利用小沖桿試驗(yàn)技術(shù)評(píng)估P92鋼拉伸性能

侍克獻(xiàn)， 楊昌順， 邵新中， 王苗苗， 田根起， 王延峰

(1. 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240;2. 江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司， 江蘇無錫 214207)

隨著國(guó)內(nèi)新建火電機(jī)組數(shù)量的逐年下降和電力需求的日益飽和，更加安全和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行現(xiàn)役火電機(jī)組成為行業(yè)共識(shí)。服役在高溫和高壓環(huán)境下的主蒸汽管道是火電廠最重要的部件之一，其制造成本高、更換代價(jià)大，而且對(duì)運(yùn)行安全性的要求也非常高，因此開展主蒸汽管道的安全評(píng)價(jià)和壽命評(píng)估是火電站的一項(xiàng)重要工作，這其中的關(guān)鍵是準(zhǔn)確獲取主蒸汽管道材料服役狀態(tài)下的性能數(shù)據(jù)，而基于微損取樣的小沖桿試驗(yàn)技術(shù)在在役部件材料性能評(píng)估方面具有很大的潛力。

小沖桿試驗(yàn)技術(shù)最早于20世紀(jì)80年代被用于評(píng)估核反應(yīng)堆輻照損傷對(duì)材料性能的影響[1-2]，由于其試樣尺寸遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)試樣，降低了輻照不均對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及取樣對(duì)在役部件造成的損傷，并且有效地降低了輻照費(fèi)用。隨后，各國(guó)研究者把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了在役部件及諸如焊縫和熱影響區(qū)等難以獲取標(biāo)準(zhǔn)試樣的部位，評(píng)價(jià)材料強(qiáng)度、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和斷裂韌性等性能[3-5]。隨著試驗(yàn)技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，歐洲和中國(guó)分別發(fā)布了關(guān)于小沖桿試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)——CWA 15267—2007 《金屬材料小沖桿試驗(yàn)方法》和GB/T 29459—2012 《在役承壓設(shè)備金屬材料小沖桿試驗(yàn)方法》。

P92鋼是超超臨界火電機(jī)組的關(guān)鍵材料之一，主要用于制造主蒸汽管道和鍋爐集箱等部件。P92鋼相比于其他鐵素體鋼，具有更高的高溫強(qiáng)度和蠕變性能，以及良好的抗氧化和抗腐蝕性能。目前，國(guó)產(chǎn)P92鋼厚壁管已實(shí)現(xiàn)了工程化應(yīng)用，有效地打破了進(jìn)口P92鋼管在中國(guó)市場(chǎng)的壟斷地位。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的P92鋼主蒸汽管道用大口徑厚壁管(簡(jiǎn)稱P92厚壁管)進(jìn)行取樣，采用小沖桿試驗(yàn)技術(shù)對(duì)其拉伸性能開展試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料

該公司采用熱擠壓工藝生產(chǎn)P92厚壁管，鋼管的直徑為457 mm、壁厚為90 mm。采用的熱處理工藝為正火加回火，顯微組織為回火馬氏體(見圖1)，晶粒度為6～7級(jí)，符合GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》對(duì)P92鋼成品鋼管的要求。

圖1 P92鋼的顯微組織

表1為P92鋼的化學(xué)成分。由表1可見，該P(yáng)92鋼化學(xué)成分符合ASME SA-335M—2007 《高溫用無縫鐵素體合金鋼管》和GB/T 5310—2017的要求，且有害元素總含量非常低。P92鋼的拉伸性能見表2。由表2可見，該P(yáng)92鋼的室溫拉伸性能符合ASME SA-335M和GB/T 5310—2017的要求。

表1 P92鋼的化學(xué)成分 %

表1(續(xù))

表2 國(guó)產(chǎn)P92鋼的拉伸性能

2 試驗(yàn)方法

小沖桿試驗(yàn)是一種以微型圓片試樣為試驗(yàn)對(duì)象的力學(xué)性能試驗(yàn)。圖2是試驗(yàn)夾具的示意圖，加載孔位于夾具的中心，加載孔的中心線與加載系統(tǒng)的加載線重合。

