|
Ozeki G, Yokobori Jr A T, Kobayashi D. Effect of overload on creep deformation, crack initiation and growth behaviors of a C(T) specimen for 12Cr steel[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2022, 264: 108313.
Ozeki, Go, A. Toshimitsu Yokobori Jr, and Daisuke Kobayashi. "Effect of overload on creep deformation, crack initiation and growth behaviors of a C(T) specimen for 12Cr steel." Engineering Fracture Mechanics 264 (2022): 108313.
Ozeki, G., Yokobori Jr, A. T., & Kobayashi, D. (2022). Effect of overload on creep deformation, crack initiation and growth behaviors of a C(T) specimen for 12Cr steel. Engineering Fracture Mechanics, 264, 108313.
背景简介
12Cr钢是用作汽轮机转子的材料之一。汽轮机转子是汽轮机的重要部件，因此对其可靠性要求很高，通常通过金相观察和硬度测量等无损检测对该部件进行性能退化管理。对于此类重要部件，除了提高无损检测的准确性外，还需要进行风险评估，如考虑裂纹或其他损伤来源，评估裂纹扩展寿命。对于有中心孔的汽轮机转子，启动时会由于蒸汽流入而产生热应力。此时，由于在靠近中心孔的应力集中区域周围存在大于稳态运行载荷水平的过载，因此考虑过载对涡轮转子的影响，评估其蠕变和蠕变疲劳裂纹扩展特性十分重要。因此，有必要明确过载对蠕变和蠕变疲劳条件下裂纹萌生和扩展行为的影响。目前，已有通过光滑试样对12Cr钢进行了大量的蠕变和蠕变疲劳研究，以观察与裂纹萌生和扩展相对应的材料微观结构，但对裂纹扩展行为的研究很少。此外，缺少关于过载对12Cr钢裂纹扩展行为和裂纹扩展寿命影响的系统研究。
本文采用汽轮机转子用12Cr钢C(T)试样，进行了初始过载蠕变裂纹扩展试验，系统地研究了其蠕变变形和裂纹扩展行为。此外，还通过各种断裂力学参数对结果进行了评估。本研究对蠕变变形和裂纹扩展的实验特征进行了系统的研究，为理论分析和讨论做了初步的探究。
试验简介
本研究使用的用于汽轮机转子的12% Cr铁素体耐热钢经真空熔炼、热锻和热处理工艺制成。热处理工艺如下：淬火条件为1090 ℃×8hr(空冷)，一次回火条件为550 ℃×10hr(炉冷)，二次回火条件为665 ℃×30hr(炉冷)。500 ℃和600 ℃时的化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。这种材料中没有加入W。蠕变裂纹扩展试验试件为带侧槽的标准紧凑拉伸C(T)试样。C(T)试样的几何形状和尺寸如图1所示。在C(T)试件蠕变试验前引入 3mm的疲劳预裂纹。在蠕变裂纹扩展试验中测量了载荷线位移(LLD)和蠕变裂纹长度。LLD使用精度为0.5 um的线性规测量, 蠕变裂纹长度采用直流电位降法测定。研究中涉及的蠕变和初始过载蠕变裂纹扩展试验条件如表3所示。蠕变和初始过载蠕变条件下应用应力波形示意图如图2所示。
表1 12Cr钢化学成分(wt%)
表2 12Cr钢的力学性能
表3 蠕变和初始过载蠕变裂纹扩展试验条件
.png)
图1 C(T)试样的几何形状和尺寸
.png)
图2 蠕变和初始过载蠕变条件下应用应力波形示意图
成果介绍
本文采用汽轮机转子用12Cr钢的C(T)试样，在蠕变和初始过载蠕变条件下进行蠕变裂纹扩展试验，研究其蠕变变形和蠕变裂纹扩展行为，得到了以下结果：
（1）不同试验条件下，由蠕变裂纹扩展寿命归一化的蠕变裂纹萌生寿命与温度的关系如图3所示。蠕变裂纹萌生寿命定义为蠕变裂纹长度为200 μm时所对应的时间。结果表明，初始过载抑制了蠕变裂纹萌生的时间。蠕变裂纹萌生的延迟被认为是由于初始过载引起的残余应力导致。过载对蠕变裂纹萌生的影响随试验温度的升高而减小。
.png)
图3 温度T与归一化裂纹萌生寿命ti/tf的关系
（2）蠕变和初始过载蠕变条件下蠕变裂纹扩展速率(CCGR)与应力强度因子K的关系如图4所示，各温度下CCGR与K的关系分别如图5所示。从这些结果可以看出，在初始过载或无初始过载的各个温度下，CCGR与K的关系具有相似的特征。初始过载效应对裂纹萌生寿命有贡献，但对裂纹扩展速率的应力强度因子特征影响不显著。
.png)
图4 CCGR与应力强度因子K的关系
.png)
图5 不同温度下蠕变和过载蠕变条件下CCGR与应力强度因子K的关系
（3）CCGR与载荷线位移速率(LLDR)之间、CCGR与C*参数之间的关系虽然横坐标的绝对值不同，但表现出几乎相同的变化趋势，如图6所示。蠕变条件下，CCGR与LLDR、CCGR与C*参数之间的关系在低裂纹扩展速率区域出现反向“勾”状阶段。该阶段随着温度的升高更明显。在600 ℃时，即使在初始过载蠕变条件下，也能观察到反向“勾”状阶段。之后，在各工况下，CCGR与LLDR、CCGR与C*参数之间的关系在加速蠕变区域表现出良好的相关性。上述这些关系中，有或没有初始过载几乎没有区别。
（a）
（b）
（c）
图6 CCGR与LLDR的关系以及CCGR与C*参数的关系：(a) 535 ℃，(b) 566 ℃，(c) 600 ℃
（4）由上述结果可知，在本研究条件下，初始过载影响蠕变裂纹萌生寿命，但对蠕变裂纹扩展速率影响不显著。蠕变裂纹萌生的延迟可能是由于塑性区域的形成和初始过载引起的残余应力，以及裂纹尖端的加工硬化。因此，今后有必要通过原位观察实验和微观组织观察，详细阐明初始过载对蠕变损伤形成、蠕变裂纹萌生和扩展行为的影响。
致谢
本研究得到中部电力株式会社的资助。本文通讯作者：Ozeki G（Advanced Comprehensive Research Organization, Teikyo University, Tokyo 173-0003, Japan）。
本期小编：舒 阳（整理）
徐浩波（校对）
王康康（审核）
闵 琳（发布）
|