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西华大学硕士学位论文 不锈钢焊接接头蠕变损伤及其寿命估计的研究 材料加工工程专业 研究生李娟指导老师屈金山 焊接作为一种重要的材料加工工艺，已广泛用于各个行业中。随着我国的 经济建设和工业的发展，对这些焊接构件安全性的要求越来越高，面l i 岛的环境 越来越苛刻，尤其是在高温环境下长期服役的设备，其焊接接头性能的优劣直 接关系到工程构件的安全运行。在工程实际中，焊件在高温条件下长期工作时， 接头的熔合区和热影响区常发生蠕变断裂，造成巨大的经济损失和人员伤亡。 因此，研究高温下工作的焊接接头的蠕变行为具有重要的意义。 本文从细观和纳观的角度来阐述奥氏体型不锈钢0 c r l 8 n i 9 焊接接头蠕变 损伤机理。在已有的蠕变试验数据基础上，在电子扫描照片上以网格的方法测 得不同位置的空洞直径大小。计算不同试验条件下空洞直径平均大小和测量误 差，得出空洞测量尺寸分布图，预测蠕变损伤程度；用所测得的试验数据得出 d o r 和d r 关系：利用最小二乘法得出d o r 和d r 的函数关系，对其迸 行方差分析和相关性检验；运用m a t l a b 语言编制程序，拟合d 一仃和d r 曲线与蠕变试验数据；预测空洞随工作温度和载荷的d o r 和d r 变化。 研究结果表明：蠕变的形成主要是因为晶界滑动时在三晶交汇或晶界台阶 处形成空洞核心，这些空洞核心在应力和空位流的同时作用下长大，并在同一 晶界上彼此交汇，造成晶界上损坏面积增大，当同一或相邻晶界上的空洞彼此 交汇连接时，形成微观裂纹，最终微观裂纹扩展为宏观裂纹。当宏观裂纹超过 裂纹临界尺寸时发生蠕变断裂。在蠕变损伤中，空洞平均尺寸反映了蠕变损伤 程度。空洞直径大小随温度的升高、应力的增大而长大，温度对空洞尺寸变化 的影响大于应力的影响。 关键词：蠕变，焊接接头，空洞，温度，应力 要兰查兰堡主兰垒笙奎 s t u d y o nc r e e p d a m a g e a n dl i f ee s t i m a t i o no f s t a i n l e s ss t e e lw e l d e dj o i n t s m a j o ri nm a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g g r a d u a t el ij u a n s u p e r v i s o r p r o f o uj i n s h a n a sa l li m p o r t a n tm a t c r i a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , w e l d i n gt e c h n i q u ei sw i d e l y u s e di nv a r i e t yo fi n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i cc o n s t r u c t i o na n d i n d u s t r y , t h en e e df o rt h ew e l d e du n i ts a f e t yb c c o m c sm o l ea n dm o r eh i g h e r , t h e s e r v i c ee n v k o n m c n ti nw h i c ht h ew e l d e du n i to p e r a t e sb c g o m c sl n o r ea n dm o r e a u s t e r e ，e s p e c i a u ya th i g ht e m p e r a t u r e t h eq u a l i t yo fw e l d e dj o i n t h a sag r e a t i n f l u e n c et ot h es a f e t yo ft h ee n g i n e e r i n gu n i t i ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，c r e e pd a m a g e o f t e