典型壓力容器用鋼13 M n NiMoR的高溫疲勞性能研究

孫戰(zhàn)立 張 崢

（北京航空航天大學 北京 100191）

壓力容器、發(fā)電鍋爐等裝備經常在石油化工、動力等行業(yè)使用，這些設備的正常運轉對企業(yè)來說至關重要。但這些設備一般都要長期在高溫下工作，工作過程中，除了承受靜載荷之外，一般還要承受各種因素引起的交變載荷，如頻繁的開、關機，快速較大范圍的溫度的波動以及強迫振動等。這些因素引起的交變載荷加在靜載荷上，使設備很容易產生疲勞損傷。低周疲勞破壞，一直以來都是壓力容器破壞的主要形式之一[1]。

而且隨著工業(yè)的進步和發(fā)展，壓力容器的工作環(huán)境日益復雜，使用溫度也越來越高，這也對材料在高溫下的抗疲勞問題，提出了極高的要求[2]。研究壓力容器用鋼在高溫靜載荷、交變載荷作用下的力學性能，不僅是壓力容器結構和服役設計的基礎，也是材料通過新的相關法規(guī)認可實現(xiàn)更深層次的工業(yè)應用的基本要求之一，更有助于開發(fā)典型壓力容器用鋼在高溫下的使用潛力，為高溫下的使用提供可靠地依據，為材料實現(xiàn)更深層次的工業(yè)應用打下基礎，也提供了壓力容器設計及選材不可或缺的基礎數(shù)據。

本文選取典型的壓力容器用鋼13MnNiMoR，分別對其進行高溫拉伸實驗、高溫低周疲勞實驗，研究13MnNiMoR在短暫超過其最高設計許用溫度后的高溫拉伸性能及高溫疲勞性能，分析溫度對高溫拉伸性能和疲勞性能的影響以及在高溫下的失效風險，挖掘典型壓力容器用鋼在高溫下的使用潛力，同時也根據實驗結果，對JB 4732中相應的疲勞設計曲線是否適用于中高溫進行分析，并對其在高溫下的修正提供一定的意見或想法。

1 實驗方案

試驗所用材料13MnNiMoR是一種低合金高強鋼，屬中溫中壓鍋爐和壓力容器用鋼，板厚31mm，鋼板化學成分及含量符合標準，鋼板軋制方向已標記。在GB 150—2011《壓力容器》中，規(guī)定了13MnNiMoR在靜載下的最高設計使用溫度為400℃。在JB 4732—2005《鋼制壓力容器——分析設計標準》中，規(guī)定了在考慮交變載荷時13MnNiMoR的最高設計使用溫度為375℃，要比靜載荷下的許用溫度低。13MnNiMoR的高溫拉伸實驗和高溫疲勞實驗主要在兩個許用溫度之間進行。

13MnNiMoR的原始金相組織見圖1所示，為細晶結構，是典型的鐵素體加回火貝氏體的混合組織，保留有部分貝氏體晶界。黑色點狀和針狀為滲碳體顆粒，分布越彌散，貝氏體強度越高[3]。黑色塊狀為夾雜，夾雜分布不均，并存在一定帶狀組織。

圖1 13MnNiMoR原始金相組織

1.1 高溫拉伸性能測試

實驗目的是通過對13MnNiMoR在許用溫度上限附近進行高溫拉伸性能測試，獲取13MnNiMoR高溫力學性能，得到材料在不同溫度下的應力應變曲線、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率。根據實驗結果分析溫度對13MnNiMoR的高溫拉伸力學性能的影響，以進一步判斷13MnNiMoR材料在高溫下靜力學性能變化情況及使用安全性。

實驗是在INSTRON 8801試驗機上進行的，試驗遵循中華人民共和國國家標準GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T 4338—2006《金屬高溫拉伸試驗方法》進行。試樣尺寸如圖2所示，從鋼板上取樣時試樣長軸垂直于鋼板的軋制方向。

圖2 拉伸試樣形狀和尺寸

試驗溫度分別為375℃、400℃、425℃，每個溫度下重復做3根試件，計9根。橫梁位移速率控制在1mm/min。試樣加溫的升溫速度為5~10℃/min ，無應力狀態(tài)升溫到設定溫后，保溫10min，直到爐內三個熱電偶檢測的溫度均到設定溫度后開始進行拉伸實驗。由于在各個溫度點下的恒溫時間較短， 故未充分考慮蠕變的影響。

