Page 21 - 理化检验-物理分册2018年第十一期
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孙 雄, 等: 汽轮机IN７８３ 合金螺栓的断裂行为
表 １ 裂源区附着物的化学成分( 质量分数) 合金组织及性能有重要影响 [ １１Ｇ１３ ] ; 当二次 相含量
β
Tab敭１ Chemicalcom p ositionsoftheattachments 达１５％ ( 面积分数) 时, 对提高合金的抗裂纹扩展能
atcracksourcere g ion massfraction ％
力和抗应力加速晶界氧化能力更明显 [ １ ] .
项目 O Fe Co Ni
３．５ Ⅱ 类断裂特征、 原因及预防
B２ 试样 ３０．５５ ２６．１４ ３３．７８ ９．５３ Ⅱ 类断口形貌与图１０ 中 B２ ( ６５０℃ / ３４５h ) 试
C３ 试样 ２４．４６ ２８．１８ ３８．８３ ８．１２
C５ 试样 １１．８４ ５３．５０ ３４．６６ － 样断口形貌类似, 以沿晶形貌为主, 晶粒表面有轻
微氧化腐 蚀 痕 迹, 说 明 此 类 试 样 高 温 氧 化 时 间 较
３．３ 断裂行为的影响因素 短, 应 力 占 主 导 作 用. B２ 试 样 初 始 应 力 为
持久试验结果表明: 在 ６００ ℃ 及 ６５０ ℃ 下试验 ５００ MPa , 如果在 ６００ ℃ 试 验 ３４５h 后 断 裂, 则 其
时, 材料具有强烈的时效硬化倾向, 而在７５０℃ 下时 应力会更 高, 这 个 水 平 远 高 于 螺 栓 稳 态 运 行 时 的
效硬化消失, 持久强度急剧下降, 同时材料具有很好 工作应力, 因此此类断裂可能在启动初期、 预紧力
的延展性.这与 IN７８３ 合金螺栓实际断裂 模式相 过大且应力松弛 前 发 生 ( 此 时 还 存 在 温 差 应 力),
吻合, 该螺栓运行温度为６００℃ , 处于时效脆化敏感 或者强力 拆 卸、 冲 击 载 荷 过 大 时 发 生. Ⅱ 类 断 口
的温度, 发生的断裂均为无明显变形的脆性断裂. 常发生 在 加 热 孔 底 部, 此 处 外 有 螺 纹、 内 有 退 刀
对于持久试样断口裂纹源的观察发现: ６００ ℃ 槽, 在受到外部载荷时应力集中程度较大, 且热紧
及 ６５０ ℃ 试样的裂纹源均位于试样自由表面, 高应 加热时容 易 发 生 局 部 超 温, 这 些 因 素 都 会 倾 向 于
力短时持久试样裂纹源倾向于表面的本身缺陷, 随 导致螺栓发生短时沿晶脆性断裂.
着时间的延长, 裂纹源往往为表面的氧化开裂; 断裂 Ⅱ 类断裂以应力占主导, 往往发生在应力集中
模式亦从 Ⅱ 类时效脆性断裂模式转变为 Ⅰ 类沿晶氧 程度很高的位置, 如加热孔底退刀槽、 螺母拧紧第一
化脆性断裂模式. 齿等; 可以通过降低应力集中程度来预防, 如提高加
温度对IN７８３ 合金的抗氧化性能也有显 著影 工精度、 将螺栓设计为通孔等, 同时应避免强力拆装
响, 有文献表明 [ ８ ] , 由于不同温度生成的氧化物不 螺栓而使螺栓受到较大冲击载荷.
同, 该合金 ８００ ℃ 时的氧化抗力反而比 ７００ ℃ 时的
高, 因此IN７８３ 合金螺栓在 ６００ ℃ 下使用的适用性 ４ 结论
还有待研究. ( １ )温 度 对 持 久 断 裂 行 为 的 影 响 较 大, ６００~
３．４ Ⅰ 类断裂特征、 原因及预防 ６５０ ℃ 运行初期IN７８３ 合金具有强烈的时效硬化倾
Ⅰ 类断裂的断口形貌与 C３ , C５ 持久试样断口 向, 具有相 当 的 强 度, 但 时 效 脆 性 较 大, 持 久 塑 性
形貌比较 类 似, 断 口 附 近 试 样 自 由 表 面 有 氧 化 开 较低.
裂, 断面被 氧 化 腐 蚀 产 物 覆 盖. 此 类 断 裂 有 足 够 ( ２ )时间对断裂模式影响亦较大: 时间长, 表面
的时间发生晶界氧化, 初始应力相对较低, 在应力 的氧化开裂成为裂源, 断裂形式倾向于沿晶氧化模
的促进下, 氧在晶界逐渐扩散, 生成的氧化物使晶 式, 形成粗糙不平的氧化腐蚀断口, 应力起到促进氧
界发生脆化 [ ９Ｇ１０ ] , 并逐渐形成晶间裂纹.实际运行 在晶界扩散的作用; 时间短, 晶界氧化作用较小, 应
中的 Ⅰ 类 断 口 应 力 更 为 复 杂, 由 于 沿 晶 氧 化 裂 纹 力占主导, 材料的时效脆性导致高应力位置缺陷处
的扩展不确定性, 形成了基本垂直于主应力方向、 发生沿晶脆性断裂, 此类断裂容易发生在内、 外表面
无裂纹扩 展 特 征 的 粗 糙 不 平 断 口, 断 裂 模 式 为 长 应力集中及加工缺陷位置.
时沿晶氧化断裂. ( ３ ) IN７８３ 合金螺栓失效模式主要分为沿晶氧
Ⅰ 类断裂主要原因为沿晶氧化, 可以归为应力 化脆性断裂模式和时效脆性断裂模式, 通孔设计避
腐蚀的一种, 往往起源于内壁微小氧化缺陷处以及 免了加热孔底部的加工难题, 可以有效减少时效脆
工作应力较大位置, 如光杆变径处, 内壁微小氧化缺 性断裂的发生, 但对沿晶氧化脆性断裂并无预防作
陷可能是由加热棒的局部高温加热烧损引起, 也可 用.通过规范热处理( 特别是 时效处理) 提高材料
β
能是长期运行后的表面氧化开裂所致; 预防该类断 的晶界抗氧化性能是解决 IN７８３ 合金螺栓频繁断
裂应注意防止热紧时内壁局部超温, 且应提高螺栓 裂的主要途径, 此外应防止强力拆卸螺栓和热紧时
热处理质量, 特别是 β 时效处理的质量.大量研究 螺栓内壁局部超温过热.
表明, 是否进行 时效处理对用于汽轮机的 IN７８３ ( 下转第 ８１０ 页)
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