P92鋼應(yīng)變速率相關(guān)的高溫低周疲勞行為研究

張尚林，軒福貞，羅 英 ，邱 天 ，邱 陽(yáng) ，胡 甜

(1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610213；2.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237)

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保的要求和能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型需求日益迫切，核能作為關(guān)鍵的清潔能源越來(lái)越受到重視。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外核電技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，第四代核反應(yīng)堆技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，鈉冷快堆、氣冷快堆、鉛冷快堆、超臨界水堆、超高溫堆和熔鹽堆等堆型被眾多國(guó)家推薦為第四代先進(jìn)核能系統(tǒng)。相比于前三代核反應(yīng)堆技術(shù)，第四代在可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性方面都有明顯提升,但是，相應(yīng)地，第四代反應(yīng)堆的服役環(huán)境也變得更加苛刻，工作溫度和壓力都明顯高于目前典型壓水堆的工作參數(shù)(310 ℃和15.5 MPa)。在高溫(≥550 ℃)環(huán)境下，現(xiàn)有核電設(shè)備常用材料(如低合金鋼和奧氏體鋼)都難以滿(mǎn)足第四代核電材料性能要求。(9%～12%)Cr鋼由于具有高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)等優(yōu)異的高溫性能成為第四代核電廠的候選材料，并廣泛應(yīng)用于燃料包殼、壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件和主蒸汽管道等重要核電設(shè)備。因此，第四代核電設(shè)備的高溫結(jié)構(gòu)完整性與材料的高溫力學(xué)性能密切相關(guān)。在服役過(guò)程中，核電設(shè)備往往需要承受反應(yīng)堆啟停、變負(fù)荷等瞬態(tài)引起的機(jī)械或熱應(yīng)力循環(huán)載荷，因而研究材料的高溫低周疲勞性能尤為關(guān)鍵。

近二三十年來(lái)，隨著電力、航空、化工行業(yè)等關(guān)鍵設(shè)備向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，(9%～12%)Cr鋼的研制與開(kāi)發(fā)也朝著高性能、低成本方向前進(jìn)。新型高Cr耐熱鋼在火電廠的豐富應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)為其在核電設(shè)備上的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]，9Cr-1Mo鋼也成功入選了核電設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ASME第Ⅲ卷[2]。隨著(9%～12%)Cr鋼的廣泛工程應(yīng)用，其高溫力學(xué)性能的研究也成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注熱點(diǎn)[3]。ENNIS等[4]量化分析了不同熱處理方式對(duì)P92鋼蠕變強(qiáng)度的影響，通過(guò)透射電鏡(TEM)的微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度的增加，亞晶內(nèi)部位錯(cuò)密度降低，沉淀物尺寸增加，從而導(dǎo)致材料蠕變斷裂強(qiáng)度降低。PANAIT等[5-6]研究了P91鋼長(zhǎng)時(shí)間(>100 000 h)蠕變后的微觀組織變化，結(jié)果表明蠕變抗性的損失主要是由于M23C6碳化物、Laves相的沉淀和明顯粗化，而不是Z相沉淀物的累積和MX沉淀物的分解。此外，CHOUDHARY等[7]通過(guò)宏觀蠕變?cè)囼?yàn)研究了不同應(yīng)力水平和蠕變溫度對(duì)9Cr-1Mo鋼蠕變性能和斷裂行為的影響，發(fā)現(xiàn)最小蠕變速率和斷裂壽命表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力相關(guān)性，并服從高指數(shù)的冪函數(shù)關(guān)系。從這些微觀和宏觀試驗(yàn)研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，高Cr耐熱鋼具有良好的抗高溫蠕變性能，能夠勝任電廠關(guān)鍵設(shè)備的高溫服役環(huán)境。盡管?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)(9%～12%)Cr鋼的高溫性能研究已經(jīng)取得了大量成果[8]，但是主要集中于(9%～12%)Cr鋼的高溫蠕變性能研究，而關(guān)于其高溫疲勞性能的研究還比較少見(jiàn)。由于電廠設(shè)備不可避免地需要經(jīng)受啟停、溫度變化引起的循環(huán)載荷，且具有良好蠕變性能的(9%～12%)Cr鋼是否也具備良好的高溫疲勞抗性，因此，開(kāi)展(9%～12%)Cr鋼的高溫疲勞性能研究是保證關(guān)鍵設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)完整性的重要基礎(chǔ)。NAGESHA等[9]研究了不同溫度對(duì)9Cr-1Mo鋼低周疲勞行為的影響，結(jié)果表明溫度越高疲勞壽命越低，而且溫度的影響在低應(yīng)變幅范圍更加明顯。ZHANG等[10]開(kāi)展了P92鋼不同應(yīng)變幅的循環(huán)試驗(yàn)，并通過(guò)透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)小角亞晶界湮滅是導(dǎo)致材料循環(huán)軟化的主要原因。WU等[11]對(duì)比分析了不同控制模式對(duì)(9%～12%)Cr鋼循環(huán)變形的影響，在應(yīng)變控制模式下，材料循環(huán)響應(yīng)不對(duì)稱(chēng)性隨著應(yīng)變幅的增加而降低，而在應(yīng)力控制模式下不對(duì)稱(chēng)性隨著應(yīng)力幅的增加而增大。上述研究表明，(9%～12%)Cr鋼的高溫疲勞行為比較復(fù)雜，不僅與溫度、載荷水平相關(guān)，還取決于控制模式。另外，ZHANG等[12-13]在應(yīng)變循環(huán)中通過(guò)引入應(yīng)變和應(yīng)力保載來(lái)考察(9%～12%)Cr鋼疲勞與蠕變的交互作用行為，發(fā)現(xiàn)(9%～12%)Cr鋼在高溫下表現(xiàn)出明顯的粘性行為，并且蠕變變形會(huì)加速材料的循環(huán)軟化。目前，對(duì)于(9%～12%)Cr鋼疲勞性能的研究大多集中在應(yīng)變幅、溫度以及保載時(shí)間的問(wèn)題，而很少考慮加載速率對(duì)(9%～12%)Cr鋼高溫疲勞行為的影響。

