我国目前拥有百万千瓦级核电站环形起重机, 其在核电站设备安装及检修过程中起着非常重要的作用, 如反应堆压力壳及蒸汽发生器等大型部件的搬运都需要起重机来完成, 起重机车轮及水平轮等关键连接结构在运行过程中受力相对复杂^[1]. 环形起重机位于工程安装和机组大修的关键路径上, 如果发生失效, 将引起放射性物质泄漏, 导致核电站的重大事故^[2,3]. 因此, 其对于吊装定位的精确度、可靠性和安全性都有很高的要求, 所用结构材料具有高强度的同时还应具有良好的塑性和韧性. 目前, 国内第三代核电站环形起重机用车轮和水平轮锻件主要采用42CrMo耐热钢, 42CrMo耐热钢属于中碳低合金结构钢, 具有良好的淬透性、高温强度及蠕变性能, 此外42CrMo耐热钢淬火后变形小, 调质后综合力学性能较好^[4-7].

尽管42CrMo钢具有许多优点, 但应用在核电站环形起重机车轮和水平轮上经常出现强度与韧性不匹配的问题, 即在强度满足要求的条件下, 冲击性能不能达标. 类似此类问题在42CrMo钢的其它重要零件制造过程中也普遍存在^[8-12]. 因此, 研究热处理工艺对42CrMo钢组织和力学性能的影响具有重要的理论和现实意义. 42CrMo钢在工程中使用状态通常是调质态, 研究^[13-20]表明, 热处理工艺特别是回火热处理对低合金高强钢的组织和性能具有显著影响, 是提高低合金高强钢综合力学性能的重要手段之一. 目前, 42CrMo钢的研究工作主要集中在工艺实验, 旨在制定合适的热处理制度以满足材料的使用性能要求, 对回火过程中组织演变对力学性能的影响机理的研究^[21]也认为水淬热处理工艺在平衡42CrMo钢的韧性与强度方面有积极的作用.

然而, 材料在进行淬火热处理过程中, 由于结构厚大及复杂等原因, 内外表面及各区域冷却速率差别明显, 致使结构温度分布不均匀, 进而产生残余热应力^[21,22]. 车轮锻件属于厚结构, 淬火过程中外表面与内部冷热速率差异较大, 因此残余应力的存在不容忽视, 淬火残余应力在车轮中的分布状态需要精确说明. 此外, 车轮经过铸造过程有可能产生疏松缺陷, 车轮内部结构不均匀, 故在淬火过程中车轮残余热应力的分布也会变得更加复杂. 故疏松缺陷对车轮在淬火过程中残余热应力的影响如何, 也急需进一步的阐明. 由于疏松缺陷多位于结构内部, 所以很难测得其周围应力场, 而采用有限元法模拟淬火热处理过程能够有效地估算其影响范围^[23,24]. 获得的车轮淬火件应力场可用于研究车轮失效过程, 是解决其内部裂纹扩展及表层脱落问题的关键步骤.

本工作针对42CrMo车轮失效件的裂纹进行宏观与微观分析, 并采用有限元方法模拟车轮锻件热处理过程, 分析车轮淬火热处理后的残余应力分布, 研究疏松缺陷在淬火过程中与裂纹扩展及表层剥落现象的相互关系.

1 实验方法

1.1 疏松缺陷分析及热物性检测

采用化学分析方法测得42CrMo钢材料的成分(质量分数, %)为: C 0.44, Si 0.27, Mn 0.64, S 0.01, P 0.01, Cr 1.0, Ni 0.06, Cu 0.08, Mo 0.15, V<0.01, Nb<0.01. 材料热处理工艺为850 ^oC水淬, 然后580 ^oC回火处理. 车轮锻件轮廓见图1所示, 锻件淬火热处理过程三维尺寸为: 内径70 mm, 外径300 mm, 高120 mm. 先对车轮来料进行解剖分析, 后在裂纹附近截取试样进行渗透探伤和S-3400N 型W灯丝扫描电镜(SEM)观察.

利用RFDA HTVP 1750-C高温模量仪, 采用敲击共振法测量材料的弹性模量、剪切模量和Poisson比. 利用UnithermTM-1252热膨胀仪, 采用顶杆法测量材料的线性热膨胀和平均线膨胀系数. 利用FlashlineTM-5000激光热导仪, 采用非稳态法测量材料的比热容、密度和热导率. 将实验材料42CrMo钢加工成标准的M5圆棒状拉伸试样, 利用Instron5582电子万能实验机从20~850 ^oC进行拉伸实验.

