摘 要:在不同温度(500~675℃)和不同应变速率(5×10-6~1×10-4s-1)下对P92钢进行了 单周期应变控制蠕变疲劳试验,研究了该钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性,并建立相应 的本构方程对其循环过程进行描述。结果表明:在保载阶段 P92钢出现明显的应力松弛现象,当 温度为500~650 ℃时,应力下降率相差较小,而当温度为675 ℃时,随着应变速率的增加,应力下 降率增大;除675 ℃,1×10-5s-1 条件外,用由幂函数推导出的应力松弛模型模拟得到真应力和应 力松弛值随保载时间的变化曲线与试验结果相吻合,相对误差小于4.28%。在加载和卸载阶段, 在应变速率一定条件下,当温度不高于550 ℃时,温度对应力变化率的影响可以忽略,而当温度高 于550 ℃时,温度的影响较大,当试验温度相同时,应变速率的影响不大;用 Ramberg-Ostgood模 型模拟得到真应力-真应变曲线和真应力-时间曲线与试验结果吻合,相对误差小于10.37%。
关键词:蠕变-疲劳交互作用;初始循环;P92钢;应力松弛
中图分类号:TG113.25;TH140.7 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)05-0088-07
0 引 言
为了解决日益突出的能源短缺和环境污染问 题,提高火电厂的发电效率迫在眉睫,主要途径是提 高蒸汽的工作压力和温度。我国已建设并运行着很 多超超临界火电机组[1],超超临界机组的蒸汽温度 在600 ℃以上,压力大于26 MPa,机组关键部件在 此高温高压环境下工作时,将会受到蠕变损伤和疲 劳损伤[2-3];这对所用材料的性能提出了很高的要 求[4]。P92钢因具有热膨胀率低、抗蠕变能力强等 特点而广泛应用于超超临界机组的高温部件中[5-9]。 为了保证机组的安全运行,研究 P92钢在高温高压 下的蠕变和疲劳特性,特别是蠕变疲劳载荷作用下 黏性应力 降 低 所 引 起 的 应 力 松 弛 行 为 至 关 重 要。 P92钢的应力松弛主要发生在初始循环阶段[2],研 究 P92钢的初始循环特性对于掌握 P92钢的蠕变 疲劳特性具有重要的意义[10-2]。目前,有关初始循 环加载对 P92钢蠕变性能影响的研究主要通过本 构方程描述其循环行为来进行[13-19],结论可归纳为 两方面:随着循环加载的进行,退化逐渐趋于饱和, 初 始 循 环 对 总 体 寿 命 有 很 大 影 响;Ramberg- Ostgood和Johnson-Cook等模型可以较好地描述 P92钢的力学行为,但对于不同加载方式,需要通过 试验数据建立修正的模型才能准确描述 P92钢的循环特性。但是,已有文献并没有研究对寿命有极 大影响的初始循环,且未设置足够长的保载时间将 材料在蠕变疲劳作用下的应力松弛演化规律完整表 征。因此,作者在不同温度和应变速率下对 P92钢 进行了多组初始循环的蠕变疲劳试验,研究了 P92 钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性,并建立 相应的本 构 方 程 对 其 循 环 过 程 进 行 描 述,以 期 为 P92钢的实际工程应用提供参考。
1 试样制备与试验方法
试验材 料 为 Wyman-Gorden公 司 生 产 的 内 径 914mm、壁厚50mm 的高温再热蒸汽管道用 ASME SA-1017M P92 钢 管,其 热 处 理 工 艺 为 1065℃× 1.25h正火后风冷+776℃×2.5h回火后空冷,化学 成分和拉伸性能分别列于表1和表2中。