為盡量避免應力集中和表面粗糙度對試驗結果產生影響，實驗前對拉伸試樣標距段采用5000#德國勇士砂紙進行了打磨拋光。

1.2 高溫疲勞性能測試

本實驗的目的是通過對13MnNiMoR在不同溫度下的疲勞試驗，獲得13MnNiMoR在高溫下的疲勞壽命、疲勞性能變化趨勢，建立相應溫度下的應力壽命曲線，通過比較不同溫度下的應力壽命曲線變化趨勢，分析溫度對13MnNiMoR疲勞性能的影響規(guī)律，以進一步判斷該種材料在高溫交變載荷下的疲勞失效風險與使用安全性。

實驗是在INSTRON 8801試驗機上進行的，疲勞試樣形狀和尺寸根據GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》進行設計，實驗過程也嚴格依照該標準進行，具體尺寸如圖3所示，為減小應力集中和表面粗糙程度對試驗結果離散性的影響，試件表面拋光。實驗過程中通過立式三段式爐進行加熱，爐內有上中下三個熱電偶實時監(jiān)測爐內溫度，到溫后保溫10min再開始進行試驗。

圖3 疲勞試樣的形狀和尺寸

本文基于升降法開展13MnNiMoR高溫下的低周疲勞性能測試，試驗溫度分別為375℃、400℃、425℃，每個溫度組選四個不同應力水平進行測試。試驗應力水平由高溫拉伸試驗決定，一般首先從相應溫度下的屈服強度開始往上做，根據首根的實驗結果進行調整，每個應力水平獲得至少兩個有效的疲勞壽命。

控制方式：應力控制下的低周疲勞試驗更接近于工程實際中壓力容器的使用情況。另外，當溫度較高時，普通的引伸計不再適用，此時需要使用石英棒制成的高溫引伸計，而且需要將引伸計引導到爐子以外。實際應變控制高溫低周疲勞實驗較為困難，尤其是對于大變形加速階段。因此，在本文中，高溫低周疲勞試驗采用的是應力控制的控制方式。

應力比：壓力容器用鋼均為塑性非常好的高強度鋼，在拉應力下，能發(fā)生較大的塑性變形而不被破壞，而且經常會發(fā)生棘輪效應和動態(tài)應變強化，而導致疲勞壽命異常。因此，試驗中采用應力比為-1，進行拉壓疲勞，可以在一定程度上避免棘輪效應和動態(tài)應變強化，得到的結果比較能代表此溫度下的疲勞壽命，較為精確。而且，一般的低周疲勞實驗，應力比為-1時，得到的疲勞極限值最小，因此，本文中采用應力比-1，也更能反映材料疲勞性能的極限值。

載荷波形：正弦波。加載頻率：10Hz。

2 實驗結果分析與討論

2.1 高溫拉伸性能測試結果分析與討論

從13MnNiMoR鋼板上取材加工拉伸試樣進行高溫拉伸實驗，取樣及實驗方案遵循1．1小節(jié)方法，試驗溫度分別為375℃、400℃、425℃。通過拉伸實驗，測得的13MnNiMoR光滑試樣的高溫力學性能參量見表1，圖4為13MnNiMoR拉伸試樣在不同溫度下的拉伸應力應變曲線，從圖4中看出，受溫度的影響，13MnNiMoR鋼的拉伸形變行為發(fā)生明顯變化，在高溫下的抗拉強度、延伸率、斷面收縮率與室溫下都有所不同。

圖4 13MnNiMoR拉伸試樣不同溫度下的應力應變曲線

表1 13MnNiMoR拉伸試樣不同溫度下的拉伸性能

對實驗后的數(shù)據處理，得到13MnNiMoR拉伸試樣抗拉強度隨溫度的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，13MnNiMoR拉伸試樣在實驗溫度范圍內，所得的抗拉強度隨溫度的升高先升高，后下降，在375℃時取峰值?？估瓘姸葟?75℃到400℃下降6%，從400℃到425℃下降6．8%，在375℃-425℃范圍內，隨溫度升高抗拉強度基本上呈均勻下降趨勢。

