火力發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)、停機(jī)或變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子要承受快速加熱或冷卻引起的熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致局部區(qū)域發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生低周疲勞，在這種交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定周次的循環(huán)就可能在材料中出現(xiàn)疲勞裂紋。實(shí)際上，轉(zhuǎn)子低周疲勞研究中加載的應(yīng)變速率直接與汽輪機(jī)啟停及運(yùn)行的溫度升降速度與負(fù)荷變化速度等工況相關(guān)聯(lián)。本文主要對(duì)30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鋼在538℃下的低周疲勞斷口和剖面的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討電廠大型機(jī)組關(guān)鍵部件的高溫低周疲勞行為的內(nèi)在本質(zhì)和規(guī)律，以期了解轉(zhuǎn)子鋼在運(yùn)行過程中裂紋的萌生與擴(kuò)展規(guī)律及其高溫低周疲勞行為，為汽輪機(jī)的安全運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)，也為該類材料的安全應(yīng)用提供技術(shù)支持。

實(shí)驗(yàn)材料為30Cr1Mo1V汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼，其化學(xué)成分為（質(zhì)量百分比，%）：0.28C，1.18Cr，1.20Mo，0.24V，0.42Ni，0.72Mn，0.24Si，0.016P，0.007S，余量Fe。實(shí)驗(yàn)材料經(jīng)1010℃加熱/空冷和720℃加熱/爐冷至250℃后空冷的預(yù)備熱處理，再經(jīng)955℃加熱/風(fēng)冷和680℃加熱/爐冷的調(diào)質(zhì)處理。試樣加工后經(jīng)620℃加熱/爐冷的去應(yīng)力處理。高溫低周疲勞試驗(yàn)在RDL05電子蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣為等截面圓柱形試樣，直徑為6mm，標(biāo)距為25mm，溫度為538℃，實(shí)驗(yàn)加載前在538℃下對(duì)試樣進(jìn)行30min均熱保溫，采用三段加熱爐加熱，溫度控制在±2℃；采用恒應(yīng)變幅控制的軸向拉-壓加載方式，應(yīng)變波形為對(duì)稱三角波；實(shí)驗(yàn)的最大應(yīng)變?nèi)≈禐?.0%，應(yīng)變比R=-1，應(yīng)變速率分別選取0.1×10-2、0.5×10-2s-1。本實(shí)驗(yàn)是控制總應(yīng)變幅的低周疲勞試驗(yàn)，加載速率的變化用塑性應(yīng)變速率的變化來表征。用線切割將30Cr1Mo1V轉(zhuǎn)子鋼低周疲勞試驗(yàn)斷裂試樣制備成斷口掃描電鏡試樣，采用帶有能譜分析的JSM-5610掃描電鏡觀測(cè)斷裂特征。

結(jié)果顯示，在538℃時(shí)，在控制總應(yīng)變和0.5×10-2、0.1×10-2s-1兩種加載速率條件下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鋼低周疲勞試樣斷面有裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，瞬斷面與其他兩區(qū)呈一定角度的剪切唇；裂紋源區(qū)比較平坦，在此區(qū)域有許多細(xì)小裂紋沿晶界萌生，這些細(xì)小裂紋并不是源自于試樣的表面，而是在材料內(nèi)部萌生。轉(zhuǎn)子鋼的高溫低周疲勞斷裂主要為沿晶斷裂，在0.5×10-2s-1時(shí)有少量穿晶斷裂，而在0.1×10-2s-1中裂紋數(shù)目較少，有明顯的裂紋尖端和裂紋擴(kuò)展的方向。在瞬斷區(qū)的斷口，有少量疲勞條紋存在，還有大量的韌窩，斷口形貌主要以韌窩為主。0.5×10-2s-1試樣韌窩較深，0.1×10-2s-1試樣中斷裂區(qū)還有部分解理斷裂；從試樣表面萌生的裂紋，沿徑向由表面向試樣內(nèi)部擴(kuò)展，試樣裂紋附近出現(xiàn)了大量尺寸為5～30μm的魚卵狀裂紋珠，這是由于高溫氧化、疲勞交變載荷交互作用形成的，這些裂紋珠的存在減弱了材料的承載能力，降低了疲勞壽命，應(yīng)盡量避免。（榕霖）