316不銹鋼蠕變-疲勞試驗及規(guī)范研究

譚曉惠 馬建中 劉宇杰 戴振羽

1（中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆工程研究所 成都 610041）2（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院 成都 610031）

316不銹鋼蠕變-疲勞試驗及規(guī)范研究

譚曉惠1馬建中1劉宇杰2戴振羽2

1（中國核動力研究設(shè)計院反應(yīng)堆工程研究所 成都 610041）2（西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院 成都 610031）

為了研究316不銹鋼在蠕變-疲勞交互作用下的影響，開展保載時間的蠕變-疲勞試驗和兩級加載蠕變-疲勞試驗，后者包括先疲勞后蠕變和先蠕變后疲勞兩種蠕變-疲勞交互試驗。在上述三種試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對316不銹鋼的蠕變-疲勞特性進行分析，并對ASME規(guī)范的適用性和安全性進行了評價。本研究對蠕變-疲勞試驗、ASME規(guī)范應(yīng)用、第四代反應(yīng)堆高溫結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性研究及相關(guān)的評定準(zhǔn)則具有參考價值。

316不銹鋼，蠕變，疲勞，蠕變-疲勞交互，加載歷史

在未來的裂變堆中，由于高溫、熱循環(huán)、結(jié)構(gòu)振動等導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)蠕變與疲勞將成為影響反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)壽命的重要因素。因此，對于快堆、超臨界水冷堆等堆型，其結(jié)構(gòu)材料的蠕變、疲勞性能備受關(guān)注。例如，在ASME規(guī)范[1]中提供了核一級高溫設(shè)備的評定準(zhǔn)則，其中就有對高溫設(shè)備蠕變-疲勞損傷的評定，并對不同的材料類型給出了相應(yīng)的蠕變-疲勞損傷因子包絡(luò)圖。對于316不銹鋼，ASME規(guī)范給出的蠕變-疲勞損傷因子包絡(luò)圖是基于Campbell[2]在1971年所做的蠕變-疲勞交互作用的研究得到的。在Campbell的研究中，所有的蠕變-疲勞試驗是采用應(yīng)變控制的在峰值應(yīng)變施加不同保載時間的做法實現(xiàn)的。然而，在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，蠕變、疲勞的損傷發(fā)展及累積過程強烈地依賴于加載歷史[3]。因此，規(guī)范對于其它加載方式是否具有包容性甚至于保守性有待考察。

ASME規(guī)范在高溫評定準(zhǔn)則中提供了少數(shù)幾種裂變堆中高溫結(jié)構(gòu)常用材料的高溫力學(xué)特性數(shù)據(jù)以及它們的蠕變-疲勞損傷包絡(luò)曲線，為了探究ASME規(guī)范中的蠕變-疲勞損傷評定規(guī)則對于其它加載方式的包容性，因此，本文選取了ASME規(guī)范中已有高溫數(shù)據(jù)的316不銹鋼。通過對316不銹鋼開展700°C下的高溫拉伸試驗、高溫蠕變試驗、高溫疲勞試驗獲得該種國產(chǎn)材料的基本力學(xué)性能，通過與ASME規(guī)范對比了解該規(guī)范對于國產(chǎn)材料在高溫范圍的適用性。并且，基于以上數(shù)據(jù)開展了三類具有不同加載歷史的蠕變-疲勞交互試驗，深入了解316不銹鋼的蠕變-疲勞交互作用的特性，通過將試驗數(shù)據(jù)與ASME規(guī)范對比，獲知該規(guī)范在高溫蠕變-疲勞損傷評定方面對于國產(chǎn)材料的適用性，以及該規(guī)范對于其它加載方式的包容性或可能的保守性，還能為完善未來第四代反應(yīng)堆中高溫結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)特性數(shù)據(jù)庫以及相關(guān)的評定準(zhǔn)則提供可行的方法。

1 ASME蠕變-疲勞損傷評定準(zhǔn)則

ASME第三卷NH分冊給出了蠕變-疲勞損傷的評定準(zhǔn)則

式中，D為蠕變-疲勞交互作用損傷因子，(Nd)j為j類循環(huán)類型下的疲勞許用循環(huán)次數(shù)，(Td)k為在第k個時間區(qū)間內(nèi)蠕變許用持續(xù)時間，(n)j為j類循環(huán)類型下的實際循環(huán)次數(shù)，p為循環(huán)類型數(shù)，q為蠕變時間區(qū)間數(shù)，(Δt)k為在第k個時間區(qū)間內(nèi)實際蠕變持續(xù)時間。圖1是ASME 316不銹鋼蠕變-疲勞損傷D的包絡(luò)圖。

圖1 ASME 316不銹鋼蠕變-疲勞損傷包絡(luò)線Fig.1 Creep-fatigue damage envelop of 316SS from ASME.

