600 MPa级磁轭用钢循环载荷下的温度变化与疲劳极限评定

王世海 付培茂 曹永录 薛永平 王树邦 王卓然 王文先 闫志峰

(1.山西太钢不锈钢股份有限公司 技术中心，山西 太原 030003； 2.太原理工大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024)

磁轭是连接转子体轴与磁极的连接体，是水轮机机组转子结构中的关键部件[1]，用多片磁轭钢板叠装而成。为保证水轮机机组的平衡与稳定，要求磁轭钢板具有较高的表面质量和装配精度。随着百万千瓦级水电机组的成功研发，对磁轭钢板的强度要求也更为严格[2- 3]。

600 MPa级磁轭用钢属于低碳微合金钢，具有较高的静载强度和断裂韧性，目前应用较为广泛。但磁轭在使用中承受循环载荷的作用，因此研究其循环断裂行为和疲劳极限的评定具有重要意义[4- 5]。

常规疲劳极限测试存在试样多、试验周期长等缺点。基于能量转化理论，材料在循环变形过程中表面温度会发生规律性变化，故可以利用温度的变化预测材料的疲劳极限。红外热像法是通过测量材料发生位错滑移等变化引起的能量变化来反映材料表面温度场的差异。相比于传统测试方法，红外热像法具有试样少、耗时少、测试精确等优点[6- 10]。

本文采用红外热像法分析材料疲劳过程中的温度变化、断裂以及在疲劳过程中的循环变形行为，对载荷与温度稳定值进行线性拟合，评定600 MPa级磁轭用钢的疲劳极限。

1 试验材料及方法

研究用材料为4 mm厚的600 MPa级磁轭用钢板，其化学成分如表1所示。

表1 研究用600 MPa级磁轭用钢的化学成分(质量分数)

参照GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第一部分：室温试验方法》制备拉伸试样，其尺寸如图1所示，拉伸试验的加载速率为1 mm/min。

图1 拉伸试样的尺寸

疲劳试验在SDS- 100电液伺服疲劳试验机上进行，参照GB/T 3075—2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》加工试样，表面粗糙度小于0.2 μm，其尺寸如图2所示。拉伸和疲劳试验过程中采用VarioCAM®hr红外热像仪测定材料表面温度。为提高试样表面的发射率，确保温度数据的准确稳定，在试样表面涂一层黑色哑光漆。疲劳试验在室温下进行，试验应力比为-1，加载频率为20 Hz。疲劳试验机与红外热像仪如图3所示。

图2 疲劳试验试样的尺寸

图3 SDS- 100电液伺服疲劳试验机(a)和VarioCAM®hr红外热像仪(b)

2 结果与分析

2.1 拉伸试验结果

2.1.1 基于应力- 应变曲线的拉伸性能评定

600 MPa级磁轭用钢的拉伸应力- 应变曲线如图4所示，拉伸性能如表2所示。从拉伸应力- 应变曲线可以看出，试验结果的重复性较好，钢的平均抗拉强度为726 MPa，平均屈服强度为659 MPa。

图4 600 MPa级磁轭用钢的拉伸曲线

表2 600 MPa级磁轭用钢的拉伸性能

2.1.2 基于温度- 应力- 应变的拉伸性能评定

拉伸过程中600 MPa级磁轭用钢的应力- 应变曲线与试样表面温度变化之间的关系如图5所示，拉伸变形主要包括弹性变形、 弹塑性变形及塑性变形3个阶段。与应力- 应变曲线相对应，温度变化可分为弹性下降阶段、塑性上升阶段、断裂时的温度骤升阶段以及试样断后的温度下降阶段。

图5 600 MPa级磁轭用钢的拉伸曲线和温度变化

材料拉伸初期的温度下降阶段可用热弹性效应进行分析，其本构关系为[11- 13]：

(1)

基于应力- 应变- 温度方程之间的关系，控制方程由方程中的热传导部分给出：

(2)

式中：T为绝对温度;α为线膨胀系数;Cε为恒应变比热容;ρ为材料密度;σij为应力变化的张量;Q为热输入;εij为应变变化的张量。

恒压比热容和恒应变比热容之间的换算关系为：

(3)

拉伸过程属于单轴受载，式(3)可简化为：

(4)

随着拉伸过程的持续进行，材料迅速进入塑性变形阶段。由于材料的加载速率不变，塑性变形量呈线性增大。由于热塑性效应，温度也呈线性升高[12]。温度从下降到上升的转折点B′与材料拉伸过程中的屈服点B相对应，即材料拉伸过程中由弹性变形阶段进入塑性变形阶段是一个温度下降再上升的过程。随着应变的持续增大，材料出现颈缩。表3为各变形阶段试样表面的温度，可以看出，颈缩处的温度高于其他部位，断裂前材料颈缩处温度仍不断升高，直至断裂。加载至D点时试样处于断后冷却阶段，温度逐渐下降至室温。