no c c u r sa tt h ef u s i o nz o n ea n dh a zo fw e l d e dp a r t sw o r k i n ga th i 庐 t e m p e r a t u r e ，w h i c hr e s u l t si ne n o r m o u s l ye c o n o m i cl o s sa n dp e o p l ec a s u a l t i e s s oi t i sv e r ys i g n i f i c a n tt os t u d yt h ec r e e pb e h a v i o ro fw e l d e dj o i n t so p e r a t i n ga th i 曲 t e m p e r a t u r e i nt h ev i e wo ft h em e s o s c o p i ca n dn a n o s c o p i cs t r u c t u r e ，t h i sp a p e re x p o u n dt h e m e c h a n i s mo f c r e e pd a m a g eo f 0 c r l 8 n i 9s t a i n l e s ss t e e lw e l d e d j o i n t o nt h eb a s eo f c r e e pt e s t s ，c a v i t y d i a m e t e ri sm e a s u r e dw i t hg r i d1 1 a n s p a r c n c yo v e r l a i do i l f l a c t o g r a p h a v e r a g ec a v i t yd i a m e t e r a n di t se r r o ra r ec a l c u l a t e du s i n gd a t am e a s u r e d ， c a v i t y s i z ed i s t r i b u t i o ni sp l o t t e d , t h er e l a t i o n s h i po fd - o ra n dd - ta g e o b t a i n e d c r e e pd a m a g el e v e li sp r e d i c t e db yc a v i t ys i z ed i s t r i b u t i o n t h ed a t a m e a s u r e da r ca n a l y z e dw i t hm a t h e m a t i c a lm e t h o d a n dt h ef u n c t i o no fd o ra n d d ti so b t a i n e d c u r v eo fd o ra n dd ta r cf i t t e dw i t hc r e e pd a t au s i n g m a t l a bl a n g u a g e b a s e do nt h eg r o w t hm l eo f c a v i t ys i z e , t h ef u n c t i o no fd - - o r 西华大学硕士学位论文 a n dd - ta r cp r o p o s e da st h et e m p e r a t u r ea n dw o r k i n gl o a dc h a n g e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e c a v i t yo c c u r s a tt h ei n t e r s e c t i o no ft h r e eg r a i n b o u n d a r yo rg r a i l l b o u r l d a r ys t e p ，w h i c hl e a d sc r e e pg e n e r a t i o n t h e s ec a v i t i e sg r o w a n dc o a l e s c eu n d e rs t r e s s e sa n dc