与CrMoV异种焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值研究(1).docx

9Cr与CrMoV异种焊接接头疲劳裂纹扩展门槛值研究
刘霞1,2，刘殳平3，姬慧君3，丁玉明1，芦凤桂4,，高玉来3,
（1.上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海200240；2. 清华大学机械学院  北京  100084；3.省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海大学200072；4. 上海交通大学材料科学与工程学院，上海 200240）

【摘要】裂纹扩展抗力是材料的内在属性，Paris的重要贡献是将DK引入疲劳裂纹扩展的研究，表明疲劳裂纹扩散的控制参数是应力强度因子DK。本试验异种焊接接头采用钨极氩弧焊(TIG)进行打底焊接，而后采用埋弧自动焊进行多层多道焊接，焊后进行相应的回火处理，之后随炉自然冷却。实验材料为9Cr钢母材、CrMoV母材、两侧的热影响区及焊缝区。按照降K法进行测试，应力比分别设定为0.5、0.7、0.9，在近门槛值区域进行多次测量，通过线性回归法拟合出直线方程，由此计算出疲劳扩展门槛值，可反映该焊接条件下9Cr与CrMoV异种材料接头的疲劳裂纹扩展行为。
【关键词】异种钢焊接 疲劳裂纹 门槛值 应力比 降K法
Research on the Fatigue Crack Propagation Threshold of the Dissimilar Welded Joint between 9Cr and CrMoV
Liu Xia1,2, Liu Shuping3, Ji Huijun3, Ding Yuming1, Lu Fenggui4,*, Gao Yulai3,*
(1. Shanghai Turbine Plant of Shanghai Electric Power Generation Equipment Co. Ltd., Shanghai 200240, China; 2. Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 3. State Key Laboratory of Advanced Special Steels，Shanghai University, Shanghai 200240, China; 4. School of Materials Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China）
【Abstract】The crack propagation resistance is the inherent property of materials, the pioneering work of Paris is to introduce the parameter DK into fatigue crack propagation research, showing that the spread of fatigue crack is controlled by DK as stress intensity factor. For 9Cr and CrMoV dissimilar joint, tungsten inert gas arc welding (TIG) is employed as backing weld, and then submerge arc welding (SAW) as with multilayer multi-pass is applied to join the two base metals. The joint is post welding tempering treated and naturally cooled in the furnace. The experimental materials including the weld, the heat affected zones, and the 9Cr and CrMoV base metals are chosen. The stress ratio R, designed as 0.5, 0.7, 0.9, is applied, and dropping K method is employed. Then the fatigue crack propagation threshold can be obtained to reflect the crack propagation characteristics of the various zones.
【Keywords】Dissimilar welded joint, Fatigue crack, Threshold, Stress ratio, Dropping K method
1. 前言
转子采用焊接工艺，可以得到结构紧凑且质量较好的大尺寸工件[1]。其成品率高、热应力低、离心应力小、焊后整体的刚性大，所以对于焊接工艺的质量把关和过程的检验检测就显得尤其重要。转子的焊接由一个快速不均匀的加热过程和一个持续的冷却过程组成，焊缝及热影响区内具有较大的瞬态温度梯度，结构将产生变形和残余应力，并有可能导致局部高应力，从而诱发裂纹萌生、疲劳失效和应力腐蚀开裂[2]。
