X12CrMoWVNbN10-1-1转子钢室温低周疲劳特性

DOL:10.13374/.issn1001-053x.2011.07.011 第33卷第7期 北京科技大学学报 Vol.33 No.7 2011年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jul.2011 X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢室温低周疲劳特性 吴海利⑧朱月梅贾国庆 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海200240 ☒通信f作者，E-mail:wuhl3@shanghai-electric.com 摘要采用应变控制对超超临界汽轮机转子钢XI2 CrMoWVNbN10-1-1进行室温低周疲劳试验，并对试验结果进行了讨 论.拟合了循环应力一应变曲线和应变-寿命曲线，得到该材料的室温低周疲劳特性参数，包括Ramberg-一Osgood参数和 Manson-Coffin参数，推测出该材料的转变寿命.对低周疲劳试验开始和结束两个阶段的拉压应力峰值、拉压卸载弹性模量以 及迟滞回线面积进行了对比分析，并对不同应变幅控制的低周疲劳对应的应力变化进行了讨论 关键词耐热钢：低周疲劳：应变控制：疲劳寿命：转子 分类号TG115.5+7 Low cycle fatigue behaviors of X12CrMoWVNbN10-4 steel for rotors at room temperature WU Hai-i,ZHU Yue-mei,JIA Guo-qing Shanghai Turbine Plant,Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.Ltd.,Shanghai 200240,China Corresponding author,E-mail:wuhB@shanghai-electric.com ABSTRACT Low cycle fatigue (LCF)experiments were carried out under strain control at room temperature on X12CrMoWVNbN10-4 steel for rotors used in ultra-supercritical turbines.Some LCF parameters of this material at room temperature including Ramberg-Osgood parameters,Manson-Coffin parameters and transformation life were obtained by fitting the cyclic stress-strain curves and strain-ife curves.The peak tensile stress,the peak compression stress,the unloading elasticity moduli of tension and com- pression,and the area of the hysteresis loop in the LCF initial stage and finial stage were analyzed by comparison.The stress changes corresponding to LCF controlled by different strain amplitudes were discussed. KEY WORDS heat resistant steel:low cycle fatigue;strain control:fatigue life:rotors 转子是汽轮机乃至整个机组设备中最关键的受 寿命管理提供参考依据 压部件和高速旋转部件，机组启动、调峰及事故工况 1试验材料和参数 下各种瞬态热应力、膨胀受阻产生的附加应力等与 工作应力相叠加，在转子危险点处，局部应力可能超 1.1试验材料 过材料的屈服极限，进入弹塑性变形状态，常成为转 试验所用的X12 CrMoWVNbN10-1-1钢取自德 子表面裂纹萌生的主要原因口.为了转子的安全运 国进口转子端部，取样方向为切向，材料的化学成分 行，对转子材料进行低周疲劳寿命分析和计算是十 和力学性能分别如表1和表2所示. 分必要的，低周疲劳应成为汽轮机设计和运行中考 试样按照《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验 虑的重点 方法》(GBT15248一2008)回的要求设计，其形状 本试验所用材料为X12 CrMoWVNbN10-1-1 和尺寸如图1所示 钢，应用于超超临界汽轮机机组.对 1.2试验参数 X12 CrMoWVNbN10-1-1材料的低周疲劳特性进行 试验设备为MTS810电液伺服疲劳试验机，引 试验，掌握其低周疲劳特性，为该材料的疲劳设计和 伸计型号为632.26F-30,标距为20mm.试验参考 收稿日期：2010-07-26