2 高溫拉伸、蠕變、疲勞試驗

在開展蠕變-疲勞交互試驗之前，在700°C下對316不銹鋼開展了高溫拉伸試驗、高溫蠕變試驗、高溫疲勞試驗，以獲取316不銹鋼的基本力學(xué)性能以及獲得其蠕變壽命與疲勞壽命。

高溫拉伸試驗在MTS809-250kN/2000Nm拉扭材料試驗機上完成，旨在獲得材料在選定溫度下的基本力學(xué)性能，如彈性模量E，屈服強度σp0.2，抗拉強度σb，為確定后繼的試驗載荷水平提供參考。在恒定應(yīng)變速率下對試樣進行單調(diào)拉伸，做出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而得到材料的基本力學(xué)性能，彈性模量E=83.5 GPa、屈服強度2.0pσ=108.5 MPa、屈服強度bσ=308 MPa。高溫拉伸試樣按照GB/T4338-2006（金屬材料高溫拉伸試驗方法）設(shè)計，見圖2。

圖2 高溫拉伸試樣Fig.2 Specimen of tensile test in elevated temperature.

高溫蠕變試樣采用國標(biāo)GB/T 2039-1997（金屬拉伸蠕變及持久試驗方法）中推薦的標(biāo)準(zhǔn)圓形橫截面蠕變試樣，如圖3所示。高溫蠕變試驗在CRITM RPL100電子蠕變疲勞試驗機上完成，設(shè)備見圖4。高溫蠕變試驗旨在獲得材料在給定載荷情況下的蠕變曲線和斷裂發(fā)生的時間，即獲得與應(yīng)力值相對應(yīng)的容許持續(xù)時間T，以便計算蠕變-疲勞交互作用下由蠕變引起的損傷(Tc/T)。在700°C下，對試件施加225 MPa的載荷，獲得試件的蠕變壽命，蠕變演化曲線見圖5。

ASME規(guī)范中，在700°C溫度下，316不銹鋼在225 MPa載荷下的蠕變壽命為0.51 h。試驗得到的蠕變壽命約為規(guī)范給出的蠕變壽命的20倍，可見對于316不銹鋼的蠕變壽命，規(guī)范具有相當(dāng)大的保守性。

圖3 高溫蠕變試樣Fig.3 Specimen of creep test in elevated temperature.

圖4 CRITM RPL100電子蠕變疲勞試驗機Fig. 4 CRITM RPL100 electronic creep/fatigue tester.

圖5 225 MPa下316不銹鋼蠕變曲線Fig. 5 Creep strain v.s. time of 316SS under 225 MPa loading.

高溫疲勞試驗采用與蠕變試驗相同的試樣形式，在CRITM RPL100電子蠕變疲勞試驗機上完成，旨在獲得材料在選定溫度下的疲勞特性，即通過試驗數(shù)據(jù)得到相應(yīng)循環(huán)應(yīng)力幅值下對應(yīng)的許用循環(huán)次數(shù)，N。N將用于計算高溫下蠕變-疲勞交互作用下由循環(huán)載荷引起的疲勞損傷因子(Nf/N)。高溫疲勞試驗在700°C下，采用25–225 MPa應(yīng)力控制的循環(huán)方式，其循環(huán)次數(shù)與峰值應(yīng)變的關(guān)系見圖6。

圖6 25–225 MPa應(yīng)力控制循環(huán)中峰值應(yīng)變的演化Fig.6 Maximum strain vs number of cycle under 25–225 MPa cyclic stress-control loading.