圖5 13MnNiMoR拉伸試樣抗拉強度隨溫度的變化

根據拉伸實驗結果，抗拉強度在靜載荷作用下的最高許用溫度即400℃時，相比交變載荷作用下的最高許用溫度即375℃時下降6%左右?？估瓘姸茸兓淮?，未出現(xiàn)急劇變化現(xiàn)象。

375℃時測得的抗拉強度比室溫略高，可能是因為時效硬化所造成的。375℃后，抗拉強度隨溫度升高而下降，原因可能如下：隨著溫度的升高，一方面，位錯的動態(tài)回復增強，導致位錯活性降低，在應力作用下，位錯的形成率低；另一方面，高溫下金屬原子擴散能力增強，柯氏氣團對位錯的扎釘作用減弱，位錯的滑移能力增強，從而使強度降低。

對實驗后的數(shù)據處理，得到13MnNiMoR拉伸試樣的延伸率和斷面收縮率隨溫度的變化規(guī)律如圖6、圖7所示，由圖可知，13MnNiMoR拉伸試樣延伸率和斷面收縮率在試驗溫度范圍內均隨溫度先下降，后上升，在400℃左右，出現(xiàn)最低值。13MnNiMoR拉伸試樣延伸率從375℃到400℃，平均下降11．8%，從400℃到425℃，平均上升6．0%；13MnNiMoR拉伸試樣斷面收縮率從375℃到400℃，平均下降3．5%，從400℃到425℃，平均上升2．7%。

結果表明13MnNiMoR材料在400℃以下的溫度區(qū)間，產生了不同程度的脆化，400℃以后，13MnNiMoR拉伸試樣的塑性隨溫度升高而升高。影響金屬材料塑性的因素有很多，溫度對其也有很大的影響。在實際生產中，經常會遇到因溫度選取不當而造成的構件損壞[4]。對于大部分金屬材料，隨著溫度的升高，其塑性并非一直上升。當溫度升高時，也會出現(xiàn)低溫、中溫、高溫脆性。對于出現(xiàn)低溫、中溫、高溫脆性的原因可能是何氏氣團扎釘位錯，阻礙位錯運動，塑性隨之下降。

圖6 13MnNiMoR拉伸試樣延伸率隨溫度的變化

圖7 13MnNiMoR拉伸試樣斷面收縮率隨溫度的變化

圖8為各個溫度下13MnNiMoR拉伸試樣的應力應變曲線屈服階段的細節(jié)，通過對比比較明顯的可以看出，隨著溫度升高，材料的屈服強度逐漸下降。常溫下13MnNiMoR鋼的拉伸曲線有明顯到的屈服平臺，上下屈服點都清晰可見，溫度上升到400℃時，屈服平臺開始變得不那么明顯，長度變小，轉變急促；425℃時，材料完全沒有了屈服平臺，屈服效應消失，整個曲線平滑上升。

13MnNiMoR拉伸試樣屈服現(xiàn)象產生的原因主要是晶體內部位錯運動導致晶粒變形，進而引起變形帶的擴展。應變速率ε與晶體內的可動位錯密度，位錯運動速度v及位錯矢量b的關系符合式（1）：

圖8 13MnNiMoR拉伸試樣應力應變曲線屈服階段細節(jié)

本試驗試樣通過拉伸速率對拉伸過程進行控制，拉伸速率保持恒定。晶體內的可動位錯密度較低，維持恒定夾頭速率需要較大的位錯運動速率，位錯運動速率與應力τ成正比，如式(2)所示：

更大的位錯運動速率對應著更大的應力值，對應著屈服平臺的應力峰。位錯從不可動狀態(tài)到可動狀態(tài)需要克服晶格阻力和溶質原子的扎釘作用，從能量的角度便是需要克服一個能壘。晶格阻力便是派納力，派納力對溫度極其敏感?？朔@個能壘的能量來源在常溫下只是外力作用，但是在高溫環(huán)境下，材料內部的原子運動加劇，原子間結合力減弱，派納力下降，同時對位錯起扎釘作用的溶質原子受溫度影響發(fā)生擴散遷移。此時大量的被扎釘?shù)牟豢蓜游诲e變成可動位錯，扎釘作用被削弱，溫度越高，扎釘作用被削弱的越明顯，初始可動位錯密度大大增加，所以鋼拉伸時，測試溫度越高，屈服應力峰值呈線性下降趨勢。13MnNiMoR拉伸試樣屈服平臺長度在室溫-400℃之間逐漸減小，在425℃屈服平臺完全消失，表明溫度升高，13MnNiMoR拉伸試樣屈服階段的塑性變形由不均勻向均勻轉變。

