Page 46 - 理化检验-物理分册2021年第七期
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杨金刚: 拟合函数对燃气轮机轮盘韧脆转变温度评定结果的影响


            间运转而不失效, 对其显微组织、 力学性能指标的要                              金属材料韧脆性转变温度拟合函数模型的选择
            求非常严格。韧脆转变温度是其中的一项指标, 韧                            应符合上、 下平台和快速转换区的 S 型分布特征, 且
            脆转变温度越低, 材料的韧性越好, 生产过程中的冶                          拟合度要高, 模型各参数的物理意义要明确。双曲正
            金纯净度、 锻造工艺、 热处理工艺均会对韧脆转变温                          切函数和玻尔兹曼( Boltzmann ) 函数均能满足要求,
            度产生较大的影响。评定金属材料的韧脆性转变温                             该两个函数是同一函数模型的不同表达式                    [ 1-11 ] 。此
            度, 一般是通过系列温度冲击试验, 根据冲击吸收能                          外拟合时参数的边界设置也会对试验结果产生明显
            量降至某特定数值或形成特定形貌( 脆性断面率) 冲                          的影响, 因此笔者对同一组试验数据采用3种函数模
            击断口对应的温度来确定。在冲击试验中, 随试验                            型分别进行拟合计算, 然后比较其中的差异。
            温度的降低, 冲击吸收能量先是无明显变化, 至出现                             3种函数模型中部分物理量的含义如表1所示。
            一个上平台, 然后缓慢降低 , 再快速降低, 低至一定                                 表 1 3 种函数模型中部分物理量的含义


            值后, 降速再次减慢, 出现一个下平台。冲击吸收能                             Tab 1 Meanin g sofsome p h y sical q uantitesinthreekinds

            量的上平台区几乎均为韧性断面, 冲击吸收能量快                                            offunctionmodels
                                                                   物理量                   物理量含义
            速下降区, 脆性断面所占比例快速增加, 到冲击吸收
                                                                    T / ℃                 试验温度
            能量的下平台区时, 几乎均为脆性断面。由于测量                               F B T )/ %       不同试验温度下的脆性断面率
                                                                    (
            的不确定性, 在设定温度下试验得到的冲击吸收能                               A V T )/ J      不同试验温度下的冲击吸收能量
                                                                     (
                                                                     /
            量和韧脆面积比率等于规定值的几率极低, 需要采                                F L %             下平台区的脆性断面率
                                                                      /
                                                                    E U J             上平台冲击吸收能量

            用曲线拟合的方式来确定转变温度。 GB / T229-                               /               下平台冲击吸收能量
                                                                    E L J

            2007 《 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》 只对韧脆                                         特定的脆性断面率对应的转变温度,
                                                                       /
                                                                 F ATTSEPC ℃

            转变曲线形状和转变温度进行了说明, 并未明确转                                               当规定值为 50% 时, 记为 F ATT50


            变温度 的 确 定 规 范, ASTM A370 : 2019Standard                          特定的冲击吸收能量对应的转变温度, 如冲击
                                                                       /
                                                                  E TT AV ℃


            Test Methods and De f initions f or Mechanical                    吸收能量为 75J时的转变温度记为 E TT75J



            Testin go fSteelProducts 中只是规定应使用合适
                                                              1.1  断口形貌转变温度的函数模型
            的曲线内插拟合得到, 并未说明用何种曲线, 导致相
                                                                   随着试验温度的降低, 试样断口形貌中的解理
            同的试验数据采用不同的函数模型拟合会得到不同
                                                               断裂即脆性断裂的比例逐渐增加, 而剪切断裂的比
            的试验结果, 进而导致供需双方产生质量异议。
                                                               例逐渐减少, 笔者以脆性断面率为纵坐标, 以试验温
                 为研究不同拟合方式( 函数) 对燃气轮机转子韧
                                                               度 为横坐标作图 , 并采用表 2 中 3 种函数模 型 的 表
            脆转变温度测量结果的影响, 笔者在燃气轮机轮盘上
                                                                         表 2  断口形貌转变温度的函数模型
            取样进行了不同温度的夏比冲击试验, 获得了相应的

                                                              Tab 2 Functionmodelsoffracturemor p holo gy transitiontem p erature
            断口形貌和冲击吸收能量, 然后使用3种函数模型分
                                                               函数模型         表达式        物理量       物理量含义
            别对其进行拟合, 并对拟合结果进行分析, 以期为相
                                                                                        A / %  0℃下的脆性断面率
            关产品选择合理的韧脆转变温度计算模型提供参考。                            线性内插     F B T ) =A+BT
                                                                           (
                                                                                        B /   脆 性 断 面 率 随 温 度
                                                                                           -1 ) 的转变速率
                                                                                      ( % · ℃
            1  函数模型
                                                                                         /
                                                                                       A 1 %  脆性断面为主的上平
                                                                                              台区的脆性断面率
                 韧脆转变温度的测定通常采用线性内插法, 通
            过选取快速转变区中临近要求值的上、 下两组试验                                      F B T ) =A 2 +  A 2 %  韧性断面为主的下平
                                                                                         /
                                                                           (
                                                                                              台区的脆性断面率
            值, 经线性拟合得到线性函数, 然后带入要求值, 得                          玻尔兹曼       A 1 -A 2           上、 下平台区脆性断
                                                                 函数
                                                                             T -T 0
                                                                                         /
            到韧脆转变温度。对于实测转变温度明显低于要求                                        1+e  d T     T 0 ℃  面率 的 平 均 值 对 应
                                                                                              的温度
            转变温度的材料, 该方法更简便、 适合, 手工计算即                                                     -1 脆 性 断 面 率 随 温 度
                                                                                     d T /( ℃  ) 的转变速率
            能完成。但该方法的缺点是物理意义不明显, 上、 下
            两组试验的试样均匀性和取样数量对结果 影响较                                                            脆 性 断 面 率 随 温 度
                                                                                1     a /( ℃  -1 )
                                                                           (
            大, 且当实测的转变温度与要求值非常接近时, 测定                          双曲正切      F B T ) =  2 F L     的转变速率
            结果的可信度会大幅度下降。因此线性内插法仅适                               函数   { 1-tanh [ a ( T-T X )]}  脆 性 断 面 率 接 近
                                                                                         /
                                                                                       T X ℃
                                                                                              50% 对应的温度
            用于内部质量控制, 不适用于仲裁试验。
             3 0
   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51