3 蠕變-疲勞交互試驗與結(jié)果分析

高溫蠕變-疲勞交互試驗試樣采用與蠕變試驗相同的試樣形式，在CRITM RPL100電子蠕變疲勞試驗機上完成。高溫蠕變-疲勞交互試驗分三類工況（對應(yīng)于三種不同的加載方式），具體按如下步驟進行：

(1) 第一類工況：在循環(huán)中施加蠕變保載時間方式（具有保載時間）

讓試件在某一指定應(yīng)力幅下進行非對稱疲勞，在每個循環(huán)過程中應(yīng)力達到最大數(shù)值時，保持一定時間，實現(xiàn)蠕變與疲勞的交互，直至試件斷裂。加載方式見圖7(a)。

(2) 第二類工況：先疲勞后蠕變

讓試件在某一應(yīng)力幅下進行非對稱疲勞至某一疲勞壽命分?jǐn)?shù)（循環(huán)周次/疲勞壽命），然后讓試件在指定的應(yīng)力下蠕變，直至試件斷裂。加載方式見圖7(b)。

(3) 第三類工況：先蠕變后疲勞

讓試件在某一指定應(yīng)力下蠕變至某一蠕變壽命分?jǐn)?shù)（蠕變時間/蠕變壽命），然后讓試件進行非對稱疲勞，直至試件斷裂。加載方式見圖7(c)。

在具有保載時間的蠕變-疲勞交互試驗中，開展了3種不同保載時間的試驗，保載時間分別為1min、15 s、3.5 s。試驗結(jié)果顯示試件分別在274、887、3014個循環(huán)周次后斷裂，疲勞壽命分?jǐn)?shù)分別為0.06、0.2、0.67，蠕變壽命分?jǐn)?shù)分別為0.41、0.34、0.27，蠕變壽命分?jǐn)?shù)與疲勞壽命分?jǐn)?shù)之和分別為0.47、0.54、0.94。

圖7 分類加載工況 (a) 具有保載時間；(b) 先疲勞后蠕變；(c) 先蠕變后疲勞Fig.7 Classified loading type. (a) hold time; (b) pre-fatigue+creep; (c) pre-creep+fatigue

圖8(a)給出具有保載時間的加載方式下由成對蠕變壽命分?jǐn)?shù)、疲勞壽命分?jǐn)?shù)組成的蠕變-疲勞試驗點。當(dāng)保載時間較長時，蠕變-疲勞試驗點位于規(guī)范給出的包絡(luò)線的下方，說明直接采用蠕變試驗、疲勞試驗獲得的相關(guān)壽命來計算壽命分?jǐn)?shù)，據(jù)此得到的蠕變-疲勞試驗點按照規(guī)范提供的包絡(luò)線來評定不具有保守性。這個現(xiàn)象很容易理解，因為規(guī)范的包絡(luò)線能夠被應(yīng)用的前提是需要安全系數(shù)很高的設(shè)計疲勞曲線以及設(shè)計蠕變斷裂曲線。所以，在使用沒有考慮一定安全系數(shù)的蠕變壽命及疲勞壽命來計算蠕變分?jǐn)?shù)和疲勞分?jǐn)?shù)時，試驗點將位于包絡(luò)線下方。只有當(dāng)保載時間較短時，蠕變-疲勞試驗點位于包絡(luò)線上方，但蠕變分?jǐn)?shù)與疲勞分?jǐn)?shù)之和仍小于1，說明在這種蠕變-疲勞交互作用的影響下，試件壽命縮短，且保載時間越長，壽命縮短越多。

從圖8(a)還發(fā)現(xiàn)，隨著疲勞分?jǐn)?shù)的增加，蠕變分?jǐn)?shù)呈遞減的趨勢，說明蠕變與疲勞呈現(xiàn)互相抑制的關(guān)系。因此，具有保載時間的加載方式對試件的壽命有較大影響，試件壽命明顯下降。在圖9所示的雙對數(shù)坐標(biāo)軸下，保持時間與循環(huán)周次之間呈線性關(guān)系，即保載時間越長，循環(huán)分?jǐn)?shù)與蠕變分?jǐn)?shù)越低，這也從另一方面說明了保載時間對于試件壽命的有害性。

