不同工況下20g鋼及焊縫材料的棘輪-疲勞行為

摘 要 對焦炭塔用20g鋼和焊縫材料，分別在20、250、495 ℃下進行單軸拉伸實驗和非對稱應(yīng)力循環(huán)實驗。結(jié)果表明，兩種材料的屈服強度隨溫度的升高而降低，焊縫材料的屈服強度和抗拉強度明顯高于20g鋼的。不同溫度下，兩種材料在非對稱應(yīng)力的加載下，均會產(chǎn)生棘輪行為，循環(huán)周次隨平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的增大而縮短，棘輪應(yīng)變速率越快，循環(huán)周次越短。在250 ℃下，由于動態(tài)應(yīng)變時效作用，20g鋼和焊縫材料呈現(xiàn)出循環(huán)硬化特性，只有在高應(yīng)力水平下才會出現(xiàn)明顯的棘輪行為，而在低應(yīng)力水平下則表現(xiàn)出準(zhǔn)安定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 20g鋼 焊縫材料 棘輪行為 疲勞壽命 單軸拉伸實驗 非對稱應(yīng)力循環(huán)實驗

中圖分類號 TQ050.4+1" "文獻標(biāo)志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）05?0675?07

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（批準(zhǔn)號：2021YFC3001805?03）資助的課題。

作者簡介：杜輝宗（1998-），碩士研究生，從事焦炭塔疲勞分析相關(guān)工作。

通訊作者：趙建平（1971-），教授，從事高端承壓設(shè)備先進設(shè)計與制造的研究，jpzhao@njtech.edu.cn。

引用本文：杜輝宗，趙建平.不同工況下20g鋼及焊縫材料的棘輪-疲勞行為［J］.化工機械，2024，51（5）：675-680；715.

20g鋼作為一種優(yōu)質(zhì)低碳鋼，被廣泛應(yīng)用于鍋爐類壓力容器，其正常狀態(tài)下的金相組織包括鐵素體和珠光體。珠光體是由薄片狀的鐵素體和滲碳體相互錯位排列而成。由于這種結(jié)構(gòu)和金相組織的存在，20g鋼在壓力容器應(yīng)用中能夠表現(xiàn)出非常出色的力學(xué)性能［1］。20g鋼還可以作為延遲焦化裝置核心設(shè)備焦炭塔的用鋼［2］，焦炭塔工作工況苛刻，其生產(chǎn)工藝流程主要分為蒸汽預(yù)熱-油氣預(yù)熱-進油結(jié)焦-吹汽冷卻-進水冷卻-放水除焦，每一生產(chǎn)周期均需經(jīng)歷一個冷熱循環(huán)過程，工作壓力交替變化，循環(huán)操作通常在環(huán)境溫度到約495 ℃范圍內(nèi)進行［3］。

美國石油協(xié)會（America Petroleum Institute，API）就焦炭塔在服役中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)失效問題進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)焦炭塔會出現(xiàn)塔體鼓凸變形、傾斜變形以及裙座焊縫、塔體環(huán)焊縫和接管焊縫開裂等問題［4～6］，嚴(yán)重影響了焦炭塔的安全長周期運行。焦炭塔產(chǎn)生的塔體鼓凸變形和焊縫開裂是其主要的破壞形式，筆者認為產(chǎn)生破壞的原因是由于焦炭塔特定的操作工況，材料出現(xiàn)了棘輪行為。目前，已有的針對不同材料棘輪行為的文獻報道認為［7～9］，平均應(yīng)力和應(yīng)力幅對棘輪行為具有重要影響，兩者越大，棘輪應(yīng)變率越大?；诖?，筆者對20g鋼和焊縫材料開展不同溫度下的棘輪行為分析。

1 試樣制備與實驗方法

1.1 試樣制備

實驗試樣為50 mm厚的20g鋼板，焊材牌號J507，對完成焊接的鋼板進行與焦炭塔熱處理相同的消應(yīng)力處理，20g鋼和焊材的化學(xué)成分見表1。

實驗試樣按照GB/T 228.1—2021加工成單軸拉伸試樣，按照GB/T 26077—2010和GB/T 3075—2008加工成非對稱循環(huán)加載試樣，所有試樣均為圓形截面，尺寸如圖1所示。