第 33 卷 第 7 期 2011 年 7 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 7 Jul． 2011 X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢室温低周疲劳特性 吴海利 朱月梅 贾国庆 上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海 200240  通信作者，E-mail: wuhl3@ shanghai-electric． com 摘 要 采用应变控制对超超临界汽轮机转子钢 X12CrMoWVNbN10--1--1 进行室温低周疲劳试验，并对试验结果进行了讨 论． 拟合了循环应力--应变曲线和应变--寿命曲线，得到该材料的室温低周疲劳特性参数，包括 Ramberg--Osgood 参数和 Manson--Coffin 参数，推测出该材料的转变寿命． 对低周疲劳试验开始和结束两个阶段的拉压应力峰值、拉压卸载弹性模量以 及迟滞回线面积进行了对比分析，并对不同应变幅控制的低周疲劳对应的应力变化进行了讨论． 关键词 耐热钢; 低周疲劳; 应变控制; 疲劳寿命; 转子 分类号 TG115. 5 + 7 Low cycle fatigue behaviors of X12CrMoWVNbN10-1-1 steel for rotors at room temperature WU Hai-li  ，ZHU Yue-mei，JIA Guo-qing Shanghai Turbine Plant，Shanghai Electric Power Generation Equipment Co． Ltd． ，Shanghai 200240，China  Corresponding author，E-mail: wuhl3@ shanghai-electric． com ABSTRACT Low cycle fatigue ( LCF ) experiments were carried out under strain control at room temperature on X12CrMoWVNbN10-1-1 steel for rotors used in ultra-supercritical turbines． Some LCF parameters of this material at room temperature including Ramberg-Osgood parameters，Manson-Coffin parameters and transformation life were obtained by fitting the cyclic stress-strain curves and strain-life curves． The peak tensile stress，the peak compression stress，the unloading elasticity moduli of tension and com￾pression，and the area of the hysteresis loop in the LCF initial stage and finial stage were analyzed by comparison． The stress changes corresponding to LCF controlled by different strain amplitudes were discussed． KEY WORDS heat resistant steel; low cycle fatigue; strain control; fatigue life; rotors 收稿日期: 2010--07--26 转子是汽轮机乃至整个机组设备中最关键的受 压部件和高速旋转部件，机组启动、调峰及事故工况 下各种瞬态热应力、膨胀受阻产生的附加应力等与 工作应力相叠加，在转子危险点处，局部应力可能超 过材料的屈服极限，进入弹塑性变形状态，常成为转 子表面裂纹萌生的主要原因［1］． 为了转子的安全运 行，对转子材料进行低周疲劳寿命分析和计算是十 分必要的，低周疲劳应成为汽轮机设计和运行中考 虑的重点． 本试验所用材料为 X12CrMoWVNbN10--1--1 钢，应用于超超临界汽轮机机组． 对 X12CrMoWVNbN10--1--1 材料的低周疲劳特性进行 试验，掌握其低周疲劳特性，为该材料的疲劳设计和 寿命管理提供参考依据． 1 试验材料和参数 1. 1 试验材料 试验所用的 X12CrMoWVNbN10--1--1 钢取自德 国进口转子端部，取样方向为切向，材料的化学成分 和力学性能分别如表 1 和表 2 所示． 试样按照《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验 方法》( GB /T 15248—2008) ［2］的要求设计，其形状 和尺寸如图 1 所示． 1. 2 试验参数 试验设备为 MTS810 电液伺服疲劳试验机，引 伸计型号为 632. 26F--30，标距为 20 mm． 试验参考 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.07.011

