采用 光 滑缺 口 組合試樣 , 進行 高溫持久 強 度試驗 , 考核持久 強 度和缺 口 敏感性 兩個指 標 , 并采用 了變載 的方 法 , 既 節(jié)約 了 能源 , 又 縮短 了試 驗周 期 。 對二 百 多根試 樣 的 持 久壽命做 了統(tǒng)計 分析 , 論證 了 它們 的 對數(shù)服從正 態(tài)分布 。
GH4145/SQ合金大量用于制造引進型 汽輪機的高溫螺栓、密封環(huán)、汽封彈簧片等零 件。STC于1983年11月向上鋼五廠提出共 同研制引進30萬千瓦汽輪機螺栓鋼 GH4145,并于1984年9月正式投入了棒材 的試制工作,經(jīng)過3年的努力,取代了 R26 合金螺栓材料。按GH4145訂貨技術(shù)規(guī)范, 要求每爐材料都要進行短時持久強度試驗。 如果按正常的試驗方法,每根試樣一般需要 1000-10000小時,現(xiàn)在采用光滑一缺口組 合試樣,并改變了以往常規(guī)持久試驗強度預 測概念,采用570C溫度、604MPa應力條件, 壽命大于108小時后,每隔12小時增加應力 34.3MPa,第七次加荷至試驗機的最大承受 力29400N,直至試樣斷裂。迄今為止,我們 已做了三百多根試樣的快速持久試驗,并對 其中任取的二百多根試樣的壽命的分布規(guī)律 進行統(tǒng)計分析。繪圖后,發(fā)現(xiàn)它們的斷裂時 表 間一般是有差別的,但這種離散具有一定規(guī) 律性,并服從對數(shù)正態(tài)分布,本文就上述工作 進行分析研究與探討。
2材料概況
GH4145合金是以鋁鈦鴕強化的棵基合 金,在INCNELX-750基礎(chǔ)上進行改進,添 加了微量元素而研制成的。該合金提高了持 久塑性,降低了缺口敏感性,具有較高的高溫 性能、高抗應力松弛性、抗應力腐蝕性、低熱 膨脹系數(shù)等優(yōu)點,從而取代了引進的大型火 電機組中作為螺栓材料使用的R26合金,用 于300MW汽輪機高溫緊固件;而且,在提高 汽輪機高溫緊固件工作可靠性、節(jié)省戰(zhàn)略資 源鉆、節(jié)約外匯以及降低生產(chǎn)成本方面都比 R26合金略勝。
GH4145簡介:
GH4145合金主要是以γ"[Ni3(Al、Ti、Nb)]相進行時效強化的鎳基高溫合金,在980℃以下具有良好的耐腐蝕和耐氧化性能,800℃以下具有高的強度,540℃以下具有好的耐松弛性能,同時還具有良好的成形性能和焊接性能。該合金主要用于制造發(fā)動機在800℃以下工作并要求強度高的耐松弛的平面彈簧和螺旋彈簧。還可用于制造氣輪機渦輪葉片等零件。
材料牌號
GH4145(GH145)
相近牌號
Inconel X-750(美國),NiCr15Fe7TiAl(德國),NC15FeTNbA(法國),NCF750(日本)
GH4145化學成分:
金相組織結(jié)構(gòu):
合金標準熱處理狀態(tài)的組織由γ基體、Ti(C、N)、Nb(C、N)、M23C6碳化物和γ'[Ni3(Al、Ti、Nb)]相組成,γ'含量大約為14.5%,是合金的主要強化相。
工藝性能與要求
1.合金的鍛造溫度在1220~950℃之間均易成形。該合金在劇烈成形工序后就進行固溶處理。
2.該合金的晶粒度平均尺寸與鍛件的變形程度、終鍛溫度密切相關(guān)。
3.合金具有好的焊接性能,可進行各種焊接。焊接后進行時效處理可獲得近似熱處理狀態(tài)的強度。
4.零件熱處理就在無硫的中性或還原性氣氛中進行,以免發(fā)生硫化。
熱處理制度
板、帶、管材供應狀態(tài)的固溶熱處理制度980℃±15℃,空冷。材料及零件的中間熱處理制度,可分別選擇下列工藝進行熱處理。
退火:955~1010℃,水冷。
焊接件焊接前退火:980℃,1h。
焊接件消除應力退火:900℃,保濕2h。
消除應力退火:885℃±15℃,24h,空冷。
合金采用電弧爐加真空自耗重熔、真空感應加電渣、電渣加真空自耗重熔或真空感應加真空自耗重熔。
應用概況與特殊要求
該合金主要用于制造發(fā)動機工作溫度在540℃以下的耐腐蝕的平面波形彈簧、周向螺旋彈簧、螺旋壓簧、彈簧卡圈和密封圈等零件。
2. 技術(shù)條件
(1) 化學成份(表1)
(2) 冶煉方法:真空感應+電渣
(3) 熱處理規(guī)范:11001140C
10C2A 空冷 + 845 ± 10C24/1 詩 705 10C20A空冷
⑷金相組織:奧氏體基體"相(Ni3Al 和Ni3Ti)以及MC和M23G型碳化物。
(5)持久強度(表2)
3試驗條件的確定
1.試驗機:RL - 3/4型持久試驗機或 RD2-3型蠕變持久試驗機。