汽轮机面临着对高温条件下运转机械的严峻的市场要求[3]，而转子作为汽轮机这一电力系统的重大设备的核心部件之一，其安全可靠性很大程度上决定着汽轮机是否能够安全运行[4]，而疲劳性能是影响寿命安全性的关键因素[5]。汽轮机转子在复杂交变应力的作用下，对其高周疲劳性能提出了更高的要求。提高焊接转子的疲劳性能，则意味着汽轮机使用寿命的提高和经济效益的提升。
裂纹形成寿命与裂纹扩展寿命之和等于总寿命[6]。裂纹扩展抗力是材料的内在属性，早期关于门槛值研究的共同特点是企图把某一特征组织结构尺寸内的应力或应变达到临界值时的载荷条件当做裂纹扩展门槛值。现有的疲劳门槛值的模型都是建立在某种显微组织结构尺寸之上，并将这个尺寸的应力或应变到达临界值时的载荷条件作为门槛值。Paris的重要贡献是将DK引入疲劳裂纹扩展的研究，表明疲劳裂纹扩散的控制参数是应力强度因子DK。根据GB6398-86规定，定义裂纹扩散门槛值DKth为da/dN=10-7 mm/cycle所对应的DK值。北京科技大学的张敏等人采用原位分析技术利用带扫描电镜的疲劳试验机来测定金属材料的裂纹扩散门槛值[7]，但该技术上属于探索阶段。本实验依旧采用国标中规定的降K法对焊接接头的疲劳裂纹扩展特性进行测试。
在实际结构中，对于一些重要的承力构件，需要根据材料的DKth来确定其工作应力水平，即根据构件上存在的初始裂纹尺寸或无损探伤检验方法所能发现的初始裂纹尺寸，再根据门槛值去求出该裂纹在疲劳载荷下不发生扩散的界限应力，按照界限应力确定构件的允许工作载荷[8]。本实验以9Cr母材、CrMoV母材、两侧的热影响区及焊缝区为实验材料，在对应区域截取测试材料，制备成标准的紧凑拉伸试样（CT试样），利用降K实验程序对裂纹扩散门槛值进行探究。
2. 实验材料与方法
本实验材料为9Cr母材、CrMoV母材、两侧的热影响区及焊缝区，母材化学成分如表1所示。该异种材料焊接接头采用钨极氩弧焊（TIG）进行打底焊接以保证根部的焊接质量，而后采用效率较高的埋弧自动焊（SAW）进行多层多道焊接填充及盖面，焊后进行相应的回火处理以消除焊接过程中产生的残余应力，稳定焊缝组织，之后随炉自然冷却[4, 9, 10]。
表 1 母材化学成分
Table 1 The chemical composition of the base metals (wt.%)
母材
C
Mn
Cr
Mo
Al
V
Ni
S
P
9Cr侧
0.13
0.40
9.20
1.50
0.01
0.20
0.15
0.00
0.01
CrMoV侧
0.26
0.31
2.28
0.97
0.04
0.21
0.62
0.01
0.01
根据GB/T 6398-2000推荐的测定DKth的方法，在近门槛值区域（da/dN值在10-6~10-7 mm/次之间）进行多次测量，通过线性回归法拟合出lg（da/dN）-lg（DK）直线方程，由此计算出da/dN=10-7 mm/次的DK作为疲劳扩展门槛值DKth[7]。
实验采用Zwick AMSIER HFP-100型双向载荷高频疲劳试验机，详细参数列于表2中。对于本实验材料而言，高频疲劳试验机的稳定加载频率变化范围为60~70 Hz，随着加载过程的进行，稳定加载频率逐渐降低。
表 2 Zwick AMSIER HFP-100高频载荷疲劳试验机参数
Table 2 Parameters of Zwick AMSIER HFP-100 high-frequency-load fatigue testing machine
型号
最大测试负荷(KN)
最大振动频率(Hz)
最大静态负荷(KN)
最大动态负荷(KN)
AMSIER HFP-100
100
150
100
100
通常用Paris公式表示与裂纹尖端应力强度因子变化范围DK的关系：
dadN=C∆Km (1)
公式（1）中，C和m是与材料本身有关的参数。
根据ASTM E647-08中的规定，加工出符合要求的专用夹具。将夹具装夹在高频载荷疲劳试验机上，将加工好的标准CT试样[9]（如图1所示）夹紧于专用夹具上进行测量。在每个试样的测量过程中，保持应力比R恒定不变，逐级降低K进行数据采集。在降力的过程中，每级力下使得列为扩展增量Δa大于上一级Kmax（最大应力强度因子）对应的塑性区γy的4~6倍，直到平均裂纹扩展速率Δa/ΔN接近1×10-7 mm/cycle时，降K实验结束。为了保证采集数据的变化在允许范围内，每一级降载不超过10%，当da/dN在1×10-6~1×10-7 mm/cycle区间内时，可以适当减小降载幅度以保证有足够的拟合数据点。
在每级加载结束后，将每个试样的实际测量的宽度带入公式（2）（由ASTM E647-08中得知）中进行计算，得出该级别加载条件下的ΔK-da/dN的对应关系。
∆K=∆PBW2+α1-α0.886+4.64α-13.32α2+14.72α3-5.64α4 (2)
其中，α= a/W，ΔP=Pmax – Pmin，a为裂纹长度，B为试样的厚度，W为载荷作用线到试样边缘的距离（50 mm）。公式（1）的成立条件为：0.25≤a/W≤0.4，即12.5 mm≤a≤20 mm。