·842· 北京科技大学学报 第33卷 表1材料的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of materials 号 Cr W Mn Mo Nb Ni Cu 0.122 10.035 1.02 0.393 1.088 0.047 0.796 0.181 0.052 表2材料的力学性能 Table 2 Mechanical properties of materials 屈服强度，Ra.2/MPa 抗拉强度，RMPa 断后伸长率，A/% 断面收缩率，Z/% 弹性模量，E/MPa 布氏硬度，HB 765 878 11.48 62.5 213420 278 新 10 2x45 50 30 50 165 图1低周疲劳试样（单位：mm) Fig.1 Specimen of LCF (unit:mm) 103 102 塑性应变幅，AE2 《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》 (GB/T15248一2008)回.试验控制方式采用轴向 图2循环应力一应变曲线 Fig.2 Cyclic stress-strain curve 应变控制，应变比R。=-1,试验波形为三角波，应 变速率为4×l0-3s.使用FlexTest SE全数字伺 式中，σ为疲劳强度系数，b为疲劳强度指数 服闭环控制系统对试验过程进行控制和数据采集. 应力范围△σ取循环稳定滞回周次N,2所对 试样为等截面圆柱形试样，直径为10mm,平行长度 应的应力范围，对试验数据进行拟和，如图3所示 30mm.选取循环峰值拉伸应力下降到曾出现的最 103 大循环峰值拉伸应力σ的75%时的循环周次作 为失效循环数N,循环稳定滞回周次为N,2B-. 试验温度为25±2℃. 2试验数据处理 2.1循环应力一应变关系 1 10 10 失效反向数，2V 在控制总应变幅的条件下，总应变可以分解为 弹性应变幅和塑性应变幅。材料的循环应力一应变 图3应力-寿命曲线N Fig.3 Cyclic stress-ife curve 曲线的表达式，即Ramberg-Osgood公式如下： 根据试验数据拟合得出： (1) △c=1044.2(2N)-as32 (4) 式中，△σ为应力范围，△e。为塑性应变，K为循环强 度系数，n为循环应变硬化指数，其中应力范围△σ 2.3应变寿命曲线 取循环稳定滞回周次N,2所对应的应力范围. 材料的疲劳寿命主要取决于疲劳形变过程中材 根据试验数据（图2）拟合的应力一应变关系为： 料所承受的应力幅或应变幅的大小，Manson--Coffin 公式是目前应用最为广泛的应变疲芳寿命预测公 (2) 式基本关系式如下因： 2.2循环应力一寿命关系 应变疲劳寿命关系式为网 告=尝+告-g2w+62W6) 2 E (2N) 式中，△e为某点循环的总应变，△e.为弹性应变， (3) △e。为塑性应变，E为疲劳延性系数，c为疲劳延性

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 表 1 材料的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of materials % C Cr W Mn Mo Nb Ni V Cu 0. 122 10. 035 1. 02 0. 393 1. 088 0. 047 0. 796 0. 181 0. 052 表 2 材料的力学性能 Table 2 Mechanical properties of materials 屈服强度，Rp0. 2 /MPa 抗拉强度，Rm /MPa 断后伸长率，A /% 断面收缩率，Z /% 弹性模量，E /MPa 布氏硬度，HB 765 878 11. 48 62. 5 213 420 278 图 1 低周疲劳试样( 单位: mm) Fig． 1 Specimen of LCF ( unit: mm) 《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法 》 ( GB /T 15248—2008) ［2］． 试验控制方式采用轴向 应变控制，应变比 Rε = － 1，试验波形为三角波，应 变速率为 4 × 10 － 3 s － 1 ． 使用 FlexTest SE 全数字伺 服闭环控制系统对试验过程进行控制和数据采集． 试样为等截面圆柱形试样，直径为 10 mm，平行长度 30 mm． 选取循环峰值拉伸应力下降到曾出现的最 大循环峰值拉伸应力 σmax 的 75% 时的循环周次作 为失效循环数 Nf，循环稳定滞回周次为 Nf /2 ［3--4］． 试验温度为 25 ± 2 ℃ ． 2 试验数据处理 2. 1 循环应力--应变关系 在控制总应变幅的条件下，总应变可以分解为 弹性应变幅和塑性应变幅． 材料的循环应力--应变 曲线的表达式，即 Ramberg--Osgood 公式如下［5］: Δσ 2 = K ( ' Δεp ) 2 n' ( 1) 式中，Δσ 为应力范围，Δεp 为塑性应变，K'为循环强 度系数，n'为循环应变硬化指数，其中应力范围 Δσ 取循环稳定滞回周次 Nf /2 所对应的应力范围． 根据试验数据( 图 2) 拟合的应力--应变关系为: Δσ 2 = 985 ( . 31 Δεp ) 2 0. 062 7 ( 2) 2. 