2.2 高溫疲勞性能測試結果分析與討論

從13MnNiMoR鋼板上取材加工疲勞試樣進行高溫低周疲勞實驗，取樣及實驗方案遵循1．2章節(jié)方法，遵循以上方法，獲得的13MnMiMoR在375℃、400℃、425℃下的疲勞壽命見表2。由于每個應力下只獲得兩組有效壽命，疲勞壽命的分散性可能較大，測得的應力壽命曲線僅供疲勞設計參考，用于大致評估材料的疲勞性能。

表2 13MnNiMoR試樣不同溫度、不同應力水平下的疲勞壽命

對13MnNiMoR疲勞試樣不同溫度下實驗后的疲勞壽命進行處理，得到13MnNiMoR疲勞試樣在不同溫度下的散點圖及其擬合后得到的應力壽命曲線如圖9所示。

圖 9 13MnNiMoR試樣不同溫度下的應力壽命圖

對13MnNiMoR疲勞試樣在不同溫度下測得的應力壽命曲線左右對比分析，可以看出，在同一應力下，相比于425℃和400℃的結果，375℃時材料的疲勞壽命總體趨勢偏右，而且偏右的幅度比400℃到425℃度時更加大，說明在應力作用下，溫度升高會降低材料的疲勞壽命，疲勞壽命從375℃到400℃比從400℃到425℃降低的幅度要大。

對測得的13MnNiMoR疲勞試樣不同溫度下的三條應力壽命曲線上下對比分析，發(fā)現(xiàn)應力較大時，不同溫度下的疲勞壽命差異較小，分散性較??；在應力較小時，不同溫度下的疲勞壽命差異較大，分散性較大，溫度對疲勞壽命的影響在小應力時更加明顯。

對比分析測得的13MnNiMoR在不同溫度下的三條應力壽命曲線的斜率，發(fā)現(xiàn)425℃時的應力壽命曲線斜率絕對值最大，表明此時疲勞壽命隨應力的變化急劇變化；其次是400℃時的曲線的斜率；375℃時應力壽命曲線斜率絕對值最小，此時疲勞壽命隨應力的變化幅度最為平緩。這表明溫度升高，疲勞壽命對應力越來越敏感，疲勞壽命隨應力的變化越來越快。

2.3 根據實驗結果對JB 4732中疲勞設計曲線修正的建議和想法

世界上很多國家都已制訂了壓力容器疲勞設計規(guī)則。最早出現(xiàn)的是在1965年美國機械工程師學會(ASME)鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷核動力裝置部件(簡稱ASME-Ⅲ)中及1968年版的第Ⅷ卷壓力容器第二冊另一規(guī)程(簡稱ASME-Ⅷ-2)中，其設計方法是以Langer的研究成果為基礎的，用多個母材制光滑小試件，在恒應變控制單軸向對稱循環(huán)條件下進行疲勞試驗，測得該材料疲勞失效的平均壽命曲線。我國制定的《鋼制壓力容器——分析設計標準》（JB 4732—2005）中的疲勞分析的內容與ASME也是基本一致，中國JB 4732規(guī)范中，移植了ASME中五條設計疲勞曲線中的四條。

對高溫下所測得13MnNiMoR的疲勞壽命，結合JB 4732標準中規(guī)范的相應疲勞壽命的數(shù)值，繪制到同一表中，得到13MnNiMoR材料不同溫度下的應力壽命曲線及JB 4732疲勞設計曲線，如圖10所示。

對13MnNiMoR材料不同溫度下的應力壽命曲線與JB 4732疲勞設計曲線左右對比分析，發(fā)現(xiàn)同一應力下，在應力較小時，相比于JB 4732標準中規(guī)定的壽命數(shù)值，實驗所測得的疲勞壽命總體趨勢都偏右，溫度越低，偏右程越大，這說明在小應力作用下，溫度升高會降低材料的疲勞壽命，但總體上測得的疲勞壽命均在標準中規(guī)定的數(shù)值上面，有一定的安全裕量。

