高溫應(yīng)變時(shí)效對(duì)P92鋼高溫低周疲勞性能的影響

趙 麗，華曉春，馬 濤，張肖飛，王孝義，饒思賢,2

(1.安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,馬鞍山 243032;2.合肥通用機(jī)械研究院,合肥 230031)

0 引 言

P92鋼是在P91鋼的基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.8%的鎢元素并適量降低鉬元素含量而開發(fā)出來的一種新型馬氏體耐熱鋼[1-3]。與P91鋼相比，P92鋼具有更優(yōu)異的物理性能、更高的抗高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和更好的抗高溫氧化特性[4-5]，廣泛用于電廠超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組中的主蒸汽管道。超超臨界機(jī)組主蒸汽管道的服役溫度超過600 ℃，壓力超過20 MPa，可知P92鋼的服役環(huán)境極為惡劣[6-8]。在高溫環(huán)境中，P92鋼主蒸汽管道會(huì)發(fā)生高溫蠕變[9-10]，同時(shí)發(fā)電機(jī)組的啟停及運(yùn)行過程中的內(nèi)壓波動(dòng)使得管道承受的內(nèi)應(yīng)力呈周期性變化，因此P92鋼在服役過程中會(huì)因承受交變載荷而發(fā)生疲勞失效[11]。當(dāng)P92鋼應(yīng)用在核電廠的第四代核反應(yīng)堆中時(shí)，在服役溫度下的應(yīng)變時(shí)效對(duì)P92鋼的力學(xué)性能、疲勞性能均有顯著影響[12]。在裝備運(yùn)行時(shí)頻繁的啟動(dòng)和停車以及較大的溫度波動(dòng)工況下，P92鋼除承受一定的靜載荷外，還承受著交變大載荷或大應(yīng)變幅作用，易產(chǎn)生高溫低周疲勞-蠕變交互損傷[13]。因此，高溫疲勞-應(yīng)變時(shí)效交互作用下的材料研究對(duì)于裝備的壽命預(yù)測(cè)及評(píng)估具有重要意義。目前，國內(nèi)外有關(guān)P92鋼疲勞行為的研究很多，但主要集中在疲勞與蠕變的交互作用方面，在高溫疲勞-應(yīng)變時(shí)效交互作用下性能變化的報(bào)道甚少[14]。因此，作者分別在應(yīng)力與應(yīng)變控制下對(duì)P92鋼進(jìn)行高溫低周疲勞試驗(yàn)，研究不同應(yīng)變幅和應(yīng)力幅下的疲勞行為；對(duì)P92鋼進(jìn)行不同預(yù)拉伸應(yīng)變和不同溫度下的應(yīng)變時(shí)效處理，然后進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)與相同應(yīng)力控制下的高溫低周疲勞試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)變時(shí)效處理后的疲勞行為進(jìn)行研究，明確應(yīng)變時(shí)效對(duì)P92鋼疲勞壽命的影響規(guī)律。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為進(jìn)口P92鋼管，化學(xué)成分見表1，可知其成分符合GB/T 5310—2017中有關(guān)高壓鍋爐無縫鋼管的要求。該P(yáng)92鋼管的熱處理工藝為1 060 ℃正火+770 ℃回火，顯微組織如圖1所示，可見其回火組織為針狀馬氏體，原始奧氏體晶粒尺寸在20～30 μm，沿奧氏體晶界析出碳化物。P92鋼在室溫(25 ℃)和550 ℃下的單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2，在這兩種溫度下曲線中均未出現(xiàn)屈服平臺(tái)，P92鋼的最大延伸率均約為20%，室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為690，504 MPa，550 ℃下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為629，328 MPa。

表1 P92鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖1 P92鋼的原始顯微組織Fig.1 Original microstructure of P92 steel

圖2 P92鋼在室溫和550 ℃下的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Engineering stress-strain curves at room temperatureand 550 ℃ of P92 steel