因此，本文針對(duì)P92鋼((9%～12%)Cr鋼系列的一種)開(kāi)展不同應(yīng)變速率的625 ℃高溫低周疲勞試驗(yàn)，通過(guò)考慮快-快、快-慢、慢-快和慢-慢等多種加載方式，研究應(yīng)變速率對(duì)P92鋼疲勞壽命和循環(huán)變形行為的影響。通過(guò)對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率對(duì)比以及應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)分析，探索低應(yīng)變速率下材料疲勞破壞機(jī)制，為電站關(guān)鍵設(shè)備高溫結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估和構(gòu)建循環(huán)本構(gòu)模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

P92鋼由于具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的高溫性能，被廣泛應(yīng)用于超超臨界電站設(shè)備以及被作為第四代核電廠的候選材料。本文采用的試驗(yàn)材料為某鍋爐廠制造的主蒸汽管道材料9Cr0.5Mo1.8WVNb(P92)鋼，其化學(xué)成分符合ASTM A335標(biāo)準(zhǔn)要求，具體見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用9Cr0.5Mo1.8WVNb (P92)鋼的化學(xué)成分

試驗(yàn)材料P92鋼為典型的回火馬氏體組織，其熱處理工藝為:在1 065 ℃下奧氏體化1.25 h；然后空冷；隨后在777 ℃下回火2.5 h。如圖1所示，P92鋼在經(jīng)歷此熱處理過(guò)程后形成了一種多尺度微觀結(jié)構(gòu)，隨著尺寸的減小，依次包括原奧氏體晶粒、板條束、板條塊和馬氏體板條等結(jié)構(gòu)，其中，原奧氏體晶粒寬度大約20 μm，而板條塊里面的馬氏體板條寬度只有500 nm[14]。此外，圖1(b)為P92鋼透射電鏡(TEM)顯微組織，可以看出，回火馬氏體除了高密度位錯(cuò)的馬氏體板條外，還存在彌散分布的第二相粒子，包括M23C6碳化物和MX碳氮化物。

