基于飽和磁參數(shù)法的P92鋼熱疲勞損傷評估

湯淳坡，周 龍，吳國興，崔 崇

(1.國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇泰州 225300；2.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引言

疲勞損傷是指熱擾動產(chǎn)生的原子空位由于平衡位置本身的變化而不能完全相互湮滅、從而形成缺陷，并在疲勞載荷的作用下發(fā)展[1-4]?；鹆Πl(fā)電機(jī)組的高溫承壓金屬管道、管件在機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行過程中會受到熱疲勞損傷[5-9]。劉志剛[10]認(rèn)為無論是低負(fù)荷調(diào)峰，還是兩班制調(diào)峰，都是機(jī)組工況大幅度變化的過程，機(jī)組參加一次調(diào)峰運(yùn)行，金屬部件就會經(jīng)歷一次應(yīng)力循環(huán)，在這種循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用下，就會引起材料的疲勞損傷。目前主要采用微觀組織分析、力學(xué)性能測試、應(yīng)力分析計算等方法對疲勞損傷的部件進(jìn)行分析。為了減少對在役設(shè)備的破壞，采用無損檢測方法對疲勞損傷進(jìn)行快速評價是一個重要的技術(shù)發(fā)展方向。蔡暉等[11]對靈活性運(yùn)行的鍋爐進(jìn)行了應(yīng)力分析，表明熱應(yīng)力是導(dǎo)致水冷壁開裂失效的主要因素。崔崇等[12]通過有限元模擬計算結(jié)合現(xiàn)場檢驗的方法，表明調(diào)峰機(jī)組的金屬部件沿壁厚方向存在谷點特征分布的疲勞熱應(yīng)力。磁參數(shù)無損檢測方法具有測量速度快和精度高等優(yōu)點。目前研究較多的是采用磁記憶檢測法、巴氏磁參量法對鐵磁性部件內(nèi)部的殘余應(yīng)力、疲勞損傷進(jìn)行無損檢測。盧兵兵等[13]綜述了金屬磁記憶疲勞損傷檢測的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景。和振峰等[14]研究采用標(biāo)準(zhǔn)化處理后的磁記憶曲線矢量合成平均值來表征焊縫疲勞整個過程，達(dá)到預(yù)警疲勞裂紋萌生的目的。陳善功等[15]提取了液壓缸疲勞試樣在不同疲勞損傷階段的金屬磁記憶信號特征值，提出了疲勞損傷定量化評估的閾值。王泓等[16]的研究表明巴氏磁參量的變化量不但能可靠表征試樣熱損傷的程度；而且能方便地預(yù)測熱損傷后的疲勞強(qiáng)度。侯玉婷[17]對巴氏磁參量的多磁參數(shù)融合和材料疲勞壽命預(yù)測中的不確定性問題展開研究。磁滯特性是由鐵磁材料在磁化過程中磁通密度B的變化滯后于磁場強(qiáng)度H的變化而導(dǎo)致的[18-20]，其中，鐵磁性材料在外加磁場作用下磁化到飽和狀態(tài)后，對其施加退磁場，當(dāng)外加磁場強(qiáng)度減小到0時，材料剩余的磁感應(yīng)強(qiáng)度為剩磁，使其剩磁減為0所需要的反向磁場強(qiáng)度為矯頑力。

采用磁滯特征參數(shù)研究調(diào)峰機(jī)組高溫耐熱鋼材料熱疲勞損傷的研究還比較少，本文以火電機(jī)組常用的SA-335 P92鋼為研究對象，介紹基于飽和磁滯回線特征參數(shù)的熱疲勞損傷檢測、輔以理化檢驗的結(jié)果和分析，以了解熱疲勞對相關(guān)性能的影響，期望有助于調(diào)峰機(jī)組高溫金屬部件的熱疲勞損傷的定量評估。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗原材料為正火+回火態(tài)的P92鋼管，規(guī)格為OD 380 mm×60 mm。

1.2 熱疲勞試樣制備

采用機(jī)加工方法制作40個尺寸為10 mm×10 mm×50 mm的正方形截面的長條狀樣品，分為1#～8#共8個組別(每組包括5個平行樣品)。按表1的方案，采用Gleeble-1500型熱疲勞試驗機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗。單次循環(huán)參數(shù)為：溫度由520 ℃升高到620 ℃，穩(wěn)定后再降低到520 ℃，溫度變化速率為25 ℃/min；與此同時，給樣品施加沿軸向的拉應(yīng)力從0 MPa升高到70 MPa，再降低到0 MPa。其中1#組別是熱疲勞循環(huán)次數(shù)為0次的原始態(tài)樣品。

表1 熱疲勞試驗方案

1.3 飽和磁參數(shù)試驗

采用配置有CMP-30型探頭的MA-WF-05型磁性分析系統(tǒng)對熱疲勞樣品進(jìn)行飽和磁參數(shù)性能檢測。將測試結(jié)果繪制成飽和磁滯回線，并自動提取以下測試結(jié)果：矯頑力(Hc)和剩磁(Br)。