在试验材料上截取如图1所示的圆柱形蠕变疲 劳试样,根据 GB/T26077、ASTME606和ISO12106 的要求,在 MTS370.10型液压伺服驱动疲劳试验系 统上对 P92钢进行不同温度下的单周应变控制蠕 变疲劳试验,具体试验参数如表3所示,即应变以一 定的应 变 速 率 加 载 至 0.5% 后 保 载 1h,再 以 相 同的应变速率卸载。在试验过程中,轴向应变由一个夹式动态高温引伸计测量,应力由测压元件监测 的载荷响应得到。
2 试验结果与讨论
2.1 循环应力-应变曲线
在500℃,1×10-3s-1 以及600℃,1×10-4s-1 条件下试样在加载2s后即发生断裂,这与加载速 率和加载温度失配有关,温度越高,材料所能承受的 加载速率越小,因此不对这2种条件下的试验结果 进行分析。在675 ℃,1×10-5s-1 条件下,试样在 卸载5min后发生了断裂。由图2可以看出:不同 试验温度和应变速率下试样的真应力-真应变滞回 曲线基本相同,在保载期内均出现应力松弛现象;在 真 应变一定的条件下,真应力随试验温度的升高而减小,随应变速率的减小而减小,说明试验温度和 应变速率对循环应力-应变曲线的影响较大。温度 越高,蠕变疲劳循环的非弹性应变占比越大,而非 弹性应变范围越大,表明不可恢复的应变越大,其 蠕变疲劳 寿 命 也 越 短。加 载 速 率 越 快,达 到 最 大 应变所用的载荷越大,在足够的保载时间内,应力 松弛发生得越充分,造成损伤越大,蠕变疲劳寿命 越短[20]。
2.2 保载阶段的应力松弛
由图3可以看出:当试验温度为500,550,600, 650 ℃时,保载阶段的应力下降率相差较小;当试验 温度为675℃时,保载阶段的真应力-保载时间曲线 波动较大,且随着应变速率的增加,保载阶段的应力 下降率增大,说明高温和较快加载速率的共同作用促 进了损伤的产生,从而出现软化现象。可知,当温度 升高到一定值时,温度和应变速率对P92钢在应变控 制下蠕变疲劳试验保载阶段的应力下降率有很大的 影响。在675 ℃,1×10-5s-1 条件下的应力松弛值 明显大于其他试验条件下的应力松弛值,温度越高, 蠕变-疲劳交互作用中蠕变所占比例越大,蠕变损伤 越大,在保载阶段的应力松弛现象更明显;675 ℃, 5×10-6s-1 条 件 下 的 应 力 松 弛 值 与 500 ℃,1× 10-4s-1 条件下的应力松弛值基本相同且均远小于 675℃,1×10-5s-1 条件下的应力松弛值,说明在相 同的温度下,较大的应变速率会加速材料损伤。
2.3 加载与卸载阶段的应力-应变曲线
由图4可以看出,试验温度越高,在加载和卸载 阶段的应力变化率越小。当应变速率相同时,500, 550℃时 的 真 应 力-真 应 变 曲 线 基 本 重 合,而 600, 650,675℃时的真应力-真应变曲线差异较大。试验 温度越高,P92钢在蠕变疲劳试验时达到相同应变的 最大应力越小。当试验温度不高于550℃时,在相同 应变速率下,温度对应力变化率的影响可以忽略。但 当试验温度高于550℃时,温度对应力变化率的影响 较大。当试验温度为675 ℃时,5×10-6s-1 条件下 的应力变化率和1×10-5s-1 下的应力变化率相差较 小,说明应变速率对应力变化率的影响很小。
由图5可以看出:在加载阶段,随着应变速率的 减小,最大应力降低,当应变速率一定时,最大应力 随试验温度的升高而减小,说明较高的试验温度和 应变速率使得 P92钢的变形抗力降低,加速其性能 退化。卸载阶段真应力-时间曲线与加载段是对称 的,其表征的循环特性一致,因此此处不再赘述。
2.4 弹性模量
应变控制下 P92钢蠕变疲劳试验加载阶段的 真应力-真应变曲线在初始阶段是线性相关的,当真 应变达到约0.16%后真应力-真应变曲线呈非线性 相关。当应变以恒定速率增加时,可以假定在应力 恒定增加的部分中产生的应变是弹性应变。当真应 变达到约0.16%时,P92钢开始发生软化,且弹性应 变约占加载期间总应变的30%。弹性变形阶段曲 线的斜率为 P92钢的弹性模量,由图6可以看出: 试验温度越高,P92钢的初始弹性模量越小,应变速 率对其影响较小;初始加载阶段的弹性模量下降幅 度较大,随后下降幅度降低,且随着试验温度的升 高,弹性模量的下降幅度变大,刚度降低程度增大, 即材料抵抗变形能力降低,说明 P92钢的承载能力 变差。