a v i t yc u r r e n t w h e nc a v 时c o a l e s c e n c et a k e sf l a c e o nt h es a m eo ra d j a c e n tg r a i n - b o u n d a r y , t h em i c r o - c r a c k sa r ef o r m e d m i c r o - c r a c k s b e m et om a c r o - c r a c k s w h e nt h em a c r o - c r a c ks i z ei sg r e a t e rt h a nt h ec r i t i c a lc r a c k s i z e , t h ef i a c t u r ep h e n o m e n o nh a p p e n s d u r i n gt h er e s e a r c ho fc r e e pd a m a g e , a v e r a g ec a v i t ys i z ei ss e e na ni n d i c a t o ro fc r e e pd a m a g el e v e l c a v i t yd i a m e t e rs i z e i n c r e a s e sa st h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s si n c r e a s e t h ee f f e c to f t e m p e r a t u r ec a v i t ys i z e j sm o r eo b v i o u st h a nt h a to f s t r e s s k e yw o r d s ：c r e e p , w e l d e dj o i n t s ，c a v i t y , t e m p e r a t u r e , s t r e s s m 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 储繇苣舢年j _ 月2 日 新确刚纱 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着国民经济的发展，焊接结构的应用日益增多，焊接作为一种重要的材 料加工工艺，已广泛应用于各个行业，许多机械设备构件都是采用焊接工艺来 实现连接的。当这些构件在高温条件下运行时，如石化系统中高温高压的反应 容器和管道、火电厂的主蒸汽管道、航空航天领域的发动机以及核能设备的某 些部件等，受载复杂，尤其是焊接接头的局部应力往往超过屈服应力，产生塑 性变形，这时焊接接头性能的优劣关系到工程构件运行的可靠性和安全性，且 影响巨大。例如1 9 8 5 年6 月，美国某发电厂的蒸汽管道( 焊接管) 发生断裂， 虽未造成人员伤亡，但导致了停工8 个小时和数百万美元的直接经济损失。调 查分析表明其主要原因是：焊接接头在高温长期使用过程中，在热影响区( 熔 合区附近) 发生蠕变裂纹扩展，并最终导致断裂1 1 ；2 1 。1 9 7 4 年6 月1 9 日在美国 t e n n e s s e e 州一大型发电站，由c r - m o - v 合金钢锻造而成的转子在5 6 5 0 c 下运 转，当转速达到了4 0 0 r m 时发生爆炸。此转子经过1 0 6 0 0 0 小时运转8 3 次，热 启动1 0 5 次，冷启动5 次超速跳闸。失效分析结果表明：蠕变与低周疲劳的交 互作用是引起转子破坏的原因 3 1 。这些事例说明：蠕变问题的研究随着动力机 械、化工机械的发展，显示出日益重要的地位，积极开展这方面的研究工作， 保证焊接管道、焊接桥梁以及其他基础设施中焊接结构的安全运行无疑具有非 常重要的现实意义，并且也有利于研究开发各种抗蠕交能力较强的高温材料。 1 2 电站设备中异种金属焊接接头蠕变失效行为 1 2 1 异种金属的焊接 在火电厂的大型机组中，异种金属的钢结构得到了广泛的应用。随着机组 各个部件工作温度的不同，相应地使用了各种不同化学成分和组织结构的钢 材，因此就不免要涉及到异种金属焊接的问题。 异种金属焊接比同种金属焊接要复杂的多，因而对部件使用时的安全性影 响也较为突出，尤其是近年来，国内外发生过多起异种金属焊接接头的断裂事 故，引起了学术界的广泛重视。 