2 循环应力--寿命关系 应变疲劳寿命关系式为［5］ Δσ 2 = σ' f ( 2Nf ) b ( 3) 图 2 循环应力--应变曲线 Fig． 2 Cyclic stress-strain curve 式中，σ' f 为疲劳强度系数，b 为疲劳强度指数． 应力范围 Δσ 取循环稳定滞回周次 Nf /2 所对 应的应力范围，对试验数据进行拟和，如图 3 所示． 图 3 应力--寿命曲线 Nf Fig． 3 Cyclic stress-life curve 根据试验数据拟合得出: Δσ 2 = 1 044. 2( 2Nf ) － 0. 053 2 ( 4) 2. 3 应变--寿命曲线 材料的疲劳寿命主要取决于疲劳形变过程中材 料所承受的应力幅或应变幅的大小，Manson--Coffin 公式是目前应用最为广泛的应变疲劳寿命预测公 式． 基本关系式如下［5］: Δε 2 = Δεe 2 + Δεp 2 = σ' f E ( 2Nf ) b + ε' f ( 2Nf ) c ( 5) 式中，Δε 为某点循环的总应变，Δεe 为弹性应变， Δεp 为塑性应变，ε' f 为疲劳延性系数，c 为疲劳延性 ·842·

第7期 吴海利等：X12 CrMoWVNbN101-1转子钢室温低周疲劳特性 ·843 指数，E为弹性模量，N为失效循环数. 表3X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢低周疲劳试验参数 对试验结果进行处理，如图4所示 Table 3 LCF parameters of X12CrMoWVNbN10--rotor steel 1 Ramberg0 sgood参数 Manson--Cofn参数 K b 985.31 0.06271044.20-0.05322.3338-0.8387 102 弹性线和塑性线的交点对应的寿命N为转变 ·弹性应变 ·塑性应变 寿命N.由图4可知，弹、塑性线的交点所对应 全应变 的失效反向数2N约为2600次，即转变寿命N,约 10e 10° 为1300次.寿命N低于1300周次时，塑性应变占 失效反向数，2N, 优势，属于低周疲劳.寿命N高于1300周次时，弹 图4应变一寿命曲线 性应变占优势，属于高周疲劳 Fig.4 Strain-ife curves 3分析与讨论 根据试验数据拟合的应变寿命关系式如下： 3.1低周疲劳试验特性分析 =0.0049(2N,)-as32+2.3338(2N)-aa87 2 选取应变幅为0.75%的试样为例，分析 (6) X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢的低周疲劳特性，拟 试验得出的X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢低 合其应力一循环周次曲线和迟滞回线，如图5所示 周疲劳试验Ramberg-一Osgood参数、Manson-一Coffin 左图中两个滞回环分别对应右图中低周疲劳过程中 参数以及相关系数R如表3所示 开始和结束两个阶段 900r 900r 700 7元00P 500 50 3 00 -1.0-0.1000 0.61.0 3-1000 200 400 600 80010001200 -300 拉-300 -50 -500 700 -70m 900t 应变，% 循环次数，V 图5迟滞回线(a)和应力-寿命曲线(b) Fig.5 Hysteresis loops (a)and stress-ife curves (b) 图5(a)表示了低周疲劳开始运行和失效两 时，拉伸峰值下降幅度大于压缩峰值下降幅度， 个循环所对应的迟滞回线，从图中可知这两个阶 拉伸卸载弹性模量E、下降幅度大于压缩卸载弹 段的滞回环形状和面积均发生很大变化.在循环 性模量E、c下降幅度.在压缩至峰值时曲线出现 开始时，应力幅值最大，迟滞回线有明显的塑性 拐点，迟滞回线包围的面积减小.拉压应力峰值、 直线段和弹性直线段，拉伸卸载弹性模量E、和 拉压卸载弹性模量以及迟滞回线面积的对比数 压缩卸载弹性模量E、基本相等.在临近失效 据见表4. 表4低周疲劳开始和失效的试验数据 Table 4 Test results in the initial stage and final stage of LCF 拉伸峰值/ 压缩峰值/ 拉伸卸载 压缩卸载 迟滞回线面 循环次数，N MPa MPa 弹性模量，ENT/MPa 弹性模量，ENc/MPa 积/10-3mm2 2 77m.14 -796.61 198360 200230 8.721 1036 558.98 -658.41 159680 197000 5.957