1.4 理化試驗

對1#組別的原始態(tài)樣品以及經(jīng)熱疲勞試驗的2#～8#組別樣品,選擇其中的平行樣品分別采用蔡司光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，并利用MTS CMT4000力學(xué)性能試驗機(jī)進(jìn)行室溫力學(xué)性能試驗。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 飽和磁參數(shù)性能

熱疲勞試驗樣品的飽和磁參數(shù)性能檢測結(jié)果如表2所示。磁矯頑力測試值Y1與熱疲勞循環(huán)次數(shù)X線性擬合結(jié)果分別如圖1(a)和式(1)所示(線性相關(guān)系數(shù)R=0.96);剩磁測試值Y2與熱疲勞循環(huán)次數(shù)X的線性擬合結(jié)果分別如圖1(b)和式(2)所示(線性相關(guān)系數(shù)R=0.59)。

表2 飽和磁參數(shù)性能

(a)磁矯頑力

Y1=648.6571+1.4889X

(1)

Y2=0.14491+2.6724×10-4X

(2)

式中,X為熱疲勞循環(huán)試驗次數(shù)；Y1為磁矯頑力測試值；Y2為剩磁測試值。

研究發(fā)現(xiàn),隨著熱疲勞循環(huán)次數(shù)增多，磁矯頑力測試值呈線性增大趨勢，剩磁測試值基本呈增大趨勢，但同一組多次測試數(shù)據(jù)的方差很大，導(dǎo)致單次測試值波動范圍大。

2.2 微觀組織

P92鋼試驗樣品不同循環(huán)次數(shù)熱疲勞的微觀組織如圖2所示?？梢钥闯鲈跓崞谠囼炦^程中，隨著溫度和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，供貨狀態(tài)下存在的亞晶粒消失，板條寬度增大。在試驗循環(huán)200次及以后，原始的板條結(jié)構(gòu)逐漸向等軸的晶粒轉(zhuǎn)變。

(a)循環(huán)0次

材料內(nèi)部亞晶粒的晶界主要是高密度的位錯構(gòu)成。從亞晶粒逐漸消失可以推測位錯逐漸發(fā)生了運(yùn)動或者湮滅。試驗過程中，材料受到高溫和較大的應(yīng)力在局部造成的應(yīng)力集中為形成等軸晶粒提供了驅(qū)動力，并使晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動，靠近最低能量的擇優(yōu)取向。與此同時，微區(qū)域的塑性變形使得位錯發(fā)生增殖，當(dāng)位錯堆積到一定程度時，位錯墻產(chǎn)生，并將板條劃分為多個低能量位錯胞，隨著保載條件加劇，位錯繼續(xù)向板條邊界、晶界等處遷移，板條內(nèi)小的位錯胞結(jié)構(gòu)消失。從磁疇結(jié)構(gòu)運(yùn)動變化的角度看，疇壁的移動需要達(dá)到一定臨界磁場強(qiáng)度。隨著熱疲勞循環(huán)次數(shù)增加，晶內(nèi)位錯逐漸塞積到板條邊界、晶界附近，因此推測位錯塞積造成的局部應(yīng)力集中使材料晶界附近的應(yīng)力能增加，進(jìn)而使P92磁疇磁矩的取向發(fā)生變化，導(dǎo)致了矯頑力增大。

2.3 室溫力學(xué)性能

不同循環(huán)次數(shù)熱疲勞后，P92的室溫力學(xué)性能測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 室溫力學(xué)性能與熱疲勞循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

從圖3可看出，隨著熱疲勞循環(huán)試驗次數(shù)的增加，P92鋼的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度總體呈現(xiàn)降低趨勢，特別是抗拉強(qiáng)度在循環(huán)次數(shù)達(dá)到250次以后有較為顯著的降低。但在循環(huán)次數(shù)約150次左右的老化樣品中，觀察到抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度升高的現(xiàn)象。這表明在熱疲勞試驗過程中，材料的室溫力學(xué)性能與熱疲勞損傷的增加沒有線性相關(guān)的特點。由于耐熱鋼材料強(qiáng)度與其微觀結(jié)構(gòu)密切關(guān)聯(lián)，在熱疲勞循環(huán)試驗的初期階段(循環(huán)次數(shù)250次以內(nèi))，隨疲勞損傷的增加，推測在晶粒內(nèi)部位錯堆積到一定程度時，導(dǎo)致位錯強(qiáng)化效應(yīng)，對室溫力學(xué)試驗時晶粒的形變造成了阻礙，表現(xiàn)為強(qiáng)度性能的升高。在熱疲勞試驗的中后期階段，馬氏體板條內(nèi)部位錯密度顯著降低，表現(xiàn)為室溫力學(xué)性能逐漸降低。

3 結(jié)論

(1)P92鋼的磁矯頑力與其熱疲勞試驗的循環(huán)次數(shù)之間存在良好的線性正相關(guān)關(guān)系，而剩磁的變化趨勢不明顯，因此磁矯頑力參數(shù)能夠用于P92鋼材料無損檢測的熱疲勞損傷程度。

(2)隨熱疲勞循環(huán)次數(shù)增加，馬氏體板條內(nèi)小的位錯胞結(jié)構(gòu)消失、板條寬度有增大趨勢，室溫力學(xué)性能隨循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低。