(a)結(jié)構(gòu)示意

(b)原始材料的TEM觀察圖

試驗(yàn)設(shè)備為INSTRON 8032電液伺服萬(wàn)能疲勞試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖2)，采用電阻爐加熱，并在試樣平行段兩端固定兩根熱電偶，以保證試樣應(yīng)變測(cè)量部分的溫度波動(dòng)小于±3 ℃。試驗(yàn)溫度為625 ℃，是P92鋼實(shí)際工程應(yīng)用的典型溫度。應(yīng)變測(cè)量采用標(biāo)距為12.5 mm的石英棒接觸式高溫應(yīng)變引伸計(jì)。高溫低周疲勞試樣都采用實(shí)心圓棒，其形狀和尺寸如圖3所示，其直徑為8 mm，平行段長(zhǎng)度為16 mm，為保證試樣平行段表面光滑且無(wú)劃痕，試驗(yàn)前對(duì)平行段進(jìn)行預(yù)磨和機(jī)械拋光處理，表面粗糙度約0.2 μm，低周疲勞試驗(yàn)方法參照ASTM E606-04測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，定義最大應(yīng)力相比于參考應(yīng)力點(diǎn)(第100周最大應(yīng)力)下降25%的循環(huán)周次為疲勞壽命Nf。

圖2 INSTRON 8032高溫疲勞試驗(yàn)機(jī)

圖3 高溫疲勞試樣示意

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

高溫低周疲勞試驗(yàn)分為對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率兩個(gè)部分，加載波形為三角波，如圖4所示，根據(jù)拉伸和壓縮加載速率的不同，波形分為快-快、慢-快、快-慢和慢-慢四種模式。應(yīng)變范圍為1.0%，應(yīng)變速率區(qū)間為2×10-5～2×10-3s-1，相應(yīng)的加/卸載時(shí)間在5～500 s之間。不同應(yīng)變速率的高溫低周疲勞試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表2 不同應(yīng)變速率的疲勞試驗(yàn)參數(shù)和結(jié)果

圖4 考慮應(yīng)變速率影響的低周疲勞參數(shù)

2.1 對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率對(duì)高溫低周疲勞行為的影響

圖5示出P92鋼在不同應(yīng)變速率下半壽命應(yīng)力-非彈性應(yīng)變滯回環(huán)以及峰值應(yīng)力的演化響應(yīng)。為了便于分析，以應(yīng)力-非彈性應(yīng)變平面坐標(biāo)原點(diǎn)為參考點(diǎn)，將滯回環(huán)平移至同一起點(diǎn)。從圖5中可以看出，在給定溫度和應(yīng)變范圍下，應(yīng)變速率愈低，滯回環(huán)愈“矮胖”。滯回環(huán)的高度代表應(yīng)力范圍(Δσ)，寬度則代表非彈性應(yīng)變范圍(Δεin)。結(jié)果表明，應(yīng)變速率的降低會(huì)明顯增加非彈性應(yīng)變，降低響應(yīng)應(yīng)力范圍。如圖5(a)所示，在應(yīng)力值達(dá)到最大點(diǎn)A后，滯回環(huán)曲線表現(xiàn)為圓弧狀，雖然卸載過(guò)程中總應(yīng)變減少，但是非彈性變形繼續(xù)增加、直至最大值點(diǎn)B,點(diǎn)A與點(diǎn)B之間的應(yīng)力差值定義為粘性應(yīng)力，代表粘塑性本構(gòu)理論中超過(guò)屈服平面的應(yīng)力狀態(tài)，AB段變形稱(chēng)為蠕變變形(或粘性變形)。相比于時(shí)間無(wú)關(guān)的塑性變形，蠕變變形是與應(yīng)變速率相關(guān)的。