火电厂的焊接结构中异种金属焊接接头是多种多样的。如锅炉管的对接焊 西华大学硕士学位论文 中，有低碳、低合金珠光体耐热钢与中合金贝氏体耐热钢的焊接( 简写为p + b ) ， 低碳、低合金珠光体耐热钢与铬镍奥氏体耐热不锈钢的焊接( p + a ) 等等。其 中以“p + a ，、“p + m ，为最多。异种金属焊接不仅包括两种不同钢材的焊接，也 包括同种金属采用与母材金属不同的焊接材料的焊接，如用奥氏体焊接材料焊 接珠光体耐热钢，这在电厂焊接结构中是很常见的1 4 。 1 2 2 异种金属焊接接头中的蠕变失效 在工程实际中，往往由于材料的蠕变破坏了机组的正常运行。焊接接头在 一定温度和应力的作用下，长期工作时易发生蠕变，并导致蠕变断裂，特别是 在接头的熔合区和热影响区常发生蠕变断裂导致破坏性事故。异种金属焊接接 头和同种金属焊接接头的本质差别在于：熔敷金属、两侧焊接热影响区和母材 这几个区域所组成的焊接接头存在着化学成分的不均匀性、金属组织的不均匀 性及应力分布的不均匀性1 4 j 。这些问题使得焊接接头在使用过程中存在较严重 的碳迁移及组织性能变化，加之两类材料线膨胀系数相差较大。加热过程中在 近界面部位产生附加热应力，因此常导致焊接接头的蠕变断裂失效，失效部位 一般位于焊缝与珠光体钢界面，宏观断口呈无塑性脆断特征【5 | 6 】。 由化学成分不同的材质组成的异种金属焊接接头在焊后热处理条件或在 高温条件下使用时，某些合金元素，特别是碳，会发生迁移现象。由于在熔合 区产生碳浓度的不均匀性，使 导碳从珠光体母材一铡通过熔合区向奥氏体焊缝 一侧迁移扩散，导致珠光体母材一侧产生铁素体脱碳层而软化，同时促使了脱 碳层的晶粒长大，沿熔合区产生粗晶区；奥氏体焊缝一侧形成了高硬度的增碳 层，在增碳层中溶入基体的剩余碳元素以碳化物形态析出而硬化1 7 “。这样的焊 接接头导致了蠕变强度降低，高温下长期使用时易在熔合区产生蠕变裂纹，断 口常出现在靠近熔合区的脱碳层上，印靠近熔合区的热影响区处，关于这一点 国内外的看法是比较一致的1 1 ”s l 。 关于碳的迁移对于蠕变失效的影响，国内有过不少研究。文献【5 】认为，在 采用奥氏体焊接材料焊接珠光体钢时所形成的接头在使用过程中存在着严重 的碳迁移现象，碳迁移之后珠光体钢一侧靠近熔合区部位形成低强度区段，增 大了接头局部蠕变倾向。而奥氏体焊缝一侧的高硬度区则提高了蠕变拘束程 2 西华大学硕士学位论文 度，且焊接接头在温度变化过程中由于焊缝与珠光体母材间线膨胀系数差异而 产生的附加热应力可以导致接头局部瞬时应变和再结晶，加快接头局部蠕变速 率。采用镍基焊接材料时的接头，由于焊缝中镍的含量高，且镍为石墨化元素， 可大大增加碳的活度，有效控制了碳的迁移，所以接头的蠕变性能优于采用奥 氏体焊接材料的接头【1 捌。但采用镍基焊接材料的接头经长期使用后，大量碳化 物也会沿珠光体钢熔合区、热影响区晶界析出、聚集，从而导致材料的高温蠕 变性能与抗氧化性能降l 氏v , x o l 。 所以在焊接珠光体耐热钢时，应优先采用镍基焊接材料( i n c o n e l 类) 。现 有许多经过改进的镍基焊接材料( 如e n 一3 1 7 t 1 1 1 ) ，可阻碍焊缝界面的碳迁移和 碳化物聚集，并可改善接头应力分布，提高了接头的高温持久强度。 1 2 3 电站高温部件的蠕变失效机制 在电站高温部件中，包含有各种型式的焊缝。既有环焊缝，也有纵焊缝。 接头型式也有对接、角接及搭接等。在环焊缝中，蠕变破坏在焊缝夕i - 表面表现 为空洞、裂纹，由于焊缝的失效要先于部件内部的失效，因此它们可为研究母 材的蠕变破坏和剩余寿命提供某些线索。 不同位置的焊缝其蠕变失效机制是不同的： 1 锅炉管根部焊缝这类焊缝中的裂纹是高温部件中最为典型的一种蠕 变破坏方式，它容易被检测出来，且易于维修。根据材料的冶金特性，焊接热 影响区奥氏体晶界处的蠕变破坏是由空洞和微裂纹引起的。 2 直焊缝此类焊缝中的失效是由蠕变断裂引起的，主要发生在焊缝金属 中，未在热影响区和母材金属中发现。裂纹起始于焊缝外表面的下部，开始阶 段它穿过表面，随后向内表面扩展。 3 环焊缝在此类焊缝中，现已将其中的蠕变失效分为以下四种类型，参 照图1 - 1 。