表3 拉伸试验过程中试样表面温度的变化

2.2 疲劳试验结果

2.2.1 基于S-N曲线的疲劳极限评定

疲劳试验的应力幅值分别为225、270、300、320、340、350和390 MPa。应力幅值与循环次数的对应关系如表4所示。采用最小二乘法拟合的600 MPa级磁轭用钢在失效概率水平(P)为50%、置信度为95%时的S-N曲线如图6所示。拟合的S-N曲线的直线方程为lgσa=-0.09lgN+3.03。测得107循环次数下的疲劳极限为270 MPa。

表4 疲劳试验过程中应力幅值与其对应的循环次数

图6 600 MPa级磁轭用钢的S- N曲线

2.2.2 疲劳过程中的变形行为

疲劳试验时采用红外热像仪测定试样疲劳过程中的温度变化。在350 MPa应力幅值条件下进行疲劳试验时试样表面温度的变化如图7所示。图7表明，温度变化可分为初始温升、温度平衡、断裂温度陡升和断后冷却4个阶段。

图7 600 MPa级磁轭用钢以350 MPa的载荷疲劳试验过程中的温度变化

在初始温升阶段，试样产生局部塑性变形并释放能量， 且大部分能量以热能的形式释放。加载初期塑性变形产生的能量大于散热量，温度显著升高；在温度平衡阶段，由于加工硬化，循环应力和应变趋于稳定。同时，在循环载荷下，由于外加载荷产生的热量与散失的热量平衡，导致试样表面温度趋于稳定；在接近最终疲劳断裂时试样的温度突然升高。温升速率ΔT与材料疲劳寿命之间的关系为[14- 16]：

(5)

式中：t为循环时间，Nf为失效循环次数，C′、G、b′为与材料性能和试验环境有关的系数。

以350 MPa的载荷疲劳试验过程中600 MPa级磁轭用钢的循环应力- 应变曲线如图8(a)所示。虽然载荷低于钢的屈服强度，但随着循环周次的增加，循环应变向右偏移。图8(b)中数据点为350 MPa载荷下循环应变的最大位移值，根据数据点进行线性拟合，得出蓝色3段线。可见，在20 000个循环周次内，材料发生显著塑性变形，曲线快速上升，与图7初始循环过程中温度线性上升的规律相对应。随着循环次数的增加，因加工硬化，只产生微小的塑性变形，曲线趋于平缓；在最后几个循环过程中，材料处于失稳状态，变形快速增大，试样的表面温度也如图7所示的快速升高。

图8 以350 MPa的载荷疲劳试验时600 MPa级磁轭用钢的循环应力- 应变曲线(a)和循环次数- 应变曲线(b)

2.2.3 基于温度变化的600 MPa级磁轭用钢疲劳极限评定

以不同载荷疲劳试验过程中试样的温度变化如图9(a)所示，不同应力幅下材料的温度变化趋势基本相同。当施加的载荷较大时，随着载荷的增大，试样的温升也增大。施加的载荷较小时，温度平稳阶段的时间几乎为疲劳寿命的90%。以不同载荷疲劳试验过程中试样温度达到稳定阶段的温升值如表5所示。在低应力状态下，温度升高的速率较小。当应力幅较大时，试样温升值也增大。分别在低应力和高应力下对应力幅值与温升值进行线性拟合，结果如图9(b)所示。两直线的交点即为600 MPa级磁轭用钢产生明显塑性变形的拐点。

图9 以175～390 MPa载荷疲劳试验过程中试样的温升(a)和温升随疲劳应力的变化(b)

表5 以不同载荷疲劳试验过程中温度稳定时试样的表面温升

金属材料疲劳断裂过程主要包括裂纹萌生、扩展、断裂3个阶段。裂纹萌生与材料不可逆变形有关。因此，图9(b)中的拐点与循环载荷下的裂纹萌生有关，为材料的疲劳极限。根据温度- 应力曲线测定的疲劳极限为277 MPa，与根据图6所示的S-N曲线测定的疲劳极限270 MPa相比仅相差2.5%。

3 结论

(1)600 MPa级磁轭用钢疲劳试验过程中的温度变化可分为初始温升、温度平衡、断裂温度陡升及断后冷却4阶段，采用红外热像仪可对材料的疲劳过程进行动态监测。

(2)600 MPa级磁轭用钢疲劳过程中的循环变形过程可分为循环变形量增大、加工硬化导致的变形稳定及变形量陡增3个阶段，与疲劳过程中的温度变化过程相对应。

(3)采用传统试验方法评定的600 MPa级磁轭用钢的疲劳极限为270 MPa，采用红外热像法测定的600 MPa级磁轭用钢的疲劳极限为277 MPa，两者相差2.5%，说明采用红外热像法测定600 MPa级磁轭用钢的疲劳性能是可行的。