第 7 期 吴海利等: X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢室温低周疲劳特性 指数，E 为弹性模量，Nf为失效循环数． 对试验结果进行处理，如图 4 所示． 图 4 应变--寿命曲线 Fig． 4 Strain-life curves 根据试验数据拟合的应变寿命关系式如下: Δε 2 = 0. 004 9( 2Nf ) － 0. 053 2 + 2. 333 8( 2Nf ) － 0. 838 7 ( 6) 试验得出的 X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢低 周疲劳试 验 Ramberg--Osgood 参 数、Manson--Coffin 参数以及相关系数 R2 如表 3 所示． 表 3 X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢低周疲劳试验参数 Table 3 LCF parameters of X12CrMoWVNbN10-1-1 rotor steel Ramberg--Osgood 参数 Manson--Coffin 参数 K' n' σ' f b ε' f c 985. 31 0. 062 7 1 044. 20 － 0. 053 2 2. 333 8 － 0. 838 7 弹性线和塑性线的交点对应的寿命 N 为转变 寿命 NT ［5］． 由图 4 可知，弹、塑性线的交点所对应 的失效反向数 2Nf 约为 2 600 次，即转变寿命 NT 约 为 1 300 次． 寿命 N 低于 1 300 周次时，塑性应变占 优势，属于低周疲劳． 寿命 N 高于 1 300 周次时，弹 性应变占优势，属于高周疲劳． 3 分析与讨论 3. 1 低周疲劳试验特性分析 选 取 应 变 幅 为 0. 75% 的 试 样 为 例，分 析 X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢的低周疲劳特性，拟 合其应力--循环周次曲线和迟滞回线，如图 5 所示． 左图中两个滞回环分别对应右图中低周疲劳过程中 开始和结束两个阶段． 图 5 迟滞回线( a) 和应力--寿命曲线( b) Fig． 5 Hysteresis loops ( a) and stress-life curves ( b) 图 5( a) 表示了低周疲劳开始运行和失效两 个循环所对应的迟滞回线，从图中可知这两个阶 段的滞回环形状和面积均发生很大变化． 在循环 开始时，应力幅值最大，迟滞回线有明显的塑性 直线段和弹性直线段，拉伸卸载弹性模量 ENT和 压缩卸 载 弹 性 模 量 ENC 基 本 相 等． 在 临 近 失 效 时，拉伸峰值下降幅度大于压缩峰值下降幅度， 拉伸卸载弹性模量 ENT下降幅度大于压缩卸载弹 性模量 ENC下降幅度． 在压缩至峰值时曲线出现 拐点，迟滞回线包围的面积减小． 拉压应力峰值、 拉压卸载弹性模量以及迟滞回线面积的对比数 据见表 4． 表 4 低周疲劳开始和失效的试验数据 Table 4 Test results in the initial stage and final stage of LCF 循环次数，N 拉伸峰值/ MPa 压缩峰值/ MPa 拉伸卸载 弹性模量，ENT /MPa 压缩卸载 弹性模量，ENC /MPa 迟滞回线面 积/10 － 3 mm2 2 777. 14 － 796. 61 198 360 200 230 8. 721 1 036 558. 98 － 658. 41 159 680 197 000 5. 957 ·843·

·844 北京科技大学学报 第33卷 材料在低周疲劳过程的初始阶段，材料基本无 850 应变幅值 损伤，拉伸和压缩的能力相当.在较大幅度的应力 +0.90% 作用下，在试样表面划痕或内部缺陷处引发疲劳裂 750 ·0.75% +060% 纹源.随着裂纹启裂和扩展，在拉压过程中，裂纹稳 ·0.45% 0.30% 定扩展.低周疲劳临近失效过程中，拉伸过程中裂 纹张开，实际拉伸承载面积减小.压缩到一定程度 550 后，裂纹闭合，实际压缩承载面积几乎等于原始截面 450 积，使拉伸下降峰值远小于压缩下降峰值. 10 10 10109 10 10 迟滞回线包围的面积代表材料塑性变形时外力 失效循环数，N 所做的功或所消耗的能量，也代表材料抗循环变形 图6不同应变幅对应的应力一失效循环数曲线 的能力因.材料在疲劳过程中产生损伤和裂纹，有 Fig.6 Stress-failure life curves at different strain amplitudes 效承载截面积减小，抵抗循环变形的能力降低.疲 劳裂纹扩展到一定尺寸后，因为试样承载面积减小 N,循环变形以弹性应变为主，只产生很小的塑性 而使循环应力快速下降，对应滞后环上会出现拐点. 变形，表现出应力下降缓慢，疲劳寿命较高。随着应 由图5(b)可知X12 CrMoWVNbN10-1-1材料 变幅值的增加，材料的塑性变形程度逐渐增加.当 在应变幅为常数的情况下，应力幅随着循环次数的 应变幅为0.75%和0.90%时，循环次数小于转变寿 增加而逐渐降低，表现为循环软化特性.从应力一寿 命，循环变形以塑性变形为主，表现为应力下降明 命曲线中可以看出，低周疲劳循环寿命的全过程可 显，且软化速率较高，疲劳寿命较短.应变幅值的提 分为三个阶段：第I阶段应力峰谷值快速下降，拉压 高是造成低周疲劳寿命降低和循环特性改变的主要 应力峰值变化幅值相差不大，软化程度基本相等：第 原因 Ⅱ阶段应力稳态缓慢下降，在循环次数达到破坏循 4结论 环次数的20%~50%时，趋于稳定状态：第Ⅲ阶段 应力下降直至断裂，压缩应力下降幅度很小，拉伸应 (1)X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢在常温下 力峰值急剧下降.