2.試樣:采用光滑缺口組合試樣,考核 其缺口敏感性和持久性能,并且節(jié)約試材。
試驗方法:試驗在規(guī)定應力604MPa 和規(guī)定溫度570X:下持續(xù)108小時后,每隔 12小時增加應力34.3MPa,采用直徑為 6.45mm的3.試樣時,
△P =NS = 34.3 7t/4 (6.45)2 ell21N
考慮試驗機最大載荷為29400N,故第七 次加荷至29400N直到試樣斷裂。
試驗周期:108小時(4.5天)+變載 加荷(4天)=8.5天可做完一根試樣。
4持久強度參考值
5等溫變載下持久強度斷裂時 間的分布規(guī)律
GH4145合金持久試驗的原材料,采用 相同的熱處理規(guī)范,試樣尺寸相同,均采用光 滑-缺口持久試樣,溫度控制:波動W±3C, 梯度<3X2,負荷精度< 1%,在570C、 604MPa試驗條件下,任取205個變載持久 壽命(以下簡稱持久壽命)數(shù)據(jù)。
趣茹自又哄態(tài)母體, 験 判假醐可靠度。
1.正態(tài)概率紙檢驗
對205個持久壽命數(shù)據(jù)減去180小時 (因每根試樣壽命均大于180小時)后逐一取 對數(shù),并按數(shù)值大小適當分組。表4中各列 分別是它們的數(shù)組(X)、區(qū)間(T)與落在各區(qū) 間范圍內(nèi)的頻數(shù)(N)、累計頻數(shù)(M)、累計頻 率(P)。圖1為頻數(shù)波形圖??紤]到試驗機 試驗時外界條件的影響和材質(zhì)處理等諸方面 的因素,刪除前面2個數(shù)組的數(shù)據(jù),得到表5 和圖2;并以表5數(shù)據(jù)中區(qū)間(T1)的下限值 為橫座標,以累計頻率(P1)為縱座標,在正 態(tài)概率紙上描點,得到圖3。用概率紙檢驗, 如果呈直線則不拒絕原假設(shè),由圖3可見,不 能否定對數(shù)母體的正態(tài)性假設(shè)。
2.X2-檢驗
如果假設(shè)H。:持久壽命的對數(shù)服從正態(tài) 分布。根據(jù)皮爾遜定理:當子樣數(shù)足夠大 時,不管母體是什么分布,統(tǒng)計量D = 弋=(N* - nPkY/nPk 一定服從X2(m - 1) 分布(其中",:子樣分組數(shù);N*落在第K組 的子樣數(shù);R:子樣落在第K組內(nèi)的概率。K =l,2,3,4,--)o根據(jù)X2分布,在給定顯著 水平a下,有相應的臨界值,而當D < Da 時,假設(shè)成立;當Dn>Da時,可以拒絕原 假設(shè)H。。經(jīng)計算:D" = 8.1046,取顯著水平 a = 0.1,Db = 10.6o顯然,有 D < Da,因 此,不能拒絕原假設(shè)H。。持久壽命的對數(shù)服 從正態(tài)分布。
3.X-檢驗假設(shè)H。:持久壽命的對數(shù)服從正態(tài)分 布。根據(jù)柯爾莫哥洛夫定理:當子樣數(shù)n足夠 大時,統(tǒng)計量
An = ~J~n Dn
=~J~n , Sup I F(z) - Sn(j:) I
-00 < x < 00
服從人-分布。 其中 n——子樣數(shù)
F(J7) 假設(shè)分布
S“(x)——經(jīng)驗分布可取為 k/n(k:按子樣數(shù)值大 小排列的次第數(shù),可取
l,2,3,4---n)
Dn = Sup I F(x) - Sn(x) I
在工的所有取值范圍內(nèi)假設(shè)分布與經(jīng)驗分布 之差的上界
根據(jù)人-分布,在給定顯著水平a下,有 相應的臨界值",當從< Ao時無理由拒絕 H。,當島2從時可以拒絕原假設(shè)H。。經(jīng)計算 An = 1.0929,在顯著水平a = 0.1下相應的 臨界值為Ao = 1.2240顯然An <如,所以沒 有理由拒絕原假設(shè)H。。持久壽命的對數(shù)服從 正態(tài)分布。
以上三種檢驗方法均得出持久壽命的對. 數(shù)服從正態(tài)分布。
4結(jié)論
1.該高溫合金材料經(jīng)過一定時間的恒 溫、恒應力的持久強度試驗后,可采用變載的 方法來考核持久強度試驗的塑性指標,這樣 既可以縮短試驗周期,又可節(jié)能。
2.對缺口比較敏感的材料,可用缺口- 光滑持久組合試樣,考核缺口敏感性和持久 性能。
通過對GH4145合金試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng) 計分析,認為其高溫變載持久壽命服從對數(shù) 正態(tài)分布。