1.2 實驗方法

所有實驗均在100 kN的MTS809型材料試驗機上進行，根據(jù)焦炭塔操作工況，分別在20、250、495 ℃下對20g鋼和焊縫材料進行單軸拉伸實驗和非對稱循環(huán)加載實驗。為保證試樣溫度的均勻性，實驗開始加載前保溫15 min，單軸拉伸實驗的應(yīng)變速率為0.001 s-1。

非對稱應(yīng)力循環(huán)實驗采用三角波形，應(yīng)力加載速率為100 MPa/s。分別在25、250、495 ℃下開展不同平均應(yīng)力不同應(yīng)力幅值下的應(yīng)力循環(huán)實驗。棘輪應(yīng)變ε的計算式為：

ε=ε

其中，ε為每個循環(huán)周次中的最大應(yīng)變值。

將每兩個循環(huán)周次之間產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變的變化量定義為棘輪應(yīng)變率，用Δε表示，Δε代表非對稱循環(huán)加載過程中棘輪應(yīng)變累積的速率。由于在實驗前期和后期棘輪應(yīng)變率不穩(wěn)定，所以選取循環(huán)穩(wěn)定時的棘輪應(yīng)變率Δ[ε][·]=dε/dN作為研究指標(biāo)，其中N為循環(huán)次數(shù)。得到非對稱應(yīng)力循環(huán)實驗方案見表2。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 單軸拉伸實驗

在20、250、495 ℃下對20g鋼和焊縫材料進行單軸拉伸實驗，結(jié)果見表3?？梢钥闯?，20g鋼和焊縫材料屈服強度隨溫度的升高而降低，焊縫材料的屈服強度和抗拉強度明顯高于20g鋼。250 ℃下20g鋼和焊縫材料的抗拉強度高于常溫，此時，試樣表面會出現(xiàn)一層藍色的氧化膜，稱為藍脆現(xiàn)象。文獻［10］認為，產(chǎn)生藍脆現(xiàn)象是動態(tài)應(yīng)變時效作用的結(jié)果，在特定的溫度范圍和加載速率下，應(yīng)變時效和位錯與碳、氮原子的交互作用強化了基體，產(chǎn)生位錯的阻力隨之增大，位錯難以到達表面形成駐留滑移帶，最終造成強化后的材料不易產(chǎn)生塑性應(yīng)變［11］。

20g鋼和焊縫材料的拉伸曲線如圖2所示，可以看出，20g鋼在20、250 ℃下有明顯的屈服平臺，在495 ℃下屈服平臺消失，而焊縫材料在不同溫度下均沒有明顯的屈服平臺。

2.2 非對稱應(yīng)力循環(huán)實驗

2.2.1 20g鋼

對不同工況下不同循環(huán)周次，即1周次、2周次、10周次、半壽命和全壽命對應(yīng)的滯回環(huán)進行繪制，如圖3所示?？梢钥闯?，20g鋼在非對稱應(yīng)力的加載下，隨著循環(huán)周次的增加，滯回環(huán)逐漸向應(yīng)變正方向移動，具有顯著的棘輪行為，在材料發(fā)生疲勞破壞時變得尤為明顯。在發(fā)生疲勞破壞時，應(yīng)變產(chǎn)生大的突變，材料的失效主要歸因于棘輪應(yīng)變的累積引起的韌性斷裂。

圖4給出了20g鋼在不同工況下的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次的演化曲線?？梢钥闯觯?0g鋼的循環(huán)周次隨加載條件（平均應(yīng)力+應(yīng)力幅值）的增大而降低，導(dǎo)致初始階段和穩(wěn)定階段的棘輪應(yīng)變演化速率加快。250 ℃下，產(chǎn)生棘輪行為所需的應(yīng)力水平較高，峰值應(yīng)力接近抗拉強度時，才會產(chǎn)生明顯的棘輪應(yīng)變；在55 MPa±365 MPa加載條件下大約2 000周次后進入準(zhǔn)安定狀態(tài)，產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變水平較低。