第I阶段和第Ⅲ阶段所占全程比 的低周疲劳性能表现为循环软化特性 例较小，第Ⅱ阶段应力稳态下降的过程是工程应用 (2)分别用Ramberg--Osgood公式和Manson- 的主要部分 Coffin公式拟合了材料的循环应力一应变曲线、循环 3.2不同应变幅下的应力变化分析 应力一寿命曲线和应变一寿命曲线，得出常温下 在相等间隔的应变幅值下， X12 CrMoWVNbN10-l-1转子钢的Ramberg-Osgood X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢的应力-循环次数 参数和Manson--Coffin参数. 曲线如图6所示.由图6可知，应变幅值对循环特 性有明显影响.应变幅为0.30%时，软化程度不明 (3)X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢的转变寿 显，应力平缓下降，下降速率较小.在应变幅分别为 命N约为1300次.寿命N低于1300周次时，塑性 0.45%0.60%、0.75%和0.90%时，随着应变幅值 应变占优势，属于低周疲劳.寿命N高于1300周次 的增大，材料低周疲劳的循环软化程度增加，应力下 时，弹性应变占优势，属于高周疲劳 降幅度增加，软化速率提高 (4)在低周疲劳过程中，拉应力峰值的降幅大 X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢低周疲劳试验 于压应力峰值，拉伸卸载弹性模量E、下降幅度大 的各应变幅值的间隔均为0.15%.由图6可知，应 于压缩卸载弹性模量E下降幅度.迟滞回线面积 变幅0.30%和0.45%对应的稳定循环阶段的应力 逐渐减小. 差值最大，应变幅0.45%和0.70%之间的差距略大 (5)随着应变幅值的增大，X12 CrMoWVNbN10- 于应变幅0.60%与0.75%之间的应力差值，应变幅 1-1转子钢低周疲劳的循环软化程度增加，应力下 为0.75%和0.90%之间的应力差值最小.分析得 降幅度增加，软化速率提高 出，在应变量等幅增长的条件下，应变幅越高，稳定 (6)X12 CrMoWVNbN10-1-1转子钢在应变量 循环阶段的应力增长幅度越小. 等幅增长的条件下，应变幅越高，稳定循环阶段的应 当应变幅为0.30%时，循环次数大于转变寿命 力增长幅度越小

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 材料在低周疲劳过程的初始阶段，材料基本无 损伤，拉伸和压缩的能力相当． 在较大幅度的应力 作用下，在试样表面划痕或内部缺陷处引发疲劳裂 纹源． 随着裂纹启裂和扩展，在拉压过程中，裂纹稳 定扩展． 低周疲劳临近失效过程中，拉伸过程中裂 纹张开，实际拉伸承载面积减小． 压缩到一定程度 后，裂纹闭合，实际压缩承载面积几乎等于原始截面 积，使拉伸下降峰值远小于压缩下降峰值． 迟滞回线包围的面积代表材料塑性变形时外力 所做的功或所消耗的能量，也代表材料抗循环变形 的能力［5］． 材料在疲劳过程中产生损伤和裂纹，有 效承载截面积减小，抵抗循环变形的能力降低． 疲 劳裂纹扩展到一定尺寸后，因为试样承载面积减小 而使循环应力快速下降，对应滞后环上会出现拐点． 由图 5 ( b) 可知 X12CrMoWVNbN10--1--1 材料 在应变幅为常数的情况下，应力幅随着循环次数的 增加而逐渐降低，表现为循环软化特性． 从应力--寿 命曲线中可以看出，低周疲劳循环寿命的全过程可 分为三个阶段: 第Ⅰ阶段应力峰谷值快速下降，拉压 应力峰值变化幅值相差不大，软化程度基本相等; 第 Ⅱ阶段应力稳态缓慢下降，在循环次数达到破坏循 环次数的 20% ～ 50% 时，趋于稳定状态; 第Ⅲ阶段 应力下降直至断裂，压缩应力下降幅度很小，拉伸应 力峰值急剧下降． 第Ⅰ阶段和第Ⅲ阶段所占全程比 例较小，第Ⅱ阶段应力稳态下降的过程是工程应用 的主要部分． 3. 2 不同应变幅下的应力变化分析 在相等间隔的应变幅值下， X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢的应力--循环次数 曲线如图 6 所示． 由图 6 可知，应变幅值对循环特 性有明显影响． 应变幅为 0. 30% 时，软化程度不明 显，应力平缓下降，下降速率较小． 在应变幅分别为 0. 45% 、0. 60% 、0. 75% 和 0. 90% 时，随着应变幅值 的增大，材料低周疲劳的循环软化程度增加，应力下 降幅度增加，软化速率提高． X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢低周疲劳试验 的各应变幅值的间隔均为 0. 15% ． 由图 6 可知，应 变幅 0. 30% 和 0. 45% 对应的稳定循环阶段的应力 差值最大，应变幅 0. 45% 和 0. 70% 之间的差距略大 于应变幅 0. 60% 与 0. 75% 之间的应力差值，应变幅 为 0. 75% 和 0. 90% 之间的应力差值最小． 分析得 出，在应变量等幅增长的条件下，应变幅越高，稳定 循环阶段的应力增长幅度越小． 当应变幅为 0. 30% 时，循环次数大于转变寿命 图 6 不同应变幅对应的应力--失效循环数曲线 Fig． 