1.2 有限元模型构建及边界条件设定

车轮锻件三维有限元模型的内径70 mm, 外径300 mm, 高120 mm, 由ProE辅助Abaqus^[25]软件构建, 为了减少网格数量和便于对比分析, 锻件内部疏松区域由多个直径1 mm的孔洞组成, 空洞间距固定为1.5 mm, 根据缺陷区域定义长短, 空洞整体数量变化. 如图2所示, xz横截面孔洞保持5×5排列, 1/4对称模型的空洞在xz界面为2.5×5个空洞. 空洞沿车轮轴向方向(即y向)长度为10, 50及80 mm不等, 分别定义为Model-10, Model-50及Model-80, 而Model-0为不含疏松缺陷的车轮有限元模型, Model-10ma为10 mm长疏松缺陷在车轮外边缘的模型. 几个模型的详细信息如表1. 前4个模型中, 疏松区域长度方向垂直于径向并沿车轮高度方向的中分面对称, 经过对称剖分后含缺陷车轮的模型可以简化为1/4模型. Model-10ma模型中的疏松区域位于车轮外边缘处, 可在车轮轴方向选取完整疏松区域, 故经过简化后为1/2模型. 约束条件在图2中给出, 在x, y和z三个方向固定自由度.

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图1   

Fig.1   42CrMo钢车轮锻件的OM像

在Dell PrecisionT7500工作站上采用Abaqus有限元软件模拟分析车轮在淬火过程中的应力场变化. 模型的求解方式选用热应变直接耦合的完全Newton算法, 划分为C3D8R六面体单元. 在淬火有限元模型中, 升温和保温阶段的设置以实际生产工艺为参考: 依据生产炉况, 选择50 ^oC/h的升温速率, 使车轮从20 ℃升温至850 ℃. 根据车轮锻件的有效厚度, 为保证模型芯部至表层的温度均匀, 选择保温时间为4 h^[26], 水中冷却至室温.

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图2   

Fig.2   包含疏松缺陷的42CrMo车轮1/4有限元模型

2 实验结果

实验结果发现, 不仅车轮表面存在剥落, 内部也存在多处裂纹(图3), 裂纹多数垂直于车轮径向, 最长裂纹达8cm, 且位于锻件内部. 在裂纹附近截取试样进行观察, 发现存在疏松和孔洞的缺陷, 经渗透探伤和扫描电镜观察确定裂纹附近存在疏松和孔洞缺陷如图4所示.

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图3   

Fig.3   42CrMo车轮件裂纹和疏松缺陷的OM像

42CrMo钢热物性参数检测结果见表2. 如图5所示, 获得了42CrMo钢在不同温度下的真应变-应力塑性本构关系, 为保证测试数据的可靠性, 每个温度测2个试样. 42CrMo钢的基础物性检测实验结果为后续有限元仿真模拟提供了材料本构方程参数.

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图4   

Fig.4   42CrMo车轮件裂纹的SEM像

3 车轮淬火热处理过程的有限元仿真模拟

3.1 42CrMo钢在水中综合换热系数的确定

采用对称边界条件, 初始条件为室温, 传热条件分为在炉内升温和保温2个阶段, 采用工件和热处理炉内空气的换热系数, 淬火阶段采用水冷过程的换热系数. 淬火时热交换过程过快, 对于车轮模型的应力-应变场影响较大. 为保证模拟结果的可靠性, 实测了42CrMo钢小试样水淬过程中温度与时间之间的关系曲线. 图6为 Abaqus模拟42CrMo钢水中冷却温度变化与实验检测结果比较, 通过逆运算^[27]得到42CrMo钢在水中的综合界面换热系数. 逆运算求得的界面换热系数结果如图7所示, 水冷过程界面曲线的形状呈中间高两边低的形态, 符合通常液体介质的界面换热系数变化规律.

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图5   

Fig.5   不同温度下42CrMo钢的应力-应变曲线

3.2车轮淬火过程的仿真模拟结果

经过Abaqus热应变直接耦合分析, 获得了Model-0, Model-10, Model-50, Model-80及Model-10ma模型的淬火残余应力场, 并根据车轮实体模型建立圆柱坐标系, 研究车轮结构在径向、周向及轴向应力分布情况.

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图6   

Fig.6   实验检测和模拟42CrMo车轮表面的水冷过程温度变化结果对比

3.2.1含内部疏松缺陷的车轮锻件有限元模拟结果 图8给出了几种车轮模型的Mises应力分布结果. 车轮经过淬火处理后内外表面的应力值较大, 含缺陷最大Mises应力值位于疏松区域, 约为1100 MPa; 而无缺陷模型的Mises应力值为750 MPa, 比含缺陷模型低350 MPa. 图9为4种模型淬火过程残余应力分布云图, 模型中的应力均为径向应力, 含缺陷的各模型最大径向应力位于疏松区域, 约为320 MPa, 而不含缺陷模型中的径向应力为287 MPa. 图10为4种模型淬火后周向应力分布云图, 径向应力和周向应力较大, 无缺陷车轮模型的最大值为775 MPa, 而含缺陷车轮模型的最大值出现在疏松区域, 约1300 MPa, 比无缺陷车轮模型高出525 MPa. 图11为车轮经过淬火后轴向应力分布云图, 无缺陷模型中轴向应力最大值为303 MPa, 而含缺陷模型中的最大值位于疏松区域, 约为505 MPa, 轴向应力由于疏松缺陷的存在比无缺陷模型提高了200 MPa以上. 含缺陷模型径向、周向及轴向应力最大值差别不大.