在先疲勞后蠕變的蠕變-疲勞交互試驗中，開展了3種不同疲勞壽命分?jǐn)?shù)的試驗。將試件在規(guī)定的條件下分別完成0.2N、0.38N、0.56N次循環(huán)之后，繼續(xù)蠕變，結(jié)果試件分別在2.43、2.09、1.6 h后斷裂，蠕變壽命分?jǐn)?shù)分別為0.22、0.19、0.15，蠕變壽命分?jǐn)?shù)與疲勞壽命分?jǐn)?shù)之和分別為0.42、0.57、0.71。圖8(b)給出了先疲勞后蠕變加載方式下蠕變壽命分?jǐn)?shù)、疲勞壽命分?jǐn)?shù)組成的蠕變-疲勞試驗點與包絡(luò)線的對比。在所考慮的疲勞壽命分?jǐn)?shù)范圍之內(nèi)，蠕變-疲勞試驗點均在規(guī)范給出的包絡(luò)線的下方，并且，隨著疲勞分?jǐn)?shù)的增加，蠕變壽命分?jǐn)?shù)呈遞減的趨勢，說明在先疲勞后蠕變的加載方式下，蠕變與疲勞呈現(xiàn)互相抑制的關(guān)系，使得試件的壽命發(fā)生了明顯的降低。在蠕變分?jǐn)?shù)與疲勞分?jǐn)?shù)相差不大時，試件的壽命降低最多。上述試驗說明，預(yù)先疲勞會明顯降低試件的蠕變壽命，劣化材料的蠕變性能。

在先蠕變后疲勞的蠕變-疲勞交互試驗中，開展了3種不同蠕變壽命分?jǐn)?shù)的試驗。將試件在規(guī)定的條件下分別完成0.2T、0.5T、0.6T的蠕變時間之后，施加規(guī)定的循環(huán)載荷，結(jié)果試件分別在8911、5547、6037個循環(huán)周次后斷裂，疲勞壽命分?jǐn)?shù)分別為1.98、1.23、1.34，蠕變壽命分?jǐn)?shù)與疲勞壽命分?jǐn)?shù)之和分別為2.18、1.73、1.94。圖8(c)給出了先蠕變后疲勞加載方式下蠕變、疲勞壽命分?jǐn)?shù)，并與ASME規(guī)范給出的蠕變-疲勞損傷包絡(luò)圖進行了比較。即便是直接采用試驗得到的蠕變壽命及疲勞壽命計算相應(yīng)的壽命分?jǐn)?shù)，得到的蠕變-疲勞試驗點都在規(guī)范給出的包絡(luò)線的上方，說明據(jù)此方法得到的蠕變-疲勞試驗點按照規(guī)范提供的包絡(luò)曲線來評定具有很大的保守性。并且，先蠕變后疲勞的加載方式能夠提高316不銹鋼的蠕變-疲勞壽命。在先進行蠕變試驗之后再進行疲勞試驗，可以大大提高后續(xù)的疲勞試驗的壽命，使其甚至超過了原始試件的疲勞壽命。這說明預(yù)先蠕變有助于增加試件的疲勞壽命，能優(yōu)化材料的疲勞性能。

圖8 蠕變/疲勞壽命分?jǐn)?shù)（蠕變、疲勞壽命由高溫蠕變試驗、高溫疲勞試驗確定） (a) 有保載時間；(b) 先疲勞后蠕變；(c) 先蠕變后疲勞 ◆：由成對蠕變壽命分?jǐn)?shù)、疲勞壽命分?jǐn)?shù)組成的蠕變–疲勞試驗點；——：ASME規(guī)范中316不銹鋼的蠕變-疲勞損傷包絡(luò)曲線Fig.8 Creep/fatigue life fraction (creep/fatigue life is determined from creep/fatigue test). (a) hold time; (b) pre-fatigue+creep; (c) pre-creep+fatigue◆: test data composed of creep life fraction and fatigue life fraction; ——: creep-fatigue damage envelop of 316SS from ASME

對比具有保載時間的蠕變-疲勞交互試驗與先疲勞后蠕變的蠕變-疲勞交互試驗，當(dāng)疲勞壽命分?jǐn)?shù)都為0.2時，前者得到的蠕變、疲勞壽命分?jǐn)?shù)之和大于后者。綜合上述情況可以發(fā)現(xiàn)，先疲勞后蠕變的交互方式對壽命的削減作用最大，其次是具有保載時間的交互方式，而先蠕變后疲勞的交互方式則有助于壽命的延長。以上316不銹鋼材料的蠕變-疲勞交互作用特性可以在實際的使用當(dāng)中加以利用，以延長設(shè)備的使用壽命(圖9)。

若采用ASME規(guī)范提供的設(shè)計疲勞曲線以及設(shè)計蠕變斷裂曲線來確定材料的疲勞壽命與蠕變壽命，進而確定蠕變-疲勞交互試驗的疲勞壽命分?jǐn)?shù)與蠕變壽命分?jǐn)?shù)，則結(jié)果如圖10所示。