按照GB/T 15248—2008，在P92鋼管上沿軸向截取如圖3所示的疲勞試樣，經(jīng)精加工、拋光、清洗和脫脂處理后，在EHF-EM200k1-070-0A型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫低周疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為550 ℃，升溫速率控制在10 ℃·min-1，升溫至預(yù)定溫度后保溫，試樣不再膨脹后開始試驗(yàn)，采用應(yīng)變控制和應(yīng)力控制兩種模式。應(yīng)變控制時(shí)波形為三角波，對(duì)稱循環(huán)，應(yīng)變幅Δεt/2分別為0.2%，0.3%，0.5%，0.7%，1.0%，應(yīng)變頻率為0.2～1 Hz，平均應(yīng)變速率約為1.2×10-2s-1。應(yīng)力控制時(shí)波形為正弦波，應(yīng)力比為-1，應(yīng)力幅分別為280，300，320，335，350 MPa，加Epsilon引伸計(jì)時(shí)的頻率為0.75 Hz。另取疲勞試樣進(jìn)行應(yīng)變時(shí)效處理，室溫預(yù)拉伸應(yīng)變分別取0，2%，4%，時(shí)效溫度分別為250，300，350 ℃，應(yīng)變速率為5×10-4s-1。對(duì)應(yīng)變時(shí)效后的試樣進(jìn)行單向高溫拉伸試驗(yàn)和應(yīng)力控制模式下的高溫低周疲勞試驗(yàn)，其中：高溫拉伸試驗(yàn)是按照GB/T 15248—2008在EHF-EM200k1-070-0A型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，拉伸試樣的標(biāo)距為25 mm，試驗(yàn)溫度為室溫和550 ℃，應(yīng)變速率約為1.2×10-2s-1；高溫低周疲勞試驗(yàn)參數(shù)與應(yīng)變時(shí)效處理前應(yīng)力控制模式下的疲勞試驗(yàn)參數(shù)相同。均取3組平行試樣進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果取平均值。采用Nano-430型高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察疲勞斷口形貌。

圖3 疲勞試樣的形狀與尺寸Fig.3 Shape and dimension of fatigue specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 應(yīng)變控制下的高溫疲勞性能

由圖4(a)和4(b)可以看出，當(dāng)應(yīng)變幅由0.2%增加到1.0%時(shí)，P92鋼的疲勞壽命Nf顯著降低。應(yīng)變幅與疲勞壽命關(guān)系符合Manson-Coffin方程，經(jīng)擬合得到

圖4 P92鋼在550 ℃下的疲勞壽命曲線、不同應(yīng)變幅下的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線和遲滯回線以及循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Fatigue life curves (a), cyclic stress response curves (b) and hysteresis loop (c) under different strain amplitudes and cyclic stress-strain curve (d) of P92 steel at 550 ℃

Δεt/2=0.042(2Nf)-0.003 5+64.91(2Nf)-0.660 8(1)

(1)

由圖4(c)的遲滯回線得到550 ℃下P92鋼的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4(d)所示。由圖4(d)可以看出，550 ℃下的循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系符合Remberg-Osgood關(guān)系。循環(huán)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系還可用應(yīng)力幅Δσ/2與塑性應(yīng)變幅Δεp/2的關(guān)系表示，即：

Δσ/2=K′(Δεp/2)n′

(2)

式中：K′，n′分別為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)和循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

表2 P92鋼的高溫疲勞性能參數(shù)

將圖4(b)與圖2中550 ℃單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較后發(fā)現(xiàn)，低應(yīng)變幅(低于0.7%)下P92鋼在試驗(yàn)初期呈現(xiàn)循環(huán)硬化趨勢(shì)，但在經(jīng)歷幾十次循環(huán)硬化后即轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)軟化，隨后循環(huán)軟化將持續(xù)至試樣破壞。通常循環(huán)硬化與動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效有關(guān)[15]，但P92鋼的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線及遲滯回線中并沒有出現(xiàn)PLC(Portevin-Le Chatelier)效應(yīng)，即鋸齒形屈服現(xiàn)象，因此無法將P92鋼的初期循環(huán)硬化歸結(jié)于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效效應(yīng)。在循環(huán)初期，P92鋼組織中可觀察到高密度的位錯(cuò)結(jié)構(gòu),如圖5(a)所示，其初期的循環(huán)硬化可歸因于組織中位錯(cuò)的快速增殖?？焖僭鲋车奈诲e(cuò)與晶界和碳化物產(chǎn)生交互作用，導(dǎo)致材料硬化。隨著循環(huán)次數(shù)的持續(xù)增加，原馬氏體高密度位錯(cuò)發(fā)生攀移和交滑移，板條馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S胞結(jié)構(gòu)，在等軸胞結(jié)構(gòu)內(nèi)存在一些孤立位錯(cuò)線，相比循環(huán)初期位錯(cuò)密度明顯降低，如圖5(b)所示?？芍?，循環(huán)后期材料的軟化與位錯(cuò)密度降低及固溶強(qiáng)化減弱相關(guān)。