為了探討20g鋼在250 ℃下的棘輪安定問題，增加50 MPa±300 MPa和70 MPa±320 MPa的加載條件，圖5給出了低應(yīng)水平下20g鋼的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次的演化曲線，可以看出，在這兩個加載條件下20g鋼的棘輪應(yīng)變較小，只出現(xiàn)在前幾周次，之后就進入了棘輪安定階段。可見，應(yīng)力水平越小，進入準(zhǔn)安定狀態(tài)所需的循環(huán)周次越少，材料的失效主要歸因于低周疲勞引起的脆性斷裂。

2.2.2 焊縫材料

圖6為焊縫材料在不同工況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，焊縫材料在非對稱應(yīng)力的加載下，隨著循環(huán)周次的增加，滯回環(huán)逐漸向應(yīng)變正方向移動，具有顯著的棘輪行為。從圖6b中可以看出，在250 ℃下焊縫材料的棘輪應(yīng)變并沒有快速增大，這是由于動態(tài)應(yīng)變時效作用的影響，材料在循環(huán)穩(wěn)定后，累積的塑性變形趨于穩(wěn)定，在后續(xù)載荷作用下產(chǎn)生了彈性響應(yīng)，進入彈性安定，在高應(yīng)力水平下才會產(chǎn)生棘輪行為，且產(chǎn)生棘輪的應(yīng)力范圍較20g鋼的小，因此焊縫材料更容易進入安定狀態(tài)。由圖7可以看出，循環(huán)周次隨平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的增大而縮短，即棘輪應(yīng)變演化的速率越快，循環(huán)周次越短。

3 結(jié)論

3.1 焊縫材料的拉伸性能明顯高于20g鋼的，20g鋼和焊縫材料在250 ℃時，由于動態(tài)應(yīng)變時效作用會出現(xiàn)藍脆現(xiàn)象，造成20g鋼的單軸拉伸彈性模量、屈服強度與20 ℃時相近，而抗拉強度超過20 ℃時的，495 ℃時彈性模量、屈服強度、抗拉強度顯著下降。

3.2 在非對稱應(yīng)力循環(huán)載荷控制下，20、495 ℃下20g鋼和焊縫材料均表現(xiàn)出明顯的棘輪行為，隨著平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的增大，棘輪應(yīng)變速率增大，循環(huán)周次縮短。在250 ℃下，兩種材料在動態(tài)應(yīng)變時效作用下呈現(xiàn)出循環(huán)硬化特性，棘輪應(yīng)變演變呈現(xiàn)出準(zhǔn)安定狀態(tài)，在較高應(yīng)力水平下才會產(chǎn)生較大的棘輪應(yīng)變。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-10-27，修回日期：2024-09-16）

Rachet?Fatigue Behavior of 20g Steel and Weld Materials at Different Temperatures

DU Hui?zong1，2， ZHAO Jian?ping1，2

（1. School of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University； 2. Jiangsu Key Lab of Design and Manufacture of Extreme Pressure Equipment）

Abstract" "Both uniaxial tensile test and asymmetric stress cycle test were carried out for 20g steel and weld material of the coke tower at 20， 250 and 495 ℃， respectively. The results show that， the yield strength of the two materials decreases with the increase of temperature， and the yield strength and tensile strength of the weld material are significantly higher than 20g steel. Under asymmetric stress loading at different temperatures， the ratchet behavior will occur in both materials and the cycle times become short with the increase of both average stress and stress amplitude. The faster ratchet strain rate brings about shorter cycle times. At 250 °C， both 20g steel and weld material show cyclic hardening characteristics due to dynamic strain aging， and the obvious ratchet behavior only happens at high stress levels and quasi?stable state occurs at low stress levels.

Key words" "20g steel， weld material， ratchet behavior， fatigue life， uniaxial tensile test， asymmetric stress cycle test