图 1标准紧凑拉伸试样（CT试样）形状及加工尺寸图
Fig. 1 Shape and dimension of the standard compact tension (CT) specimen
在da/dN在1×10-6~1×10-7 mm/cycle区间内获得至少5组ΔK-da/dN数据后，试验结束，详细记录各级别的测试参数与试验结果。将测试所得的ΔK-da/dN数据绘制于对数坐标系中，并将1×10-6~1×10-7 mm/cycle区间的ΔK-da/dN数据作对数处理后进行线性拟合，求出Paris公式中的常数C和m，进而将da/dN=1×10-7 mm/cycle代入Paris公式，求出对应的ΔK，即该条件下疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth。
3. 结果与讨论
3.1 9Cr+CrMoV焊接转子疲劳门槛值测定
应力比R对门槛值具有较大的影响，按照降K法处理试样需要对应力比进行控制。本实验对R进行设定，分别设为0.5、0.7、0.9，对数据进行统计用origin绘图并对1×10-6~1×10-7 mm/cycle区间的ΔK-da/dN数据作对数处理后进行线性拟合，求出Paris公式的C和稳态裂纹扩展区斜率m。
图2为CrMoV母材试样在应力比R=0.5、0.7和0.9条件下的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）和裂纹尖端应力强度因子变化ΔK变化关系图。图中插图为各自条件下da/dN在1×10-6~1×10-7 mm/cycle区间内lgΔK-lg(da/dN)的线性拟合图。经拟合计算后，CrMoV母材试样在应力比R=0.5、0.7和0.9条件下对应的疲劳门槛值ΔKth分别为5.46、3.42、3.04 MPa·m1/2。

图 2 CrMoV母材试样疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子范围ΔK关系在如下情况下： (a) R=0.5，(b) R=0.7，(c) R=0.9.
Fig. 2 The relationship between the fatigue crack growth rate da/dN of CrMoV base metal specimen and stress intensity factor range ΔK in the following conditions:
(a) R =0.5, (b) R=0.7, (c) R=0.9
图3为CrMoV热影响区试样在应力比R=0.5、0.7和0.9条件下的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）和裂纹尖端应力强度因子变化ΔK变化关系图。在应力比R=0.5，0.7和0.9条件下对应的疲劳门槛值ΔKth分别为5.58、3.80、3.12 MPa·m1/2。图4为9Cr母材试样在应力比R=0.5、0.7和0.9条件下的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）和裂纹尖端应力强度因子变化ΔK变化关系图。在应力比R=0.5,0.7和0.9条件下对应的疲劳门槛值ΔKth分别为4.87、4.40、3.04 MPa·m1/2。图5为9Cr热影响区试样在应力比R=0.5、0.7和0.9条件下的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）和裂纹尖端应力强度因子变化ΔK变化关系图。在应力比R=0.5、0.7和0.9条件下对应的疲劳门槛值ΔKth分别为4.04、3.70、3.14 MPa·m1/2。图6为9Cr+CrMoV焊缝区试样在应力比R=0.5、0.7和0.9条件下的疲劳裂纹扩展速率（da/dN）和裂纹尖端应力强度因子变化ΔK变化关系图。在应力比R=0.5、0.7和0.9条件下对应的疲劳门槛值ΔKth分别为4.74、4.11、3.10 MPa·m1/2。