從圖5中還可以看出，應(yīng)變速率越小，加載時(shí)間越長(zhǎng)，蠕變變形越大。因此，對(duì)于粘性效應(yīng)明顯的材料，循環(huán)過(guò)程中總非彈性變形包括塑性變形和蠕變變形兩個(gè)分量，而且蠕變變形分量隨著應(yīng)變速率的降低而愈加顯著。非彈性變形是材料在循環(huán)加載條件下產(chǎn)生損傷和破壞的原因，在同一應(yīng)變載荷下，蠕變變形的存在會(huì)加速材料的失效。如圖5(b)所示，P92鋼在所有應(yīng)變速率工況下都表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化特征，隨著應(yīng)變速率的降低，循環(huán)壽命急劇下降。從表2也可以看出，當(dāng)應(yīng)變速率從2×10-3s-1降至2×10-5s-1，疲勞壽命縮短了2.5倍。在低應(yīng)變速率下，非彈性變形對(duì)總應(yīng)變的貢獻(xiàn)增加，并且加速了材料的循環(huán)軟化。MISHNEV等[15]也從微觀角度解釋了應(yīng)變速率對(duì)馬氏體耐熱鋼循環(huán)破壞機(jī)制的影響，觀察到低應(yīng)變速率下疲勞輝紋更加稀疏，二次裂紋明顯增多，加速了裂紋的擴(kuò)展，從而降低了疲勞壽命。此外，研究表明，馬氏體耐熱鋼循環(huán)軟化的微觀機(jī)制是板條內(nèi)移動(dòng)位錯(cuò)與小角度板條界內(nèi)位錯(cuò)的相互湮滅，導(dǎo)致馬氏體板條向亞晶轉(zhuǎn)變[16]。因此，應(yīng)變速率的降低延長(zhǎng)了每個(gè)循環(huán)周的變形時(shí)間，有助于移動(dòng)位錯(cuò)的攀爬，進(jìn)而促進(jìn)位錯(cuò)間的湮滅行為，加速材料疲勞損傷和破壞。

(a)半壽命滯回環(huán)

(b)峰值應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化

2.2 非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率對(duì)循環(huán)變形響應(yīng)的影響

為了進(jìn)一步研究應(yīng)變速率對(duì)循環(huán)變形響應(yīng)的影響，進(jìn)行不同加載波形的疲勞試驗(yàn)，重點(diǎn)考察拉伸和壓縮應(yīng)變速率不對(duì)稱(chēng)的循環(huán)變形響應(yīng)，加載波形分別為快-快、快-慢、慢-快和慢-慢四種。表2示出了相應(yīng)工況下的疲勞壽命結(jié)果，其大小依次是快-快>快-慢>慢-慢>慢-快，在慢-快加載工況下疲勞壽命最短。圖6示出了4種加載波形下的半壽命應(yīng)力-非彈性應(yīng)變滯回環(huán)和循環(huán)軟化曲線。從圖6(a)可以看出，非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率下的響應(yīng)應(yīng)力范圍在對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率快-快和慢-慢之間，并且慢-快工況下的應(yīng)力范圍要大于快-慢。值得注意的是，在非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率下，快速卸載過(guò)程中并沒(méi)有觀察到明顯的粘性變形。如圖6(a)中虛線圈出的初始卸載階段，在慢-快的拉伸卸載和快-慢的壓縮卸載初始階段基本為直線響應(yīng)，表明是彈性卸載。因此，在這兩種非對(duì)稱(chēng)速率工況下，低應(yīng)變速率引起的蠕變損傷主要集中在慢速率加載過(guò)程中。此外，不同加載波形下的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化如圖6(b)所示，快-慢載荷下的最大應(yīng)力相比于快-快載荷，表現(xiàn)出明顯的加速軟化特征；反之，相比于快-快 工況，慢-快工況下的最小應(yīng)力也表現(xiàn)出加速軟化的趨勢(shì)。所以，在非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率的循環(huán)載荷下，低速率的引入會(huì)加速其反方向峰值應(yīng)力的軟化。