3 本构模型的建立与试验验证
在保载阶段,真应力与应力松弛值均与保载时间呈幂函数关系,可知 P92钢的应力松弛模型为 σt =a0tb0 (1) Δσ=a1tb1 (2) 式中:σt 为保载阶段t时间的真应力;t为保载阶段 的时间;Δσ为应力松弛值,即保载期间最大应力与 应力的差值;a0,b0,a1,b1 均为取决于温度和应变速率的参数,可由试验数据拟合得到。
应力松弛模型的拟合曲线如图7所示,模型参 数如表4所示。由图7可知,除675℃,1×10-5s-1 由图7可知,除675℃,1×10-5s-1 条件下因过高的温度和较大的加载速率而导致模拟 结果误差较大外,其他条件下的模拟结果与试验结 果均吻合较好,相对误差小于4.28%。
Ramberg-Ostgood模型是以 3 个参数描述材 料没有明显屈服点的非线性应力与应变关系[17],因 此加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和真应力- 时间 曲 线 可 用 Ramberg-Ostgood 模 型 进 行 描 述。 加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线模型表达式 分别为 ε=Eσ +ε0 σσ0 n (3) ε=σ+Eσ1 +ε0 σ+σ1 σ0 n (4) 式中:ε为真应变;σ 为真应力;E 为弹性模量;ε0, σ0,n,σ1 为拟合参数。 加载和卸载阶段的真应力-时间曲线模型表达 式分别为 t=Eσ'+ε'0 σ'σ0 n' (5) t=σ+σ'1 E' +ε'0 σ+'σ1 'σ0 n' (6) 式中:t为时间;E',ε'0,σ'0,n','σ1 为拟合参数。
拟合试验数据得到不同试验温度和应变速率下 P92钢在加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和 真应力-时间曲线,如图8所示,相应的模型参数如 表5和表6所示。由图8以及表5和表6可以看 出:加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和真应 力-时间曲线模拟结果与试验结果均吻合较好,相对 误差小于10.37%;E 和E'的绝对值随着温度的提 高逐渐减小,而应变速率对其无明显影响,验证了 P92钢的蠕变疲劳性能随温度的升高而降低。
4 结 论
(1)在不同试验温度与应变速率下,P92钢在 初始循环周期的保载阶段发生应力松弛而软化;当 试验温度为500~650℃时,保载阶段的应力下降率 相差较小,而当温度为675℃时,随着应变速率的增 加,保载阶段的应力下降率增大;试验温度和应变速 率越大,P92钢的应力松弛现象越明显。
(2)在加载和卸载阶段,在应变速率一定的条 件下,当温度不高于550℃时,温度对应力变化率的 影响可以忽略,当温度高于550℃时,温度对应力变 化率的影响较大;当温度相同时,应变速率对应力变 化率的影响不大。试验温度越高,P92钢的初始弹 性模量越小,而应变速率对其影响较小,且随着试验 温度的升高,弹性模量的下降幅度变大。
(3)除675 ℃,1×10-5 s-1 条件外,采用由幂 函数推导出的保载阶段应力松弛模型模拟得到真应 力和应力松弛值随时间的变化曲线与试验结果相吻 合,相对误差小于 4.28%;采 用 Ramberg-Ostgood 模型模拟得到的加/卸载阶段真应力-真应变曲线 和真应力-时间曲线与试验结果吻合,相对误差小 于10.37%。
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