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图7   

Fig.7   根据实验数据反推计算的水冷界面换热系数

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图8   

Fig.8   4种模型的Mises淬火应力对比

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图9   

Fig.9   4种模型径向淬火应力对比

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图10   

Fig.10   4种模型周向淬火应力对比

3.2.2含外边缘疏松缺陷的车轮锻件有限元模拟结果 Model-10ma模型各应力分布结果如图12所示. 图12a为Mises应力分布结果, 最大Mises应力仍然位于疏松缺陷区域, 约为930 MPa, 这个值介于无缺陷模型和缺陷位于车轮模型内部时的结果之间. 图12b为车轮径向应力分布, 总体分布与前述模型大致相同, 但是最大径向应力位于疏松区域, 约为520 MPa, 远远高于前述模型结果. 图12c为车轮周向应力分布结果, 最大应力为730 MPa, 位于车轮内部区域, 这与前述带缺陷模型的结果有很大差别. 图12d为车轮轴向应力分布结果, 最大值位于疏松缺陷处, 约为480 MPa.

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图11   

Fig.11   4种模型轴向淬火应力对比

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图12   

Fig.12   Model-10ma应力分布场分布

4 讨论

42CrMo钢车轮锻件不同部位的成分检测分析说明成分不偏析, 可以排除由于成分偏析引起表皮剥落及内部裂纹的可能性. 而车轮锻件经过淬火热处理后发现内部存在裂纹(图3), 且如图4所示, 裂纹周边及尖端发现了疏松缺陷, 据此可推断, 车轮锻件中含有的疏松缺陷区域有可能在淬火过程中产生应力集中, 由此导致裂纹萌生扩展.

三维车轮有限元模型中的疏松区域采用直径1 mm的多个孔洞有规律的排布来代替, 能够反映出结构不均一带来的应力场分布情况. 除Model-10ma中最大周向应力不在疏松区域范围, 其他结果表明, 较大淬火残余应力都在疏松区域, 即疏松区域是对淬火残余应力十分敏感的区域. 也就是说, 车轮模型由于疏松区域的存在, 提高了最大应力值, 导致在疏松区域出现应力集中. 含内部疏松缺陷的模型中, 尤其当周向应力超出了42CrMo钢拉伸强度时(如图13所示), 过高的残余应力会导致裂纹的萌生, 而裂纹将扩展连接各个微小孔洞, 最后形成宏观裂纹, 这就不难解释为什么仅在车轮内部观察到宏观裂纹. 裂纹在内部疏松缺陷区域内扩展, 而在疏松区域外无论径向、周向还是轴向残余应力水平相对较低, 淬火之后进行回火工艺后能够一定程度上缓解裂纹尖端的应力集中, 则裂纹在大范围尤其是沿着径向和轴向扩展的可能性不大. 但是, 车轮在使用过程中, 由于复杂变化的外载荷施加, 疲劳裂纹会沿着原有的裂纹继续扩展, 这是一个潜在的危险因素. 当缺陷位于车轮边缘时, 虽然疏松缺陷区域的径向、周向及轴向应力并不高于屈服强度, 一般不会在淬火过程产生裂纹, 但是疏松区域内的高应力分布仍然是一个安全隐患, 特别是在外加载荷例如撞击情况下, 内外载荷的叠加效应很有可能导致边缘棱角部分沿着疏松区域脱落.

经过淬火热处理工艺, 在车轮外表会产生薄的淬硬层. 如果淬硬层过薄, 则抵御变形能力差, 疲劳载荷将会容易导致淬硬层发生大变形, 促进裂纹的萌生及扩展, 最终降低车轮的使用寿命. 提高硬化层厚度, 从而提高结构件对外载荷的变形抗力, 有利于改善车轮的使用寿命, 比如加大淬火冷却速度等^[26]. 也可以从改变材料的性能上着手, 比如多次淬火来细化晶粒, 进而降低疲劳裂纹敏感性^[28]. 而淬火过程中的残余应力分布, 以及工件缺陷对应力分布和裂纹萌生及扩展规律的影响情况, 将始终是一个重要的理论与实践研究课题.

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图13   

Fig.13   缺陷区域周向应力分布

5 结论

(1) 42CrMo钢车轮锻件的疏松缺陷是锻件内部产生裂纹的主要原因.

(2) 淬火热处理导致车轮锻件疏松区域产生应力集中, 淬火残余应力最大值与疏松宏观尺寸关系不大. 相比径向和轴向, 周向残余应力约为1300 MPa, 是裂纹在车轮内部疏松区域萌生并扩展的主要驱动力. 在疏松区域内形成裂纹, 经过回火处理后继续向外扩展的可能性不大.

(3) 车轮锻件疏松缺陷区域存在应力集中, 在内外载荷叠加作用下, 产生裂纹, 并将最终导致表面部分脱落.

参考文献

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