圖2 夾具示意圖

試樣安裝在下夾具的凹槽中，通過夾緊機(jī)構(gòu)控制上下夾具貼合并給試樣圓周施加一個(gè)恒定的夾緊力用于固定試樣。試驗(yàn)時(shí)，加載系統(tǒng)以恒定的速率將尖端安裝有半球形沖頭的沖桿沿加載線向下擠壓試樣中心位置，位移傳感器通過安裝在加載孔中的陶瓷桿測(cè)量試樣中心的變形量。系統(tǒng)自動(dòng)記錄從沖頭接觸試樣直到試樣斷裂整個(gè)過程的加載載荷和試樣中心位移，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析確定材料的力學(xué)性能。

圖3是典型的韌性材料小沖桿試驗(yàn)載荷-位移曲線，其中py為屈服載荷，pm為最大載荷，dm為最大載荷位移，dy為屈服載荷位移。根據(jù)材料的不同響應(yīng)特征，可以把曲線劃分為6個(gè)階段，具體為[6-7]：區(qū)域Ⅰ為以彈性響應(yīng)為主的彈性彎曲和微觀屈服階段；區(qū)域Ⅱ?yàn)閺膹椥噪A段向塑性階段過渡的塑性彎曲和塑性流動(dòng)階段；區(qū)域Ⅲ為以薄膜拉伸為主的塑性強(qiáng)化階段；區(qū)域Ⅳ為裂紋萌生階段；區(qū)域Ⅴ為裂紋擴(kuò)展階段；區(qū)域Ⅵ為最終失效階段。

圖3 韌性材料的小沖桿試驗(yàn)載荷-位移曲線

屈服載荷、最大載荷和最大載荷位移等分別與材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率存在線性關(guān)系[3-4,7]，根據(jù)小沖桿試驗(yàn)曲線上的特征值可以確定材料的拉伸性能。最大載荷和與其對(duì)應(yīng)的最大載荷位移可以由載荷-位移曲線直接確定，而作為區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的階段分界點(diǎn)的屈服載荷，確定起來相對(duì)復(fù)雜，學(xué)者們分別提出了雙線性法、偏移法、能量法等方法[4,8]，見圖4，其中，py_GB為采用雙線性法確定的屈服載荷，py_t/10為采用偏移法確定的屈服載荷。

圖4 屈服載荷py的確定方法

雙線性法通過對(duì)彈性階段和塑性階段曲線分別進(jìn)行線性擬合，根據(jù)2條直線的交點(diǎn)確定特征值，GB/T 29459—2012和CWA 15627—2007都采用了該方法。偏移法類似于標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)中確定屈服強(qiáng)度Rp0.2的方法，通過把載荷-位移曲線的彈性階段曲線平行偏移t/10確定(t為試樣厚度)。相比而言，偏移法比雙線性法更容易操作。

材料的屈服強(qiáng)度Rp0.2、抗拉強(qiáng)度Rm和斷后伸長(zhǎng)率A與小沖桿試驗(yàn)結(jié)果中的屈服載荷py、最大載荷pm和最大載荷位移dm、試樣厚度t之間存在以下關(guān)系[3-4,8]：

A=γdm

(5)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)的可重復(fù)性

圖5是P92鋼在室溫條件下的重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果，加載速率為0.2 mm/min，試樣厚度為0.5 mm，10組試驗(yàn)的載荷-位移曲線比較接近。

圖5 室溫條件下的10組載荷-位移曲線

圖6為室溫條件下特征值的分布情況。由圖6可以看出：最大載荷、最大載荷位移和屈服載荷的分布都具有較好的均勻性?？紤]到材料本身的性能均勻性，試樣的加工精度和表面粗糙度，以及試驗(yàn)設(shè)備的位移和載荷測(cè)量誤差等可能帶來的影響，可以認(rèn)為所使用的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法具有良好的可重復(fù)性。

