本研究由Xiongfei Wang、Chendong Shao、Xia Liu和Fenggui Lu（通讯作者）合作完成，研究团队来自上海交通大学材料科学与工程学院（Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification）以及上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂（Shanghai Turbine Plant of Shanghai Electric Power Generation Equipment Co. Ltd.）。研究成果发表于《Journal of Materials Science & Technology》2018年第34卷，页码720-731。

学术背景

该研究聚焦于超超临界（Ultra-Super-Critical, USC）电站汽轮机转子的关键材料——改性9Cr/CrMoV异种钢焊接接头在高温（500℃）下的低周疲劳（Low-Cycle Fatigue, LCF）行为。随着全球电力需求激增，火力发电占比超80%（中国数据），但传统热电厂效率低且环境负面影响显著。USC技术通过提高工作参数（如温度、压力）提升效率，但要求材料具备更优异的综合性能。转子作为汽轮机核心部件，通常由不同温度段材料（改性9Cr钢用于620℃高压段，CrMoV钢用于565℃中压段）通过窄间隙埋弧焊（Narrow-Gap Submerged Arc Welding, NG-SAW）连接。然而，异种钢化学成分和力学性能差异导致焊接接头成为薄弱环节，尤其在启停和功率瞬变工况下，LCF失效可能引发严重事故。此前研究多关注室温LCF行为，而高温下的失效机制尚不明确，因此本研究旨在揭示高温LCF断裂位置转移行为及其机理。

研究流程

1. 材料制备与焊接工艺

   • 基材与焊材：选用改性9Cr钢（9Cr-BM）和CrMoV钢（CrMoV-BM），填充金属为2CrMoV（成分见表1）。采用U型坡口设计（角度1°，底部宽度20mm），先进行窄间隙钨极气体保护焊（NG-GTAW）打底，再通过NG-SAW多层多道焊填充（热输入15 kJ/cm）。焊后进行560℃×30小时的后热处理（PWHT）以消除残余应力。
     
   • 试样加工：从焊接接头垂直熔合线方向截取LCF试样（标距段直径10mm，长度30mm），仅研究NG-SAW部分（图1）。
     

2. LCF测试

   • 实验条件：在500℃大气环境下，采用轴向应变控制（应变比R=-1，应变速率4×10⁻³/s），应变幅范围0.22%~0.75%（含0.25%、0.35%、0.375%、0.5%、0.6%的重复试验）。定义失效为应力幅下降50%或试样断裂。
     

3. 微观组织与断口分析

   • 显微组织观察：使用光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）分析基材（BM）、热影响区（HAZ）和焊缝金属（WM）。CrMoV侧HAZ细分为过回火区（OTZ）、细晶区（FGZ）和粗晶区（CGZ）。
     
   • 硬度测试：维氏硬度（载荷9.8N，保持15s）测量接头各区域。
     
   • 电子背散射衍射（EBSD）：通过局部取向差（Local Misorientation）和应变分布图量化塑性应变积累。
     

4. 数据分析方法

   • 循环应力-应变（CSS）曲线：采用Ramberg-Osgood方程拟合，揭示双斜率行为（转折点Δεₚ/2=0.15%）。
     
   • Manson-Coffin（M-C）曲线：基于塑性应变幅与失效循环次数的关系建立寿命预测模型。
     
   • 塑性应变能模型：通过滞回环面积计算能量耗散（ΔWₚ=BNᵦ），评估损伤累积。
     

主要结果

1. 断裂位置转移现象

   • 低应变幅（Δεₜ/2<0.4%）：断裂发生于CrMoV-BM，归因于温度软化效应（硬度从255HV降至约240HV）与OTZ循环强化（硬度从220HV升至255HV）的共同作用。
     
   • 高应变幅（Δεₜ/2≥0.4%）：断裂转移至CrMoV-OTZ，因其晶界数量与CrMoV-BM相当但硬度最低（图10b）。
     

2. 微观机制

   • EBSD分析：低应变幅下CrMoV-BM局部取向差更大（图13b-2），变形晶粒占比61.2%（OTZ为47.3%）；高应变幅下OTZ塑性应变积累更显著（图14d-1）。
     
   • 断口形貌：多表面裂纹起源（无夹杂物）为主，低应变幅时伴随“鱼眼状”内部裂纹（富O/Al/Ca夹杂引发，图11d-e）；高应变幅断口疲劳辉纹更清晰（图12c），反映OTZ塑性更优。
     

3. 双斜率行为

   • CSS与M-C曲线均显示Δεₜ/2=0.15%的转折点：低应变区（Δεₜ/2<0.15%）实际寿命低于传统模型预测，高应变区（Δεₜ/2≥0.15%）循环硬化能力显著增强（表3）。
     

结论与价值

1. 科学意义：首次揭示了改性9Cr/CrMoV接头高温LCF断裂位置转移的临界应变幅（0.4%）及微观机制，提出双斜率模型可更精确预测低应变幅寿命。
   
2. 工程价值：为USC转子焊接工艺优化（如OTZ硬度调控）和寿命评估提供理论依据，避免低应变幅下的保守设计或高应变幅下的过早失效。
   

研究亮点

• 创新方法：结合EBSD应变定量分析与硬度分布，阐明断裂转移的竞争机制（温度软化 vs. 循环强化）。
  
• 现象发现：明确LCF失效由“基材主导”向“HAZ弱区主导”转变的临界条件，填补高温LCF行为研究空白。
  
• 模型修正：通过双斜率CSS/M-C曲线改进传统寿命预测模型，提升低应变幅工况的准确性。
  

其他价值

研究指出CrMoV-OTZ的碳迁移现象（图7d）可能成为高周疲劳（HCF）裂纹源，为后续多轴疲劳研究提供方向。此外，能量法的良好相关性（R²≈1）为损伤累积理论提供了实验支持。