圖7示出了對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率下的平均應(yīng)力演化趨勢(shì)，可以看出，在對(duì)稱(chēng)速率循環(huán)(快-快和慢-慢)中，平均應(yīng)力(<5 MPa)幾乎接近于零，而且應(yīng)變速率對(duì)平均應(yīng)力基本沒(méi)有影響。但是，非對(duì)稱(chēng)速率循環(huán)產(chǎn)生了明顯的平均應(yīng)力，在快-慢循環(huán)中出現(xiàn)了正的平均應(yīng)力，而慢-快循環(huán)導(dǎo)致負(fù)的平均應(yīng)力。隨著循環(huán)周次的增加，平均應(yīng)力的演化過(guò)程基本表現(xiàn)為下降-穩(wěn)定-升高3個(gè)階段，其中下降、穩(wěn)定階段大致是50個(gè)循環(huán)，在循環(huán)100個(gè)周次后，平均應(yīng)力出現(xiàn)升高現(xiàn)象。這與平均應(yīng)變引起的非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變循環(huán)中的平均應(yīng)力松弛現(xiàn)象不一樣，后者的平均應(yīng)力表現(xiàn)為快速的連續(xù)松弛。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率引起的平均應(yīng)力都會(huì)縮短疲勞壽命，而且壓縮平均應(yīng)力(慢-快工況)加速疲勞破壞的能力更加明顯。WU等[17-18]發(fā)現(xiàn)平均應(yīng)變引起的平均應(yīng)力會(huì)顯著影響疲勞壽命，而且認(rèn)為疲勞壽命的降低是單向塑性變形的累積(或稱(chēng)為應(yīng)變棘輪)導(dǎo)致的。然而，非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率下的平均應(yīng)力降低循環(huán)壽命是由于低應(yīng)變速率過(guò)程中產(chǎn)生的蠕變變形引起的，也就是說(shuō)，非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率下存在疲勞和蠕變損傷的交互作用，并且這種交互作用加速了材料的疲勞損傷。

(a)半壽命滯回環(huán)

(b)峰值應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化

圖7 不同加載波形下平均應(yīng)力隨循環(huán)周次的變化

上述不同加載波形的分析結(jié)果表明，慢-快波形對(duì)循環(huán)壽命的影響最為顯著，同時(shí)，低應(yīng)變速率加載導(dǎo)致蠕變損傷的積累。因此，在給定應(yīng)變范圍和壓縮應(yīng)變速率下，進(jìn)一步開(kāi)展不同拉伸加載速率的試驗(yàn)研究。圖8示出了不同加載速率下的最大應(yīng)力和平均應(yīng)力演化曲線，隨著拉伸應(yīng)變速率進(jìn)一步的降低，最大應(yīng)力下降、平均應(yīng)力(絕對(duì)值)增加，疲勞壽命也隨之降低(需要指出的是，在拉伸應(yīng)變速率為8×10-5s-1工況下，壽命末期應(yīng)力突然增加是由于試樣表面出現(xiàn)宏觀裂紋后引伸計(jì)刀口卡入裂紋導(dǎo)致的)。從圖8中也可以看出，材料的循環(huán)軟化在低應(yīng)變速率下更加明顯。RAO等[19]在研究Alloy 800H非對(duì)稱(chēng)速率循環(huán)變形中指出，疲勞破壞模式只取決于拉伸應(yīng)變速率，快拉伸應(yīng)變速率導(dǎo)致穿晶裂紋的形核與擴(kuò)展，而慢拉伸速率引起沿晶裂紋的產(chǎn)生。因此，在慢-快條件下，拉伸速率的降低促進(jìn)晶界第二相沉淀物(如M23C6)處蠕變孔洞損傷的積累，并且在壓縮平均應(yīng)力的作用下，壓縮方向累積的塑性變形不能在滯回環(huán)的拉伸部分完全回復(fù)，從而導(dǎo)致材料的加速破壞。從圖5(a)和圖6(a)滯回環(huán)響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變速率對(duì)加載過(guò)程中的應(yīng)變硬化有明顯影響。INOUE等[20]提出，循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)變硬化可以用循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的Morrow關(guān)系式來(lái)描述：

(1)