圖6 室溫條件下的特征值均勻性

3.2 加載速率的影響

CWA 15627—2007推薦的加載速率為0.2～2.0 mm/min，GB/T 29459—2012推薦的加載速率為0.2～0.5 mm/min。圖7分別比較了0.2 mm/min、0.5 mm/min和2.0 mm/min 3種加載速率條件下的的載荷-位移曲線。由圖7可以看出：室溫(25 ℃)和600 ℃條件下加載速率0.2 mm/min和0.5 mm/min的曲線相對(duì)比較接近，而加載速率2.0 mm/min的結(jié)果尤其是試驗(yàn)最大載荷明顯高于前兩者。為了進(jìn)一步提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，采用0.2 mm/min的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)。

圖7 加載速率的影響

3.3 試樣厚度的影響

圖8是室溫條件下試樣厚度分別為0.40 mm、0.45 mm、0.50 mm、0.55 mm和0.60 mm的載荷-位移曲線。由圖8可以看出：最大載荷和屈服載荷與試樣厚度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，試樣厚度越大，則最大載荷和屈服載荷越大，而最大載荷位移和試樣厚度之間則沒有明顯的相關(guān)性。

圖8 試樣厚度的影響

圖9比較了式(1)～式(4)中的變量與試樣厚度之間的相關(guān)性，其中py_t/10/t2和py_GB/t2與厚度的相關(guān)性都比較小，比較而言，py_t/10/t2與厚度的相關(guān)性更低一些。由于試樣厚度為0.40～0.60 mm，而最大載荷位移為1.3～1.5 mm，

因此t2、t和tdm依次變大，pm/t2、pm/t和pm/(tdm)逐漸變小。同樣的，由于試樣厚度小于1 mm，式(5)中的變量dm相較于式(6)中變量dm/t，與厚度的相關(guān)性明顯更低(見圖10)。圖9和圖10所描述的試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)[8]對(duì)CrMoV鋼的數(shù)值模擬結(jié)果是一致的。

圖9 py、pm相關(guān)參數(shù)和試樣厚度的相關(guān)性

圖10 dm相關(guān)參數(shù)和試樣厚度的相關(guān)性

因此，在考慮不同試樣厚度對(duì)估算結(jié)果影響的情況下，在式(1)中選擇py_t/10/t2來關(guān)聯(lián)P92鋼的屈服強(qiáng)度，選擇式(3)和式(5)來關(guān)聯(lián)P92鋼的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。根據(jù)表2中的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)得到的P92鋼室溫性能來確定各項(xiàng)關(guān)聯(lián)式中的系數(shù)，得到以下經(jīng)驗(yàn)公式：

A=16.72dm

(9)

3.4 試驗(yàn)溫度的影響

圖11是采用GB/T 29459—2012推薦的0.50 mm試樣厚度在不同溫度下試驗(yàn)獲得的小沖桿試驗(yàn)曲線。由圖11可以看出，所有曲線都具有圖3所示的韌性材料的載荷-位移曲線特征：隨著試驗(yàn)溫度的提高，載荷-位移曲線整體向下偏移，試驗(yàn)的最大載荷逐漸降低；最大載荷位移從室溫到500 ℃表現(xiàn)出逐漸變小的趨勢(shì)，從500 ℃到650 ℃又逐漸變大；最大載荷位移所表現(xiàn)出來的塑性，隨溫度變化趨勢(shì)和表2中的斷后伸長(zhǎng)率隨溫度的變化趨勢(shì)一致，該趨勢(shì)和P92鋼在不同溫度下具有不同的變形機(jī)制有關(guān)。

圖11 不同溫度條件下的載荷-位移曲線

圖12比較了P92鋼25～650 ℃的屈服強(qiáng)度估算結(jié)果和實(shí)際屈服強(qiáng)度，采用式(7)獲得室溫下的屈服強(qiáng)度和小沖桿試驗(yàn)特征值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式，可以對(duì)25～650 ℃的屈服強(qiáng)度進(jìn)行較好的估算。由圖12可以看出：對(duì)每個(gè)溫度下的3個(gè)估算結(jié)果取平均值，可以提高估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖12 屈服強(qiáng)度估算結(jié)果比較

