分享：蠕变-疲劳交互作用下P92钢的循环变形行为

张尚林1,轩福贞2,邱 阳1,谢国福1,李国栋1 (1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室,成都 610213;2.华东理工大学 机械与动力工程学院,上海 200237)

摘 要:在625 ℃下对 P92钢进行了蠕变-疲劳试验,分析了应变幅(0.4%~1.4%)和 保载时间(30~300s)对 P92钢循环变形行为的影响,探讨了蠕变-疲劳交互作用下的微 观机制,并与低周疲劳试验进行了对比。结果表明:蠕变-疲劳交互作用引起 P92钢从非 Masing特性向 Masing特性转变,且保载时间内的应力松弛导致蠕变-疲劳载荷下的循环 软化加速;疲劳过程中 P92钢微观结构发生非均匀变化,位错密度降低,最终形成长条状 亚晶结构,而蠕变-疲劳过程中 P92钢的微观结构变化和位错密度降低程度更加均匀、显 著,最终形成等轴状亚晶或位错胞结构,并伴有沉淀物粗化现象。 

关键词:循环变形行为;蠕变-疲劳;微观机制;P92钢 

中图分类号:TG142 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)05-0036-06

0 引 言

现代工业对高效、环保的要求日益严苛, 石油化工、能源和航空航天等领域的关键装备 逐渐朝着高参数、大容量和恶劣条件运行方向发展[1]。在满足现代工业经济性和可持续性发 展的同时,工业关键装备的大容量化和所处的 高温、高压恶劣环境对其安全可靠性提出了更 加严峻的挑战。比如航空发动机、燃气轮机、超 超临界汽轮机及主蒸汽管道等高温关键装备除 了经受频繁启停和变负荷导致的机械及热应力 循环载荷以外,还会经受稳态运行引起的蠕变 载荷,因此,这些关键装备不可避免地面临更加 复杂的蠕变-疲劳损伤。疲劳与蠕变的交互作 用可能导致高温关键装备提前失效,造成灾难 性的后果,因此,高温关键装备的设计和完整性 评价必须考虑蠕变-疲劳交互作用的影响。

近年来,金属材料蠕变-疲劳研究得到了国 内外学者的广泛重视。然而,大部分研究主要 关注于材料失效模式和寿命预测模型方面[2]。 蠕变-疲劳失效取决于疲劳损伤与蠕变损伤的 交互作用:当应变幅较大时,疲劳损伤占主导, 材料发生穿晶破坏;当应变幅较小时,蠕变损伤 占主导,材料发生沿晶破坏;而在常发生蠕变 疲劳交互作用的中等应变幅下,材料呈穿晶和- 沿晶混合破坏模式[3]。在相同应变幅下,蠕变- 疲劳交 互 作 用 会 明 显 降 低 材 料 的 疲 劳 寿 命。 HORMOZI等[4]在 650 ℃ 下对 316 不锈钢进 行了不同应变幅下的蠕变-疲劳试验,研究发现 含保载时间的应变循环表现出更低的拉伸流变 应力以及更大的塑性应变范围,且高应变范围 下的应 力 松 弛 幅 度 更 大。CARROLL 等[5]研 究了保载时间对617合金蠕变-疲劳行为的影 响,发现虽然应变保载会降低合金的疲劳寿命, 但是当保载时间达到某个极限时循环寿命不再 继续降低,说明应变保载的应力松弛对循环变 形的影响存在临界值。CHEN 等[6]通过扫描 电子显微镜(SEM)和电子背散射衍射(EBSD) 技术从微观角度分析了蠕变损伤对617合金循 环变形的影响,发现应变保载引起的蠕变损伤 (应力松弛)会加强大角度晶界(HAGBs)附近 的局部变形以及促进晶界滑移,从而大幅降低 材料的抗疲劳性能。LORD 等[7]在研究 René 80合金蠕变-疲劳行为时发现,拉伸应变保载 能增加疲劳寿命,而压缩应变保载会缩短疲劳 寿命。CHAUHAN 等[8]观察到拉伸和压缩应 变保载都会损害12Cr-ODS钢的疲劳寿命,尤 其是在小应变范围的工况下。因此,蠕变对循 环变形响应的影响还取决于材料的循环特性。 P92钢是一种铬质量分数在9%~12%的 马氏体钢,具有高热导率、低热膨胀系数等优 点,广泛应用于电站中的主蒸汽管道、高温过热 器/再热器管道和集箱等关键设备,并成为第四 代核电设备的候选材料。P92钢是在9Cr-1Mo 钢的基础上,通过加入钨元素和降低钼元素含 量改进得到的,其蠕变强度相比于9Cr-1Mo钢 提升 了 10% ~20%。FOURNIER 等[9]对 P92 钢开展了应变控制循环与应力保载组合的蠕变- 疲劳试验研究,发现在给定保载应变下,所需的 保载时间和最小蠕变速率都随着循环次数的增 加而增加,表明应变循环会导致材料的蠕变抗性 弱化;此外,应力松弛历史会降低后续疲劳初始 阶段的峰值应力,但对循环稳定阶段的应力影响 不大。目前,国内外学者对于金属蠕变-疲劳行 为的研究取得了一定的成果,但大多集中在失效 模式和寿命预测方面,对于蠕变-疲劳交互作用 下的循环变形行为以及微观机制研究仍有待深 入。为此,作者对P92钢进行了应变控制的疲劳 和蠕变-疲劳试验,考虑应变幅和保载时间的影 响,研究其蠕变-疲劳交互作用行为,并分析了蠕 变-疲劳交互作用的微观机制。 