可見，由于ASME規(guī)范在設(shè)計疲勞曲線以及設(shè)計蠕變斷裂曲線中采用了很大的安全系數(shù)，因此，規(guī)范提供的蠕變-疲勞損傷包絡(luò)圖可以涵蓋以上三種蠕變-疲勞交互方式，只是對于不同的交互方式，評定結(jié)果的保守性不同，先疲勞后蠕變交互損傷的評定結(jié)果保守性最低，先蠕變后疲勞交互損傷的評定結(jié)果保守性最高，具有保載時間的交互損傷的評定結(jié)果介于兩者之間。

圖9 保持時間與失效時的循環(huán)周次間關(guān)系Fig.9 Hold time v.s. number of cycle at failure.

4 結(jié)論

基于以上三種不同加載方式的蠕變-疲勞交互試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

ASME規(guī)范提供的針對316不銹鋼的蠕變-疲勞損傷包絡(luò)曲線能夠涵蓋以上三種不同的蠕變-疲勞交互方式，并且都具有一定的保守性；先疲勞后蠕變及具有保載時間的加載方式都惡化材料的蠕變-疲勞特性，降低材料蠕變-疲勞壽命，而先蠕變后疲勞的蠕變-疲勞交互方式有助于優(yōu)化材料的蠕變-疲勞性能；先蠕變后疲勞的加載方式能夠優(yōu)化材料的蠕變-疲勞特性，可以在工程中加以利用，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

圖10 蠕變-疲勞壽命分?jǐn)?shù)（蠕變、疲勞壽命取自ASME規(guī)范） (a) 具有保載時間；(b) 先疲勞后蠕變；(c) 先蠕變后疲勞◆：由成對蠕變壽命分?jǐn)?shù)、疲勞壽命分?jǐn)?shù)組成的蠕變-疲勞試驗點；——：ASME規(guī)范中316不銹鋼的蠕變-疲勞損傷包絡(luò)曲線Fig.10 Creep/fatigue life fraction (creep/fatigue life is determined from ASME). (a) hold time; (b) pre-fatigue+creep; (c) pre-creep+fatigue◆: test data composed of creep life fraction and fatigue life fraction; ——: creep-fatigue damage envelop of 316SS from ASME

1 The American Society of Mechanical Engineers. ASME Boiler Pressure Vessel Code, 2004. Section III, Rules for Construction of Nuclear Power Plant Components, Div.1, Subsection NH, Class 1 Components in Elevated Temperature Service[S]. ASME, New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2004

2 Campbell R D. Creep/fatigue interaction correlation for 304SS subjected to strain-controlled cycling with hold times at peak strain[J]. Journal of Engineering for Industry, 1971: 887–892

3 Vorpahl C, M?slang A, Rieth M. Creep-fatigue interaction and related structure property correlations of EUROFER97 steel at 550°C by decoupling creep and fatigue load[J]. Journal of Nuclear Materials, 2011, 417: 16–19

Experimental investigation and ASME code study of creep-fatigue interaction correlation for 316 stainless steel

TAN Xiaohui1MA Jianzhong1LIU Yujie2DAI Zhenyu2
1(Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610041, China) 2(Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Background: In super-critical water-cooled reactor, creep-fatigue under high working temperature will affect life of various equipments. Purpose: Understanding characteristics of creep-fatigue interaction correlation is important before evaluating its damage by ASME code. Methods: In order to study creep-fatigue interaction of 316 stainless steel (316SS), three types of creep-fatigue interaction have been taken into consideration in our experiments, which include traditional creep-fatigue interaction subjected to cycling load with hold times at its peak and also creep-fatigue interaction by decoupling creep and fatigue load. Based on the experimental data, the different types of creep-fatigue interaction have been compared and discussed. Moreover, suitability of ASME NH rules in assessing various creep-fatigue interactions of 316SS produced in China is investigated. Results: Creep-fatigue damage envelop of 316SS from ASME can cover the experimental results from the three types of experiments mentioned above. Conclusions: This experimental study is useful as a reference in creep-fatigue interaction experiments, application of ASME code and study of mechanical characteristic of high temperature structural materials in generation IV nuclear power plant.

316SS, Creep, Fatigue, Creep-fatigue interaction, Loading history

TK225

10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.040642

譚曉惠，女，1978年出生，2008年于香港大學(xué)機械工程專業(yè)獲博士學(xué)位，工程師，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)研究工作

2012-,10-09，

2012-12-28

CLC TK225