采用式(8)獲得室溫下的抗拉強(qiáng)度和小沖桿試驗(yàn)特征值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式，得到的25～650 ℃的抗拉強(qiáng)度估算結(jié)果誤差相對(duì)較大；采用式(9)對(duì)25～650 ℃下的斷后伸長(zhǎng)率估算結(jié)果誤差更大。這可能是由于P92鋼在不同溫度下具有不同的變形機(jī)制，從而導(dǎo)致最大載荷位移變化規(guī)律比較復(fù)雜所導(dǎo)致的。在條件允許的情況下，通過試驗(yàn)獲取每個(gè)溫度條件下經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式，可以改善估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，在試樣厚度確定的情況下，采用pm/t2形式擬合，對(duì)不同溫度下的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行估算，可以有效地降低估算誤差，即

圖13比較了P92鋼在25～650 ℃的抗拉強(qiáng)度估算結(jié)果和實(shí)際抗拉強(qiáng)度，其中，采用式(8)得到估算值1，采用式(10)得到估算值2。由圖13可以看出：對(duì)每個(gè)條件下的3個(gè)估算結(jié)果取平均值，可以提高估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖13 抗拉強(qiáng)度估算結(jié)果比較

采用式(7)和式(10)估算P92鋼在25～650 ℃下的拉伸性能預(yù)測(cè)平均值，結(jié)果見表3。從表3中可以看出：選用合適的關(guān)聯(lián)公式，小沖桿試驗(yàn)技術(shù)可以比較準(zhǔn)確地對(duì)P92鋼在25～650 ℃下的拉伸性能進(jìn)行估算，在對(duì)3個(gè)估算結(jié)果取平均值后，與實(shí)際拉伸性能估算值的相對(duì)誤差都在10%以下。因此，采用小沖桿試驗(yàn)技術(shù)對(duì)主蒸汽管道P92鋼的拉伸性能進(jìn)行評(píng)估是可行的。

表3 P92鋼力學(xué)性能的預(yù)測(cè)值

4 結(jié)語

筆者采用基于微損取樣的小沖桿試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)國(guó)產(chǎn)主蒸汽管道P92鋼開展拉伸性能評(píng)估的試驗(yàn)研究工作，得出以下結(jié)論：

(1) 10組重復(fù)性試驗(yàn)的載荷-位移曲線比較接近，最大載荷、最大載荷位移和屈服載荷分布具有較好的均勻性，證明了所使用的試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法具有良好的可重復(fù)性。

(2) 加載速率為0.2 mm/min和0.5 mm/min的試驗(yàn)結(jié)果比較接近，與加載速率為2.0 mm/min的結(jié)果差異比較大。在GB/T 29459—2012推薦的0.2～0.5 mm/min內(nèi)，選擇確定的加載速率，有利于提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性。

(3) 測(cè)試了從0.40 mm、0.45 mm、0.50 mm、0.55 mm和0.60 mm不同厚度的試樣，根據(jù)不同變量和試樣厚度的相關(guān)性，在需要考慮各種不同試樣厚度的情況下，優(yōu)先選擇變量py_t/10/t2、pm/(tdm)和dm/t來關(guān)聯(lián)屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

(4) 通過試驗(yàn)獲得了25 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃和650 ℃條件下的小沖桿試驗(yàn)載荷-位移曲線，采用室溫下獲得的py_t/10/t2和屈服強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式，可以對(duì)25～650 ℃的屈服強(qiáng)度進(jìn)行較好的估算。采用室溫下獲得的pm/(tdm)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式，對(duì)25～650 ℃下的抗拉強(qiáng)度估算結(jié)果誤差相對(duì)較大，而采用pm/t2擬合的關(guān)聯(lián)公式來進(jìn)行估算，可以有效地降低估算誤差。因此，在試樣厚度相同的情況下，選擇pm/t2來關(guān)聯(lián)抗拉強(qiáng)度，有助于提高在不同溫度條件下的估算準(zhǔn)確性。

(5) 開展3次及以上的平行試驗(yàn)，并對(duì)估算結(jié)果取平均值，可以提高估算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在取樣條件允許的情況下，通過大量試驗(yàn)分別建立各個(gè)溫度條件下的關(guān)聯(lián)公式，可以進(jìn)一步提高評(píng)估精度。

(6) 試驗(yàn)研究表明，采用小沖桿試驗(yàn)技術(shù)這一試驗(yàn)方法對(duì)主蒸汽管道P92鋼的拉伸性能進(jìn)行評(píng)估是可行的。