1 试样制备与试验方法

试验材料为上海锅炉厂提供的 P92钢管, 化学成分见表1,符合 ASTMA335/A335M 要 求。试验钢经1065 ℃正火 1.25h 空冷,777 ℃回火2.5h空冷处理。试验钢的显微组织如 图1(a)所示,为典型的回火马氏体组织,并且 形成了一种多尺度微观结构,如图1(b)所示, 按尺寸大小依次包括残余奥氏体晶粒、马氏体 板条束、马氏体板条块和马氏体板条等结构。 

在试验钢上截取如图2所示的实心圆棒状 高温疲 劳 和 蠕 变-疲 劳 试 样,平 行 段 直 径 为 8 mm,长度为16mm,表面粗糙度约为0.2μm。 按照 ASTM E2714-09,采用INSTRON 型电液伺服万能疲劳试验机进行高温疲劳和高温蠕 变-疲劳试验,采用标距为12.5 mm 的石英棒 接触式高温应变引伸计进行应变测试。试验采 用电阻炉加热,并在试样平行段两端固定两根 热电偶以保证试样应变测量部位的温度波动小 于±3 ℃,试验温度设定为 P92钢的典型服役 温度,625 ℃。如图3所示:高温疲劳试验采用 的加载波形为三角波;高温蠕变-疲劳试验采用 的加载波形为梯形波,并且在拉伸峰值应变处 保载th 时间。试验时的应变速率为 2×10-3 s-1,应变比为-1,应变幅 Δε为0.4%~1.4%, 蠕变-疲劳试 验 的 保 载 时 间 为 30,120,300s。定义最大应力相比于参考应力点(第100周次 下的最大应力)下降25%时对应的循环周次为 疲劳寿命 Nf。为了进一步研究蠕变-疲劳交互 作用的微观机理,在应变幅为0.6%、保载时间 为120s条件下,分别在10%和50%疲劳寿命 时中断疲劳和蠕变-疲劳试验,取样观察。

采用线切割法在疲劳和蠕变-疲劳试样标 距段截取尺寸为?3 mm×0.5 mm 的薄片试 样,截取方向垂直于加载方向,用砂纸将薄片试 样打磨至厚度为100μm,在-20 ℃下将试样 放 入 体 积 分 数 10% 高氯酸+90%酒精配成的电解液中进行电解双喷薄,并进行适当的离子减薄处理。采用JEM- 2100型透 射 电 子 显 微 镜 (TEM)观 察 微 观 形 貌,操作电压为200kV。