6 Stress-failure life curves at different strain amplitudes NT，循环变形以弹性应变为主，只产生很小的塑性 变形，表现出应力下降缓慢，疲劳寿命较高． 随着应 变幅值的增加，材料的塑性变形程度逐渐增加． 当 应变幅为 0. 75% 和 0. 90% 时，循环次数小于转变寿 命，循环变形以塑性变形为主，表现为应力下降明 显，且软化速率较高，疲劳寿命较短． 应变幅值的提 高是造成低周疲劳寿命降低和循环特性改变的主要 原因［6--8］． 4 结论 ( 1) X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢在常温下 的低周疲劳性能表现为循环软化特性． ( 2) 分 别 用 Ramberg--Osgood 公 式 和 Manson-- Coffin 公式拟合了材料的循环应力--应变曲线、循环 应 力--寿命曲线和应变--寿 命 曲 线，得 出 常 温 下 X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢的 Ramberg--Osgood 参数和 Manson--Coffin 参数． ( 3) X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢的转变寿 命 NT约为 1 300 次． 寿命 N 低于 1 300 周次时，塑性 应变占优势，属于低周疲劳． 寿命 N 高于 1 300 周次 时，弹性应变占优势，属于高周疲劳． ( 4) 在低周疲劳过程中，拉应力峰值的降幅大 于压应力峰值，拉伸卸载弹性模量 ENT下降幅度大 于压缩卸载弹性模量 ENC下降幅度． 迟滞回线面积 逐渐减小． ( 5) 随着应变幅值的增大，X12CrMoWVNbN10-- 1--1 转子钢低周疲劳的循环软化程度增加，应力下 降幅度增加，软化速率提高． ( 6) X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢在应变量 等幅增长的条件下，应变幅越高，稳定循环阶段的应 力增长幅度越小． ·844·

第7期 吴海利等：X12 CrMoWVNbN101-1转子钢室温低周疲劳特性 ·845 参考文献 parameters on low circle fatigue life.Mater Mech Eng,2008,32 [1]Mao X P,Liu Z D,Yang K,et al.An experimental study on the (12):22 low cycle fatigue behaviors of 30Cr2MoV steel for rotors at elevated (刘长虹，轩福贞.对低周疲劳寿命有重要影响试验参数的确 temperatures.Proc CSEE,2002,22(6):119 定方法.机械工程材料，2008,32(12)：22) (毛雪平，刘宗德，杨昆，等.30C2MoV转子钢高温下的低周 [5]Li S M.Mechanical Fatigue and Reliability Design.Beijing:Sci- 疲劳特性实验研究.中国电机工程学报，2002,22(6)：119) ence Press,2007 [2]General Administration of Quality Supervision,Inspection and (李舜酩.机械疲劳与可靠性设计.北京：科学出版社，2007) Quarantine of the People's Republic of China (AQSIQ),Standard- [6]Xu C,Yang Z G,Wang W X,et al.Research on low cycle fatigue ization Administration of the People's Republic of China.GB/T properties of P/M super alloy FGH95.Gas Turbine Exp Res, 15248-2008 The Test Method for Axial Loading Constant-ampli- 2003,16(3):16 tude Lowycle Fatigue of Metallic Materials.Beijing:China (许超，杨治国，汪武样，等.FGH95粉末高温合金低周疲劳性 Standard Press,2008 能研究.燃气涡轮试验与研究，2003,16(3)：16) (中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准 7]Sun Q M.Study on Low-eycle Fatigue Properties of 30CrlMolV 化管理委员会.GB/T15248一2008金属材料轴向等幅低循环 Steam Turbine Rotor Steel [Dissertation].Changsha:Changsha 疲劳试验方法北京：中国标准出版社，2008) University of Science Technology,2007:30 [Mo D F,He G Q,Zhu Z Y,et al.Low cycle fatigue behavior and (孙清民.