等。氧化物在裂纹尖端以穿晶形式侵入到FGHAZ基体中，并在基体表面形成缺口，且晶粒内有轻微的应变集中。（图1）

图1 1/6寿命时试样的微观形貌特征：(a) 试样表面形貌；(b) 焊缝区氧化物形貌；(c) 细晶热影响区氧化物形貌；(d, e) 试样横截面的微观结构；(f) 热影响区的IPF和KAM图

（2）试样最终以疲劳损伤主导的形式断裂于细晶热影响区。在寿命的前2/3期间，裂纹垂直向试样内部扩展，其长度很短，约为200 μm。此区域的断口形貌存在多条平行于裂纹扩展方向的疲劳沟线，分析可知，其对应于图2（a）中不同裂纹交汇时形成的台阶。由于裂纹扩展速率较慢及严重的氧化现象，此区域较难观察到疲劳辉纹。相反，在过渡区之后，随着裂纹扩展速率快速增大，疲劳辉纹的特征开始出现，而疲劳沟线消失。（图2）

图2 失效试样的微观表征：(a) 试样表面的形貌；(b) 试样纵剖面的裂纹位置；(c) 试样断口形貌；(d) 断口上的疲劳辉纹

（3）该焊接接头的蠕变-疲劳失效过程可根据循环周次分为四个阶段。微观结构软化、裂纹萌生和扩展的机制如图3所示。裂纹萌生于细晶热影响区的表面氧化层，同时氧化物沿裂纹侵入基体，形成表面缺口，持续的氧化侵入导致了氧化缺口的加深。裂纹扩展前期，其在氧化层内以约2微米每周次的速度向内扩展。后期，扩展速度达到50微米/周次，此时裂纹穿透氧化层进入基体，导致最终失效。（图3）

图3 CrMoV焊接接头蠕变-疲劳-氧化交互失效机制图

致谢

该研究工作得到了中国自然科学基金（No.52171040）的支持。本文通讯作者：邵晨东，芦凤桂（上海交通大学）。

本期小编：王康康（整理）

闵 琳（校对）

舒 阳（审核）

闵 琳（发布）