2 试验结果与讨论

2.1 循环变形行为 

由图4可以看出:在给定应变幅(0.5%)和 保载时间(30s)下,滞回环的峰值应力绝对值 随着循环周次的增加而降低;在压缩方向的卸 载阶段,弹性段的应力随着循环周次的增加而 降低,从第2周次的352 MPa降低至第100周 次的271MPa,表现为循环软化;试验钢在保载 时间内发生应力松弛现象,产生蠕变变形,且随 着循环周次的增加,保载时间内的松弛应力逐 渐降低,从第2周次的123 MPa降低至第100 周次的89 MPa。在蠕变-疲劳载荷下,试验钢 的循环软化与应力松弛发生了交互作用。 

将不同应变幅下的稳定滞回环曲线通过坐 标平移,使其压缩顶点(最大压缩应力)与坐标原点重合,得到如图5所示的 P92钢在疲劳及 蠕变-疲劳载荷下的半寿命滞回环曲线。由图 5可以 看 出,P92 钢 在 疲 劳 载 荷 下 表 现 出 非 Masing特 性,而 在 蠕 变-疲 劳 载 荷 下 表 现 出 Masing 特 性,蠕 变 损 伤 使 得 试 验 钢 由 非 Masing特性转变为 Masing特性。从微观角度 来说,Masing特性是材料的稳定微观结构和位 错 亚 结 构 抵 抗 疲 劳 损 伤 的 一 种 表 现[10]。 PLUMTREE等[11]研究发现,堆垛层错能低的 材料更易表现出 Masing特性,而堆垛层错能 高的金属材料由于循环变形由基体控制,更易 表现出非 Masing 特性。P92钢的显微组织为 分层马氏体板条组织,具有很高的堆垛层错能, 因此在纯疲劳载荷下表现出非 Masing特性; 而在蠕变-疲劳过程中,蠕变-疲劳的交互作用 加速了材料微观结构的变化,降低了堆垛层错 能,因此 P92钢表现出 Masing特性。

由图6可以看出,随着循环的进行,不同应 变幅和保载时间下试验钢的最大应力均持续降 低,表明在疲劳和蠕变-疲劳载荷下 P92钢均发 生循环软化。循环软化曲线分为应力减速下 降、应力稳定下降和应力加速下降3个阶段,最 大应力在应力减速下降阶段(15%疲劳寿命)呈 现出大幅度下降趋势,然后缓慢进入线性软化 的应力稳定下降阶段,最后应力加速下降直至 断裂。由图6还可以看出:在不同保载时间下, 蠕变-疲劳载荷下的最大应力均低于疲劳载荷 (即保载时间为0)下的最大应力;在相同应变 幅下,随着保载时间的延长,循环软化加速,但 保载时间延长至120s及以上时,蠕变-疲劳循 环软化曲 线 近 乎 重 合,说 明 在 蠕 变-疲 劳 载 荷下,保载时间对 P92钢循环软化的促进效果存 在一个临界值,当保载时间达到120s时,循环软 化的加速作用趋于饱和。

2.2 蠕变-疲劳微观机制 

亚晶界、板条界沉淀物、弥散沉淀物等微观 障碍都会阻碍位错的运动,从而提高材料的高 温蠕变、疲劳等性能。相应地,材料的循环软化 也是由于循环过程中微观结构的变化导致的。 由图7可以看出:当循环次数达到10%疲劳寿 命时,试验钢内一些板条块发生回复,马氏体板 条位错密度降低,板条界消失,这种不均匀的微 观结构在原奥氏体晶界处更加明显;当循环次 数达到50%疲劳寿命时,亚晶尺寸增大,亚晶 内部位错密度下降,亚晶明显不均匀长大;最后 发生断裂时,亚晶粗化程度基本与半寿命时相 同,试验钢内部以长条形的亚晶结构为主。因 此,在疲劳载荷作用下,P92钢循环软化的微观 机制是位错密度的降低和亚晶的粗化,且该变 化不均匀。另外,在循环过程中,晶界和板条界 上的第二相沉淀物的尺寸基本保持不变。