汽轮机转子钢30C1MolV低周疲劳特性研究[学位 its mechanism of AlSi-0.3Mg alloy.Spec Cast Nonferrous Alloys, 论文].长沙：长沙理工大学，2007：30) 2008,28(7):493 [8]Zhang Y,Lu C P,Rui Z Y.Life prediction of 45 steel in low cy- (莫德锋，何国求，朱正字，等.A-7Si0.3Mg合金低周疲劳行 cle fatigue.Mater Mech Eng,2007,31 (6):26 为及其机理.特种铸造及有色合金，2008,28(7)：493) (张赟，鲁春朋，芮执元.低周疲劳下45钢的寿命预测.机械 4]Liu C H,Xuan FZ.A determination method of important affecting 工程材料，2007,31(6)：26)

第 7 期 吴海利等: X12CrMoWVNbN10--1--1 转子钢室温低周疲劳特性 参 考 文 献 ［1］ Mao X P，Liu Z D，Yang K，et al． An experimental study on the low cycle fatigue behaviors of 30Cr2MoV steel for rotors at elevated temperatures． Proc CSEE，2002，22( 6) : 119 ( 毛雪平，刘宗德，杨昆，等． 30Cr2MoV 转子钢高温下的低周 疲劳特性实验研究． 中国电机工程学报，2002，22( 6) : 119) ［2］ General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People's Republic of China ( AQSIQ) ，Standard￾ization Administration of the People's Republic of China． GB /T 15248—2008 The Test Method for Axial Loading Constant-ampli￾tude Low-cycle Fatigue of Metallic Materials． Beijing: China Standard Press，2008 ( 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准 化管理委员会． GB /T 15248—2008 金属材料轴向等幅低循环 疲劳试验方法． 北京: 中国标准出版社，2008) ［3］ Mo D F，He G Q，Zhu Z Y，et al． Low cycle fatigue behavior and its mechanism of Al-7Si-0. 3Mg alloy． Spec Cast Nonferrous Alloys， 2008，28( 7) : 493 ( 莫德锋，何国求，朱正宇，等． Al--7Si--0. 3Mg 合金低周疲劳行 为及其机理． 特种铸造及有色合金，2008，28( 7) : 493) ［4］ Liu C H，Xuan F Z． A determination method of important affecting parameters on low circle fatigue life． Mater Mech Eng，2008，32 ( 12) : 22 ( 刘长虹，轩福贞． 对低周疲劳寿命有重要影响试验参数的确 定方法． 机械工程材料，2008，32( 12) : 22) ［5］ Li S M． Mechanical Fatigue and Reliability Design． Beijing: Sci￾ence Press，2007 ( 李舜酩． 机械疲劳与可靠性设计． 北京: 科学出版社，2007) ［6］ Xu C，Yang Z G，Wang W X，et al． Research on low cycle fatigue properties of P /M super alloy FGH95． Gas Turbine Exp Res， 2003，16( 3) : 16 ( 许超，杨治国，汪武祥，等． FGH95 粉末高温合金低周疲劳性 能研究． 燃气涡轮试验与研究，2003，16( 3) : 16) ［7］ Sun Q M． Study on Low-cycle Fatigue Properties of 30Cr1Mo1V Steam Turbine Rotor Steel ［Dissertation］． Changsha: Changsha University of Science ＆ Technology，2007: 30 ( 孙清民． 汽轮机转子钢 30Cr1Mo1V 低周疲劳特性研究［学位 论文］． 长沙: 长沙理工大学，2007: 30) ［8］ Zhang Y，Lu C P，Rui Z Y． Life prediction of 45 steel in low cy￾cle fatigue． Mater Mech Eng，2007，31( 6) : 26 ( 张赟，鲁春朋，芮执元． 低周疲劳下 45 钢的寿命预测． 机械 工程材料，2007，31( 6) : 26) ·845·