圖10 13MnNiMoR試樣不同溫度下的應力壽命曲線與JB 4732種疲勞設計曲線的比較

同一應力下，應力較大時，實驗所測得的應力壽命曲線與JB4732標準中規(guī)定的壽命數(shù)值有交叉，部分在標準曲線的左方，這說明應力較大時，實驗測得的疲勞壽命會有低于標準值的風險，此時應該注意由此帶來的安全隱患。這也表明，JB 4732中的疲勞設計曲線在高溫下的適用性有所受限，尤其在應力較大時。

對實驗測得的13MnNiMoR材料在不同溫度下的應力壽命曲線與JB 4732疲勞設計曲線上下對比分析，發(fā)現(xiàn)應力較大時，不同溫度下的疲勞壽命差異較小，分散性較??；當應力較小時，不同溫度下的疲勞壽命差異較大，分散性較大，這表明應力較小時溫度對疲勞壽命的影響程度更明顯。

對比分析實驗測得的13MnNiMoR材料在不同溫度下的應力壽命曲線以及JB 4732疲勞設計曲線的斜率，發(fā)現(xiàn)13MnNiMoR所測得的應力壽命曲線斜率（絕對值）隨溫度升高而增大，但都小于疲勞設計曲線的斜率，這表明溫度越高，疲勞壽命對應力越來越敏感。

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，JB 4732中的抗疲勞設計曲線，在高溫下適用性有所受限，尤其是在應力較大時，實驗得到的應力壽命曲線與JB4732疲勞設計曲線有一定的重合，甚至在JB 4732曲線的左方，實驗測得的疲勞壽命會有低于標準值的風險。小應力時，實驗測得曲線基本都在JB 4732中的抗疲勞設計曲線在右方，有一定的安全裕量。因此，當考慮到溫度的影響對JB 4732疲勞設計曲線進行修正時，大應力與小應力時，可以分開考慮。

3 結束語

通過對13MnNiMoR材料在不同溫度下進行高溫拉伸性能測試、高溫低周疲勞性能測試，得到如下結論：

1）在試驗溫度375℃至425℃范圍內，13MnNiMoR拉伸試樣抗拉強度隨溫度基本上呈均勻下降趨勢，未出現(xiàn)急劇惡化現(xiàn)象。13MnNiMoR拉伸試樣延伸率和斷面收縮率在試驗溫度范圍內隨溫度先下降，后上升，在400℃左右，出現(xiàn)最低值。在短暫超過許用溫度后，靜力學性能變化不大，均未出現(xiàn)急劇惡化現(xiàn)象。

2）通過高溫低周疲勞實驗，得到13MnNiMoR在375℃、400℃、425℃下的高溫疲勞性能，并建立了相應溫度下的應力壽命曲線。對應力壽命曲線左右對比分析，發(fā)現(xiàn)在同一應力下，相比于425℃和400℃的結果，375℃時材料的疲勞壽命總體趨勢偏右，而且偏右的幅度比400℃到425℃度時更加大，說明在應力作用下，溫度升高會降低材料的疲勞壽命。對應力壽命曲線上下對比分析，發(fā)現(xiàn)應力較大時，不同溫度下的疲勞壽命差異較?。粦^小時，不同溫度下的疲勞壽命差異較大，溫度對疲勞壽命的影響程度在小應力時顯得更加明顯。

3）通過對比分析實驗測得的13MnNiMoR不同溫度下的三條應力壽命曲線與JB 4732中的疲勞設計曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在應力較大時實驗得到的應力壽命曲線與JB 4732疲勞設計曲線有一定的重合，甚至在標準中規(guī)范曲線左側，實驗測得的疲勞壽命會有低于標準值的風險；在小應力時，實驗測得曲線基本都在JB 4732中的疲勞設計曲線在右方，有一定的安全裕量。這表明JB 4732中的疲勞設計曲線，在高溫下適用性有所受限，尤其是在應力較大時，因此，當考慮到溫度的影響對JB 4732疲勞設計曲線進行修正時，大應力與小應力時，可以分開考慮。