由图8可以看出:蠕变-疲劳载荷下 P92钢 显微组织的演变趋势与疲劳载荷下大致相同, 均表现为随循环次数升高,位错密度降低,亚晶 粗化,然而,蠕变-疲劳载荷下这种变化更均匀 且更显著;当循环次数达到10%疲劳寿命时, 显 微 组 织 明 显 发 生 均 匀 回 复 ,与疲劳载荷下相比,亚晶内部的位错密度更低, 亚晶的尺寸更大;当循环次数增加至50%疲劳 寿命时,亚晶尺寸略微长大,亚晶内部的位错密 度进一步降低;最后发生断裂时,亚晶长大并发 展成为等轴状亚晶(位错胞),此外,在亚晶界处 和位错胞内部可以观察到沉淀物明显发生粗 化。与疲劳载荷下相比,蠕变 微组织变化更加显著、均匀,-亚疲晶劳尺载寸荷更下大的,显位 错密度更低,且伴有沉淀物的粗化;这种显著的 显微组织演化也是蠕变加速循环软化的直接证 据。黏塑性变形是材料显微组织发生变化的驱 动力[12],而 显 微 结 构 的 改 变 是 宏 观 变 形 的 本 质。在给定应变幅下,蠕变-疲劳循环过程中由 于应变保载下蠕变变形的发生,总非弹性变形 明显增加;循环导致的塑性变形和保载引起的 蠕 变 变 形 共 同 驱 动 了 显 微 组 织 的 变 化。 FOURNIER等[13]观察了 P92钢的高温疲劳和 蠕变行为,发现位错密度的降低是由滑移位错 与小角度晶界(板条和亚晶界)位错相互湮灭造 成的,同时沉淀物对这种位错湮灭行为影响很 大,沉淀物越大,间距越小,小角度晶界位错滑 移的临界角度越小,越有利于发生位错相消反 应。在蠕变-疲劳载荷下,亚晶界和亚晶内部的 沉淀物在应变保载过程中发生粗化,导致对位 错的钉扎作用减弱,从而使得滑移位错和亚晶 界位错更容易相互湮灭。因此,蠕变-疲劳交互 作用的微观机制可以归结为蠕变引起的沉淀物 粗化和位错滑移与疲劳过程中的微观结构变化 相互促进,从而导致更加均匀和显著的亚晶长 大和位错密度下降现象。 

3 结 论

(1)不同应变幅(0.4%~1.4%)下,P92钢 在疲劳载荷下表现出非 Masing特性,而在蠕变-疲劳载荷下表现出 Masing特性,在最大应 变处保载时发生的蠕变变形导致 P92 钢从非 Masing特性向 Masing特性转变;保载时间内 的应力松弛导致蠕变-疲劳载荷下的循环软化 加速,且随着应变幅的降低,加速软化效果更加 显著。

(2)P92 钢 循 环 软 化 的 微 观 机 制 主 要 是 马氏体板 条 内 的 位 错 密 度 降 低 和 亚 晶 粗 化; 在疲劳载荷下,P92钢发生不均匀的微观结构 变化,最终形成长条状亚晶结构;在蠕变-疲劳 载荷下,由 于 应 力 松 弛 过 程 中 蠕 变 损 伤 的 出 现,内部微观结构的变化更加均匀和显著,初 始亚晶逐 渐 长 大 形 成 等 轴 状 亚 晶 或 位 错 胞, 在亚晶 界 和 亚 晶 内 部 出 现 明 显 的 粗 化 沉 淀 物;蠕变-疲劳交互作用加速了微 观 结 构 的 变 化,从而加速了 P92钢的循环软化和破坏。

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