第1 种：存在于焊缝金属中，呈纵向或横向，且完全出现在焊缝中； 第1 1 种：存在于焊缝金属中，呈纵向或横向，但向热影响区附近生长；第1 1 1 种： 存在于h a z 过热粗晶区中；第种：存在于h a z 相变重结晶区的交界区域。 3 西华大学硕士学位论文 f 谚1 - 1f o u r t y p e s o f c t e e p c r a c k i ng i 劬w e l d i n r c l s f i o n i o m i c m s o u c t u r c 图1 - 1 环缝中四种蠕变裂纹类型及出现位置对应的组织形态【l j 在这类焊缝中，发现了沿纵向和环向的裂纹，焊接热影响区也有这样的裂 纹。纵向裂纹的产生是由于内部承受压力和管子膨胀，产生环向裂纹则是由于 压力和管道系统承受外载荷，沿过热租晶区的环向裂纹是由于部件工作前就产 生了由应力引起的裂纹，而焊缝金属中纵向裂纹的产生是由于管子膨胀和焊接 时导热不良，热影响区中型裂纹是局部蠕变变形在相变重结晶区和不完全重 结晶区的交界区域产生的【l l o 通过对高温部件焊缝进行失效分析，可得出以下规律； 大部分焊缝的失效为蠕变失效，因为很明显地出现了蠕变空洞。 4 西华大学硕士学位论文 裂纹产生于焊缝金属中、热影响区过热的粗晶区内以及相变重结晶区和不 完全重结晶区的交界区域。 焊缝金属强度较低或热导性较差是焊缝金属中产生裂纹的主要原因。 由于应力破坏而产生的环向应力、系统弯曲应力或局部应力亦可造成热影 响区产生蠕变裂纹。 蠕变裂纹空位的排列方向总是与拉伸载荷的方向一致。 夹杂物的存在对失效破坏的形成有影响，为空穴在夹杂物处形成提供了条 件1 1 9 - 2 5 l 。 1 3 本课题的研究意义及研究内容 一、研究意义 观察许多材料在拉伸载荷下的变形规律可以发现，在温度不变、载荷不变 的条件下，随着时间的增加，试件的变形也会缓慢增长，这一现象称为蠕变现 象。实际上，当零件变形增长时，应力也可能发生变化，因此蠕交广义的定义 为：当固体受恒定外力作用时，其应力与外形随时间变化的现象。此现象的特 征是：变形、应力与外力不再保持一一对应关系。大多数金属材料，其蠕变变 形在室温下通常很小，可以忽略不计，对某些金属材料如铅、铝等就不可以忽 略。 在分析长期处于高温状态下工作的部件强度时，必须考虑蠕变问题。这一 问题在现代工业中显得十分重要。在工程实际中，往往由于材料的蠕变，破坏 了机组的正常运行；对于需要使用焊接工艺实现连接的部件，更要特别注意 部件薄弱环节焊接接头的蠕变问题，接头在熔合区处经常发生蠕变断裂， 由此而造成了巨大的经济损失和人员伤亡。高温构件焊接接头的安全研究越来 越受到人们的重视，高温构件的损伤评价和寿命预测是当前材料研究的一个重 要领域闭。材料界和焊接界的工作者在该方面开展了大量、深入的研究，从事 后的调查分析知道，这是一种空洞型蠕变裂纹扩展并最终导致构件失效的物理 过程。既与材料本身的组织性能和焊接加工工艺有关，还与实际使用时的工作 条件有关。国外学者从冶金学角度开展了大量的研究工作。研究表明，焊接接 头的蠕变失效过程大体可分为四个阶段：( 1 ) 空洞在晶界上以独立的形式存在， 5 西华大学硕士学位论文 随时间的增大而长大，但彼此未交汇；( 2 ) 三个或更多个空洞在同一晶界上彼 此交汇，造成晶界上损坏面积增大；( 3 ) 同一或相邻晶界上的空洞彼此交汇连 接，形成微观裂纹；( 4 ) 微观裂纹扩展为宏观裂纹，构件寿命仅剩原始寿命的 5 左右，即将断裂1 1 硎。 二、论文的研究内容 本课题的工作主要包括以下几个方面：在已有蠕变试验结果的基础上，利 用蠕变试样断口扫描照片，得到蠕变空洞平均直径的大小和空洞平均测量尺寸 的分布；通过已有蠕变试验数据分别得出空洞直径与温度、应力的关系；利用 最小二乘法分别得到空洞直径与温度、应力的函数关系；运用m a t l a b 编制 程序，拟合焊接接头熔合区处的蠕变数据，并进行比较，得出误差范围，预测一 空洞随工作温度、载荷变化的关系。 6 西华大学硕士学往论文 第二章蠕变与细观力学概述 蠕变现象早在1 8 世纪就已经引起了人们的注意。1 8 8 3 年法国的维卡特曾 对钢索进行了试验，并作了定量分析。1 9 1 0 年，英国物理学家a n d r a d e 发表了 他的基本理论研究成果，并首次提出了蠕变【篮j ，于是蠕变这个专门术语一直沿 用至今。