图 3 CrMoV热影响区试样疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子范围ΔK关系在如下情况下：(a) R=0.5，(b) R=0.7，(c) R=0.9.
Fig. 3 The relationship between the fatigue crack growth rate da/dN of CrMoV heat affected zone specimen and stress intensity factor range ΔK in the following conditions:
(a) R =0.5, (b) R=0.7, (c) R=0.9

图 4 9Cr母材试样试样疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子范围ΔK关系在如下情况下：(a) R=0.5，(b) R=0.7，(c) R=0.9.
Fig. 4 The relationship between the fatigue crack growth rate da/dN of 9Cr base metal specimen and stress intensity factor range ΔK in the following conditions:
(a) R =0.5, (b) R=0.7, (c) R=0.9

图 5 9Cr热影响区试样疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子范围ΔK关系在如下情况下：(a) R=0.5，(b) R=0.7，(c) R=0.9.
Fig. 5 The relationship between the fatigue crack growth rate da/dN of 9Cr heat affected zone specimen and stress intensity factor range ΔK in the following conditions:
(a)R =0.5, (b) R=0.7, (c) R=0.9

图 6 9Cr+CrMoV焊缝区试样疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子范围ΔK关系在如下情况下：(a) R=0.5，(b) R=0.7，(c) R=0.9.
Fig. 6 The relationship between the fatigue crack growth rate da/dN of the weld metal between 9Cr and CrMoV specimen and stress intensity factor range ΔK in the following conditions:
(a)R =0.5, (b) R=0.7, (c) R=0.9
3.2 疲劳实验分析与结果分析
应力强度因子幅值DK是一控制裂纹扩展速率的主要参量，当DK小于门槛值DKth时，裂纹基本上不扩展。当应力强度因子略高于门槛值时，裂纹低速扩展且其速率随DK增加而快速升高，此阶段称近门槛值扩展区。当DK继续增加，裂纹扩展速率由快速升高变为以一恒定的升高速率缓慢升高，此阶段即中部稳态扩展区。当DK进一步升高，裂纹再次变为快速升高直至裂纹，此阶段称快速扩展区。
裂纹前缘塑性区随DK不断下降而缩小。而材料内部因素影响较为复杂，一方面是闭合效应对裂纹尖端后部的作用，一方面是裂纹尖端的钝化[11]。所谓闭合效应，就是在下一个载荷循环中，当由压应力变成拉应力时，裂纹并不是由闭合状态立即张开，而是拉力达到一定数值时，裂纹才完全张开，在随后的继续加载中才能使裂纹向前扩展[12]。
将图2~图6中的疲劳门槛值ΔKth汇总得各个区域试样ΔKth随应力比的变化关系，如表3和图7所示。从图7看出，随着应力比R的增大，门槛值逐渐减小，即裂纹随着应力比的增大而越不易扩展；从图7斜率可以看出，CrMoV侧的裂纹门槛值受R的影响比9Cr侧要大，焊缝的裂纹门槛值随R的变化和9Cr侧相当。
表 3各个区域试样不同应力比条件下的疲劳裂纹扩展门槛值
Table 3 the fatigue crack propagation threshold of all the zones among several stress ratios
应力比（R）
0.5
0.7
0.9
ΔKth(MPam1/2)
CrMoV BM
5.46
3.42
3.04
CrMoV一侧HAZ
5.58
3.80
3.12
WM
4.74
4.11
3.10
9Cr一侧HAZ
4.04
3.70
3.41
9Cr BM
4.87
4.40
3.04

图 7 9Cr+CrMoV焊接转子模拟件各个区域疲劳裂纹扩展门槛值ΔKth与应力比R关系图
Fig. 7 The relationship between the fatigue crack propagation threshold ΔKth and the stress ratio R of all the zones of the 9Cr and CrMoV dissimilar joint

4. 结论
(1) 焊缝的疲劳扩展门槛值与两侧母材及热影响区差别不大，说明该焊接工艺能够满足9Cr与CrMoV异种焊接接头疲劳性能的需求。
(2) 随着应力比R的增大，各特征区域门槛值逐渐减小，即裂纹随着应力比的增大而越不易扩展； CrMoV侧的裂纹门槛值受R的影响比9Cr侧要大，焊缝的裂纹门槛值随R的变化和9Cr侧相当。
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