圖8 拉伸加載應(yīng)變速率對(duì)循環(huán)軟化的影響

圖9示出不同拉伸應(yīng)變速率下的硬化系數(shù)k′隨累積塑性應(yīng)變的變化情況。通過(guò)擬合應(yīng)力-塑性應(yīng)變滯回環(huán)曲線得到k′和n′，結(jié)果發(fā)現(xiàn)硬化指數(shù)n′在不同應(yīng)變速率下基本保持不變(n′=0.3)，因此通過(guò)比較應(yīng)變硬化系數(shù)k′來(lái)定量分析低應(yīng)變速率下材料循環(huán)過(guò)程中的應(yīng)變硬化行為。從圖9可以看出，硬化系數(shù)隨著累積塑性變形的增加而明顯減小，這也說(shuō)明材料的循環(huán)軟化不僅降低了峰值應(yīng)力，而且改變了滯回環(huán)的形狀。針對(duì)滯回環(huán)形狀變化引起的循環(huán)軟/硬化響應(yīng)，KRISHNA等[21]在循環(huán)粘塑性本構(gòu)框架下提出一種形狀硬化準(zhǔn)則來(lái)描述。此外，隨著應(yīng)變速率的降低，硬化系數(shù)也明顯變小。值得注意的是，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，快應(yīng)變速率(≥2×10-3s-1)下的硬化系數(shù)隨累積塑性應(yīng)變線性降低；然而，在慢應(yīng)變速率(≤2×10-4s-1)下則呈現(xiàn)出線性和非線性?xún)啥巫兓?，硬化系?shù)線性下降至累積塑性應(yīng)變?yōu)?00%～300%左右后出現(xiàn)明顯的非線性降低。這種快、慢拉伸應(yīng)變速率下硬化系數(shù)變化的差異，主要原因可能是慢應(yīng)變速率下材料發(fā)生的蠕變損傷累積加速了循環(huán)軟化。

圖9 不同應(yīng)變速率下硬化系數(shù)隨累積塑性應(yīng)變的變化

從上述分析可以看出，在高溫條件下，對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率都會(huì)對(duì)P92鋼的循環(huán)變形行為產(chǎn)生明顯的影響。非彈性應(yīng)變中包含了時(shí)間無(wú)關(guān)的塑性應(yīng)變和時(shí)間相關(guān)的蠕變應(yīng)變，是反映材料循環(huán)軟化和疲勞損傷的有效指標(biāo)。圖10示出了對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)速率下半壽命周非彈性應(yīng)變范圍和疲勞壽命隨應(yīng)變速率的變化?？梢钥闯?，隨著應(yīng)變速率的增加，非彈性應(yīng)變范圍降低，疲勞壽命增加。但是，對(duì)稱(chēng)速率下疲勞壽命和非彈性應(yīng)變范圍都是線性變化，而在非對(duì)稱(chēng)速率下二者呈現(xiàn)出非線性變化?？梢?jiàn)，應(yīng)變速率對(duì)高溫循環(huán)應(yīng)變過(guò)程中的滯回環(huán)形狀、疲勞壽命影響都比較明顯，這將給粘塑性本構(gòu)模擬帶來(lái)挑戰(zhàn)。因此，下一階段將進(jìn)一步研究和構(gòu)建考慮這種應(yīng)變速率影響的統(tǒng)一粘塑性循環(huán)本構(gòu)模型。同時(shí)，為了探究不同應(yīng)變速率下的材料損傷機(jī)理，還將通過(guò)微觀觀察技術(shù)進(jìn)一步研究不同應(yīng)變速率下的材料微觀組織變化。

圖10 對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率下半壽命周非彈性應(yīng)變范圍和疲勞壽命隨應(yīng)變速率的變化

3 結(jié)論

本文在625 ℃下開(kāi)展了對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率的高溫低周疲勞試驗(yàn)，分析了應(yīng)變速率對(duì)P92鋼高溫疲勞行為的影響。通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)分析，重點(diǎn)研究了低應(yīng)變速率下材料的疲勞破壞機(jī)制。主要結(jié)論如下。

(1)P92鋼應(yīng)變循環(huán)下表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象以及應(yīng)變速率敏感性。在反向卸載初始階段產(chǎn)生蠕變變形積累，而且隨著應(yīng)變速率降低，蠕變變形增加。

(2)在對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率循環(huán)中，隨著應(yīng)變速率的降低，循環(huán)軟化加速，疲勞壽命降低；然而，在非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變速率循環(huán)中，慢-快加載工況下疲勞壽命最短，慢拉伸應(yīng)變速率引起的蠕變損傷加速材料的弱化，導(dǎo)致壓縮平均應(yīng)力對(duì)循環(huán)壽命的影響大于拉伸平均應(yīng)力。

(3)應(yīng)變速率不僅影響峰值應(yīng)力，還影響滯回環(huán)的形狀，隨著拉伸應(yīng)變速率的降低，滯回環(huán)的應(yīng)變硬化系數(shù)減小，加快了材料的循環(huán)軟化進(jìn)程。