圖5 P92鋼在高溫低周疲勞循環(huán)初期和后期的SEM形貌(應(yīng)變幅0.5%)Fig.5 SEM morphology of P92 steel at cycle initial (a) and later (b) stages of high temperature low cycle fatigue (strain amplitude of 0.5%)

2.2 應(yīng)力控制下的高溫疲勞性能

由圖6可以看出，隨著應(yīng)力幅的增加，P92鋼在550 ℃下的遲滯回線的面積增大，說明應(yīng)變能提高，每個(gè)循環(huán)次數(shù)的損傷程度增大。在對(duì)稱應(yīng)力控制條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，遲滯回線緩慢右移，說明P92鋼在高溫低周疲勞時(shí)出現(xiàn)了循環(huán)蠕變現(xiàn)象。

圖6 P92鋼在550 ℃、不同應(yīng)力幅下的低周疲勞遲滯回線Fig.6 Low cycle fatigue hysteresis loops of P92 steel at 550 ℃ under different stress ranges

由圖7可以看出，P92鋼在疲勞循環(huán)初期的數(shù)百個(gè)周次內(nèi)的塑性應(yīng)變幅隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，說明P92鋼出現(xiàn)了循環(huán)硬化現(xiàn)象，隨后隨循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加轉(zhuǎn)變?yōu)檠h(huán)軟化，循環(huán)塑性應(yīng)變積累直至試樣斷裂。取1/2Nf處的塑性應(yīng)變幅和彈性應(yīng)變幅，繪制應(yīng)變幅-循環(huán)反向次數(shù)(2Nf)曲線。由圖8可知，P92鋼在高溫應(yīng)力控制條件下的應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系未遵循Manson-Coffin方程。

圖7 550 ℃、不同應(yīng)力幅下P92鋼的塑性應(yīng)變幅-循環(huán)次數(shù)曲線和平均應(yīng)變幅-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.7 Plastic strain amplitude-number of cycle curve (a) and average strain amplitude-number of cycle curve(b) of P92 steel at 550 ℃ under different stress amplitudes

圖8 P92鋼在應(yīng)力控制下的應(yīng)變幅-循環(huán)反向次數(shù)曲線Fig.8 Strain amplitude-cyclic reverse number curve of P92 steel under stress control

2.3 應(yīng)變時(shí)效后的高溫拉伸性能

由圖9可知，應(yīng)變時(shí)效處理后，P92鋼的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線中出現(xiàn)了明顯的屈服平臺(tái)，且隨著時(shí)效溫度的升高，屈服強(qiáng)度增大。應(yīng)變時(shí)效處理后P92鋼的高溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)了PLC屈服現(xiàn)象，表明在550 ℃下P92鋼發(fā)生了動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效。

圖9 P92鋼在不同溫度和預(yù)應(yīng)變拉伸時(shí)效處理后的高溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.9 High temperature tensile engineering stress-strain curves of P92 steel after tensile aging at different temperatures and prestrains

應(yīng)變時(shí)效處理后出現(xiàn)的PLC屈服現(xiàn)象與組織中存在的大量空位有關(guān)；應(yīng)變時(shí)效處理提高了位錯(cuò)密度，位錯(cuò)相互纏結(jié)成的網(wǎng)絡(luò)成為原子擴(kuò)散的通道，原子擴(kuò)散到位錯(cuò)附近偏聚導(dǎo)致P92鋼出現(xiàn)不穩(wěn)定的塑性變形[16]。由表3可知：隨著預(yù)拉伸應(yīng)變量由2%增加到4%，屈服強(qiáng)度增大，但抗拉強(qiáng)度變化程度較??；隨著時(shí)效溫度升高，屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度變化較??；隨著預(yù)拉伸應(yīng)變?cè)黾踊驎r(shí)效溫度升高，斷后伸長率持續(xù)下降，說明P92鋼的塑性持續(xù)降低。動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效引起的強(qiáng)化作用是由于在變形過程中金屬固溶體內(nèi)的間隙或置換溶質(zhì)原子，如碳、氮等向可動(dòng)位錯(cuò)偏聚并對(duì)位錯(cuò)進(jìn)行釘扎而造成的[17]。

