分享：高温下的“疲劳”与“蠕变”如何联手？——1.25Cr0.5Mo钢在580 °C下的寿命行为探秘

1.25Cr0.5Mo钢被广泛应用于制造加氢反应器、燃气轮机和高温冶炼装置等关键设备，它在工业中被视为一种常见的低合金耐热结构钢。由于这些关键设备在设定工艺温度运行时，受到负荷升降和周期性变化的影响会产生交变热应力，从而使部件承受低周疲劳载荷^[1−2]，导致高温环境下设备的复杂疲劳–蠕变损伤不可避免。严重的疲劳与蠕变之间的相互作用可能导致高温关键装备提前失效，甚至引发灾难性后果^[3]。近年来，国内外许多研究者对金属材料在高温下的疲劳–蠕变交互行为给予了广泛关注^[4−8]。针对材料蠕变–疲劳交互作用的试验与理论研究对于确保材料部件的可靠性、安全性和长期运行具有很大的理论和实践意义^[9]。 

1.25Cr0.5Mo钢的组织结构相对稳定，能够适应长期的高温高压环境。此类设备的工艺温度通常为580 ℃。为确保设备的长期安全运行，本文以典型压力容器材料1.25Cr0.5Mo钢作为研究对象，在580 ºC高温大气环境条件下开展疲劳–蠕变试验，研究了1.25Cr0.5Mo钢在高温高压下的疲劳–蠕变特性，特别是疲劳–蠕变交互作用下载荷变化引起的损伤行为。试验采用恒定最大应力水平的应力循环加载模式，最大应力分别为300、310和320 MPa。通过对1.25Cr0.5Mo钢在疲劳–蠕变交互作用下的初始循环特性进行分析研究，探讨了1.25Cr0.5Mo钢寿命随应力的变化情况。 

1.   试样制备及试验方法

1.1   试验材料

选用低合金耐热结构钢1.25Cr0.5Mo作为试验材料，为了获得材料的最佳力学性能，对该材料进行以下热处理步骤：第一阶段在920 ℃正火处理2 h，加速冷却后，第二阶段在700 ℃下回火处理3 h，然后空气冷却至室温。1.25Cr0.5Mo钢的化学成分和拉伸性能分别列于表1、表2中。根据GB/T 38822—2020《金属材料 蠕变–疲劳试验方法》，在试验材料上截取如图1所示的圆柱形疲劳–蠕变试样。 

表  1  1.25Cr0.5Mo钢的化学成分（质量分数） %

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Fe
0.163	0.629	0.455	0.014	0.002	1.235	0.490	97.012

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表  2  1.25Cr0.5Mo钢的力学性能

温度/℃	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断面收缩率/%	延伸率/%
580	352	518	22.72	68.64

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图  1  试样尺寸（单位：mm）

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1.2   试验方案

为了研究1.25Cr0.5Mo钢在高温条件下的疲劳–蠕变交互作用行为，选择580 ℃为试验温度，峰值应力和谷值应力分别保持10 s，具体试验方案见表3。根据GB/T 26077—2021、ASTM E606/E606M—12和ISO 12106—2017标准要求，在长春科新RD-50微控电子式蠕变持久试验机上进行高温疲劳–蠕变交互试验。该试验机配有高温电炉和引伸计，并通过3个误差范围在±3 ℃内的K型热电偶测量每根试样的温度场。同时，试验机与计算机连接，并由电液伺服系统控制，以实现对试验加、卸载过程速率的自动控制。蠕变试验机的具体参数如表4所示。 

表  3  疲劳–蠕变试验方案

试样编号	最大应力/MPa	最小应力/MPa	实际加、卸载速率/(N/s)
1#	300	0	4712
2#	300	30	4241
3#	300	60	3769
4#	310	0	4869
5#	310	30	4398
6#	310	60	3927
7#	320	0	5026
8#	320	30	4555
9#	320	60	4084

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表  4  RD-50蠕变试验机具体参数

负载能力/ kN	最大加、卸载 速率/(N/s)	拉杆行程/ mm	额定载荷/ kN	工作温度/ ℃
50	5000	200	50	200~1200

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2.   结果与讨论

2.1   应力–应变曲线

图2展示了580 ℃时30~300 MPa下1.25Cr0.5Mo钢循环应力–应变曲线变化规律。从图2中可以观察到该材料的应力–应变曲线呈以下特点。首先，具有一定宽度，但并不封闭^[10]；其次，随着试验进行，曲线会逐渐向右持续移动^[11]，产生的原因可以从以下2个方面解释：第一，材料本身存在持续的拉应力，导致正向塑性变形逐渐增大，从而发生循环蠕变；第二，由于受到拉伸应力作用，在时间上引起缓慢的塑性变形，即静态蠕变。最后，迟滞回线只会在应力控制模式下出现，并且与最大应力、应力幅值或平均应力以及温度等参数密切相关。 