表3 應(yīng)變時(shí)效處理后P92鋼的高溫拉伸性能

由表4可知，應(yīng)變時(shí)效處理后P92鋼在280～350 MPa應(yīng)力幅下的高溫疲勞壽命顯著降低。由圖12可知，應(yīng)變時(shí)效處理后P92鋼在320，350 MPa應(yīng)力幅下的塑性應(yīng)變積累高于未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效處理的。經(jīng)應(yīng)變時(shí)效處理的P92鋼的強(qiáng)度高于未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效處理的，推測(cè)在相同應(yīng)力幅下，應(yīng)變時(shí)效處理后的試樣的塑性變形程度應(yīng)較低，與試驗(yàn)結(jié)果相反，這說明塑性應(yīng)變幅應(yīng)包括由循環(huán)蠕變產(chǎn)生的黏彈性應(yīng)變。應(yīng)變時(shí)效處理的P92鋼在350 MPa應(yīng)力幅下循環(huán)初期的塑性應(yīng)變幅低于未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效處理的，但隨著循環(huán)蠕變速率的增加，約循環(huán)60周次后，應(yīng)變時(shí)效處理的P92鋼的塑性應(yīng)變幅高于未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效處理的。可知，循環(huán)蠕變速率的增加導(dǎo)致應(yīng)變時(shí)效處理P92鋼的疲勞壽命降低。

表4 未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效處理和經(jīng)應(yīng)變時(shí)效處理P92鋼在不同應(yīng)力幅下的高溫疲勞壽命

2.4 應(yīng)變時(shí)效后的高溫疲勞性能

以預(yù)拉伸應(yīng)變2%，時(shí)效溫度350 ℃條件下應(yīng)變時(shí)效后的P92鋼為例，對(duì)其在應(yīng)力控制模式下的高溫疲勞性能進(jìn)行研究。由圖10可以看出，在應(yīng)力控制條件下，除了應(yīng)力幅為300 MPa外，其他應(yīng)力幅下P92鋼的塑性應(yīng)變幅均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，循環(huán)塑性應(yīng)變積累增加，即P92鋼出現(xiàn)循環(huán)蠕變現(xiàn)象。不同應(yīng)力下循環(huán)初期均出現(xiàn)平均應(yīng)變幅為負(fù)的現(xiàn)象，表明P92鋼受到循環(huán)壓縮作用。取1/2Nf處的塑性應(yīng)變幅和彈性應(yīng)變幅，繪制應(yīng)變幅-循環(huán)反向次數(shù)曲線。由圖11可以看出，應(yīng)變時(shí)效處理后P92鋼在高溫應(yīng)力控制條件下的應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系不遵循Manson-Coffin方程。

圖10 應(yīng)變時(shí)效處理后P92鋼在應(yīng)力控制下的塑性應(yīng)變幅-循環(huán)次數(shù)曲線以及平均應(yīng)變幅-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.10 Plastic strain amplitude-number of cycle curves (a) and average strain amplitude-number of cycle curves (b) of P92 steel under stress control after strain aging

圖11 應(yīng)變時(shí)效處理后P92鋼在應(yīng)力控制下的應(yīng)變幅-循環(huán)反向次數(shù)曲線Fig.11 Strain amplitude-cyclic reverse number curves of P92 steel under stress control after strain aging

圖12 未經(jīng)應(yīng)變時(shí)效和應(yīng)變時(shí)效處理P92鋼在320，350 MPa應(yīng)力幅下的塑性應(yīng)變幅-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.12 Plastic strain amplitude-number of cycle curves under 320, 350 MPa stress amplitudes of P92 steel without and with strain aging

3 結(jié) 論

(1) 在550 ℃應(yīng)變控制條件下，P92鋼的應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系符合Manson-Coffin方程，在低應(yīng)變幅(低于0.7%)下P92鋼表現(xiàn)出先循環(huán)硬化后循環(huán)軟化的現(xiàn)象。

(2) 在550 ℃對(duì)稱應(yīng)力控制條件下，P92鋼的應(yīng)變與疲勞壽命關(guān)系不遵循Manson-Coffin方程，高應(yīng)力幅(350 MPa)下P92鋼出現(xiàn)先循環(huán)硬化后循環(huán)軟化的現(xiàn)象。

(3) 應(yīng)變時(shí)效處理提高了P92鋼的屈服強(qiáng)度，但對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響較小，應(yīng)變時(shí)效處理P92鋼的高溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)PLC屈服現(xiàn)象；在應(yīng)力控制條件下，除了應(yīng)力幅為300 MPa外，其他應(yīng)力幅下P92鋼的塑性應(yīng)變幅均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，出現(xiàn)循環(huán)蠕變現(xiàn)象；應(yīng)變時(shí)效處理P92鋼在高溫應(yīng)力控制條件下的應(yīng)變與壽命關(guān)系不遵循Manson-Coffin方程，且應(yīng)變時(shí)效處理大幅降低P92鋼的低周疲勞壽命。