图  2  1.25Cr0.5Mo钢在580 ℃下施加应力为30~300 MPa的循环应力–应变曲线

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2.2   应变变化规律

由图2可知，1.25Cr0.5Mo钢在每个试验周期下的总应变逐渐增加，而材料在试验中得到的总应变可分为瞬时产生的塑性应变和滞后产生的蠕变应变2部分，为了进一步探究应力模式下材料的循环特性，对材料试验周期内的蠕变应变和塑性应变的变化规律进行研究。 

2.2.1   蠕变应变

图3所示为在580 ºC时30~300 MPa下1.25Cr0.5Mo钢的上保载蠕变应变和下保载蠕变应变的变化规律。由图3可知，上保载（峰值应力）引起了蠕变变形，而下保载（谷值应力）则导致了部分蠕变恢复。然而，由于上保载产生的蠕变应变略大于下保载产生的蠕变应变的绝对值，下保载引起的蠕变恢复只能部分消除前一阶段上保载产生的蠕变变形。因此，试验中每一个循环的总蠕变应变值均为正值，使得迟滞回线不断向右移动，并且具有一定宽度。随着蠕变恢复量增加，材料内部的蠕变损伤占比越明显，从而使试验过程中的疲劳–蠕变损伤交互作用在一定程度上有所下降。 

图  3  1.25Cr0.5Mo钢在580 ℃施加应力为30~300 MPa时上保载和下保载的蠕变应变

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2.2.2   塑性应变

图4所示为580 ℃、30~300 MPa条件下，1.25Cr0.5Mo钢在加载和卸载阶段塑性应变的变化规律。尽管试验中的最大应力低于材料的屈服极限，但经过反向塑性变形或蠕变之后，在低于屈服极限的加载过程中仍会产生一定程度的塑性变形。同样地，在卸载阶段也会出现一定程度的反向塑性变形。然而，加载阶段产生的塑性变形略微超过卸载阶段所产生的反向塑性变形的绝对值，导致迟滞回线不断右移并具有一定宽度。 

图  4  1.25Cr0.5Mo钢在580 ºC施加应力为30~300 MPa下加载和卸载阶段塑性应变的变化规律

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2.3   疲劳–蠕变寿命分析

表5所示为1.25Cr0.5Mo钢的高温疲劳–蠕变试验结果。当最大应力为300、310和320 MPa时，随着最小应力从0 MPa逐步增加到60 MPa（以30 MPa的增量增加），材料的寿命逐渐缩短。当最小应力为0、30和60 MPa时，随着最大应力从300 MPa逐步增加到320 MPa（以10 MPa的增量增加），材料的寿命也逐渐缩短。 

表  5  疲劳–蠕变试验寿命结果

试样编号	最大应力/MPa	最小应力/MPa	应力幅值/MPa	平均应力/MPa	试验寿命（循环次数）
1#	300	0	150	150	455
2#	300	30	135	165	284
3#	300	60	120	180	270
4#	310	0	155	155	270
5#	310	30	140	170	228
6#	310	60	125	185	181
7#	320	0	160	160	99
8#	320	30	145	175	85
9#	320	60	130	190	80

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分析上述现象的原因为当最大应力确定时，若应力幅值小于平均应力，则应力幅值不仅会对材料造成损伤，而且平均应力也会对材料寿命产生一定的影响。此外，在材料内部发生疲劳–蠕变交互作用时，会加速晶体内塑性延性和晶界蠕变延性的消耗，从而导致材料寿命缩短^[12−13]。然而，当最小应力确定后，随着应力幅值增加，材料的寿命将逐渐缩短。主要原因在于高温环境下发生疲劳–蠕变交互作用需要满足应力幅值小于平均应力的条件。当应力幅远低于平均应力时（如2^#、3^#试样，5^#、6^#试样和8^#、9^#试样），材料内部蠕变损伤所占比例较大，此时可以忽略疲劳因素对材料寿命的影响。 

3.   结束语

（1）在应力控制的疲劳–蠕变条件下，1.25Cr0.5Mo钢的迟滞回线具有一定宽度，但并不封闭，且随着循环次数的增加，迟滞回线会朝着平均应变增大的方向持续移动。 

（2）在高温疲劳–蠕变交互作用下，由于每个周期的上保载蠕变应变量略大于下保载蠕变应变量、加载阶段的塑性应变量大于卸载阶段的塑性应变量，1.25Cr0.5Mo钢总存在蠕变和塑性恢复，使磁滞回线不断向右移动，随着蠕变和塑性变形量增大，疲劳–蠕变损伤交互作用在一定程度上也有所下降。 

（3）在高温疲劳–蠕变交互作用下，最大应力确定时，当应力幅小于平均应力，应力幅和平均应力都对材料损伤起作用，加速了晶内塑性延性和晶界蠕变延性的耗竭；最小应力确定时，当应力幅比平均应力低出很多时，材料内部的蠕变损伤占比增加，此时的疲劳因素对材料的影响可以忽略，从而使材料寿命缩短。

来源--金属世界