随着工业的发展，蠕变的研究大致从两方面着手进行：一是从微观或 细观力学角度出发，研究蠕变机理及冶金因素对蠕变特性的影响，提高金属的 蠕变抗力，二是从唯象研究的途径出发，以宏观试验为基础，从观察宏观的蠕 变现象着手，在试验的基础上分析研究所得到的实验数据，建立蠕变规律理论， 研究构件在蠕变情况下的应力与应变计算方法及其寿命估算方法。 2 1 细观力学理论 近年来固体力学的研究呈现出两级分化的态势，即分叉为针对( 宏观) 结 构的研究和针对( 固态) 材料的研究。前者追求于越来越真实的工程环境，越 来越复杂的计算几何和越来越智能化的电脑软件；而后者则侧重于探讨不同固 体材料在变形、损伤与破坏时所产生的本质现象与因果关系。虽然结构方面的 研究与结构工程及计算机科学紧密联系，而材料方面的研究与物理学及材料科 学息息相通。细观损伤力学从材料的细观结构出发，对不同的细观损伤机制加 以区分，通过对细观结构变化的物理和力学过程的研究来了解材料的破坏，并 通过体积平均化的方法从细观分析结果导出材料的宏观性质1 2 9 1 ，它旨在用连续 介质力学的方法去研究具有细观结构固体之变形及破坏行为。细观损伤力学的 迅速崛起已使力学分析方法有效地渗透到各种材料体系的研究之中，并进而推 动了固体力学和材料科学的学科发展。 2 1 1 细观力学研究的尺度范围 细观力学的应用尺度一般在微米上下，可以从几个到十几个埃( a ) ( 如 对位错形核和发射的研究) 至毫米( n u n ) 尺度( 如大晶粒多晶和复合材料层) 。 在这一相差六个数量级的尺寸跨度下，还存在着多个过渡性的研究尺度，它们 分别对应着专门的研究问题与研究方法 ：3 0 l ，见表2 - 1 。不同的研究尺度与各种 材料体系相组合，便构成了丰富多彩的细观力学范畴。 7 西华大学硕士学位论文 表2 - 1 不同尺度下的变形力学问题 t a b 2 - 1d e f o r m e dm e c h a n i c sa td i f f e r e n td i m e m i o n 尺度研究命题学科 - a原子键和电子之间交互作用量子力学 原子 热涨、扩散过程 统计力学 位错位错运动与交互、塑性流动、强化机理位错理论、细观力学 滑移滑移、织构、几何软化晶体塑性学 细结构相沉淀、细观损伤( 空洞与微裂纹) 、相变物理冶金学、细观损伤力学 晶粒晶界、点阵取向，孪晶金相学 连续延性、流动局部化( 劲缩与宏观剪切带) 、连续介质力学 介质宏观断裂 结构 结构几何、环境效应、完整性分析计算力学 2 1 2 细观力学的应用 细观力学研究固体材料在力学加载环境下其细观结构的萌生与演变，并追 溯这一演变过程与材料行为的关系。对于固体破坏理论( 包括破坏模式、破坏 过程、延脆性判断、断裂准则、宏观裂纹形核、疲劳机理等) ，细观力学可以 在细观尺度上给出破坏过程的几何图像和演化趋势。对于固体在高温、高速和 相变过程下的晌应，细观力学可给出这些特殊环境下变形机理的演变与异化。 1 细观界面力学 细观界面力学涉及细观界面的滑错、损伤、断裂，位错、空洞和相界面等 细观结构的设计可从本质上决定材料的塑性、破坏和温度强度行为。 界面滑移细观界面( 如晶界) 的滑移在多晶体金属变形过程中占有重 要地位。滑移导致多晶体内部变形场的细观不连续和不均匀。 界面损伤界面的延性损伤是当前界面研究的一个热点。由于裂纹和空 洞往往在界面上首先形成，所以对这一问题的研究将使我们有可能预测宏观缺 陷的萌生模式。界面损伤有均匀、局部非均匀、周期非均匀等模式，最后一种 8 西华大学硕士学位论文 情况的判别准则可借助于塑性失稳理论刚。 界面断裂界面断裂问题在最近三年内取得了令人瞩目的突破。这一进 展使人们得以从理论分析和测试上定量地标定界面断裂行为。界面断裂最突出 的特征在于本质上是混合型的断裂驱动力和断裂韧性参数。准静态问题可证明 其裂尖振荡接触区的尺度很小( 甚至小于原予间距) ，但这一推断对高速定常 扩展裂纹( 裂纹扩展速度与剪切波速同量级) 的情况尚有疑问。 2 细观损伤力学 细观损伤力学的主要学科重点在于对“损伤”赋予了真实的几何形象和 具有力学意义的演化方程。作为宏观断裂先兆的三类细观损伤基元是：空洞 损伤与汇合；微裂纹损伤与临界串接；界面损伤( 含滑错、空穴化与断裂) 。 细观损伤理论的建模方法可概括为【蝴； 选择一个能最佳描述待研究损伤现象的尺度； 抽离出一类基本损伤结构，并将嵌含该损伤结构的背景材料按一定力学 规律统计平均为等效连续介质； 将更细尺度得到的本构关系用于这一背景连续介质； 进而从该尺度下含损伤结构的连续介质力学计算来阐明材料损伤模型。 ( 1 ) 空洞损伤 细观损伤理论由冶金学家在研究金属高温蠕变损伤时所开创。在蠕变条件 下的空洞长大机制由r o b i n s o n 与s c h e n e c t a d y 予以讨论。 典型的空洞损伤结构有【3 3 l ： 大致同一尺寸的弥散分布空洞； 多种特征尺度的空洞群； 在宏观剪切带中的嵌含空洞； 局部化剪切所连接的空洞群。 空洞的演化过程由三个阶段组成：第二相边界处的形核；空洞长大与 第二相颗粒脱离；空洞片状汇合。 对空洞损伤的力学建模包括下列要素i 刈： 空洞几何描述( 密度及形状) ； 9 西华大学硕士学位论文 空洞长大律； 基体材料的本构模型； 均匀化方法； 宏观力学行为预测。 ( 2 ) 界面损伤 近程与远程空洞损伤 界面空洞损伤有近程和远程两类模式。常见的损伤介质为界面处多源发展 的空洞损伤，其演化造成由韧带颈缩失稳而依次汇入钝化界面裂纹尖端的高延 性断裂机制，该损伤区具有近程特征，见图2 - 1 ( a ) 所示。然而，对硬脆约束 厚层间插入一高延性界面镀层的情况，则可能产生由三轴应力区外移而造成的 远程空洞损伤机制，见图2 - 1 ( b ) 所示。基于强约束塑性的数值模拟已得以再 现这类损伤结构阅，其空洞形核机制为高静水应力下的自发形核机制吲。 ( a ) 近程空洞汇入机制( b ) 远程损伤机制 f i g 2 - 1c a v i t yd a m a g e a tm u l t i l a y e rm e d i u m 图2 - 1 多层介质中的空洞损伤删 高温界面损伤 界面损伤包括高温下的晶界空穴化过程和常温下的界面损伤过程。后一过 程前面已经提及，这里主要讨论晶界空穴化过程。对幂次律蠕变基体控制的晶 界空穴化过程可由h u t c h i n s o n - t v e r g a a r d 理论i 嘲来描述，更详细的研究需考虑 三维滑移的影响。如何将上述理论与现有的空洞损伤理论相结合而评价高温强 西华大学_ 硬士学位论文 度仍是一个未解决的问题。 3 细观实验力学 细观力学受到从材料科学量测技术中发展起来的细观实验力学方法的推 动，主要有：显微图像重建和特征识别方法。这一方法可与动态显微观察技 术和计算机图像识别技术相结合而解决对细观损伤演化的监测技术。作为其发 展的最初一种变型，显微网络法已成功地用于裂纹尖端场和晶界滑错之中。 超声和光学显微镜量测技术，此方法可以在一定的分辨率下识别出物体各点声 学张量的变化。但目前主要局限于表面层内的细观损伤识别。若辅之以适当的 理论模型和后处理软件，此方法也可以用于预测平均损伤行为。多方位透析 扫描技术和各向异性损伤识别。这时信号分布的平均值和均方差将分别对应于 损伤程度和各向异性特征。 4 细观计算力学 将计算力学中超级元方法应用于构件细观力学分析，建立一种细观元。细 观元基本思想是对于具有内部复杂细观结构构造的构件进行宏观剖分单元，然 后对每个单元内部组成结构进行细观分析。 作为固体力学与材料科学的交叉学科，细观力学可兼容这两门学科中各自 建立的方法论。除连续介质力学理论、计算力学和实验力学方法外，细观力学 还汲取了固体物理理论( 如位错理论、晶体塑性理论、高分子物理等) 、显微 量测技术和近代物理量测技术。 2 2 蠕变 蠕变是高温下金属力学行为的一个重要特点。蠕变就是金属在长时间的恒 温、恒载荷作用下，缓慢产生塑性变形的现象。由这种变形而导致金属材料的 断裂称为蠕变断裂1 3 9 ，其蠕变断口的宏观特征为：在断口附近有明显的塑性变 形，断口表面有许多龟裂纹，表面被一层氧化膜覆盖；蠕变断口的微观特征是： 当零件在t e t e 为等强温度，即晶粒与晶界强度相等时的温度) 温度以上工作时， 金属的断裂为沿晶延性断裂，在t e 温度以下为穿晶断裂。 1 1 西华大学硕士学位论文 2 2 1 蠕变曲线 蠕变过程可用蠕变曲线来描述，典型的蠕变曲线如图2 - 2 所示。陋段是试 样加载后所引起的瞬时应变e o o 当施加的应力超过金属在该温度下的弹性极限 时，匈包括弹性应变o a 和塑性应变a a 两个部分。这是由外载荷引起的一般瞬 间变形过程，还不算是蠕变。从a 点开始随时间增长而产生的应交属于蠕变， a b c d 段即为蠕变曲线。蠕变曲线上任意一点的斜率( d e d o ，表示该点的蠕变速 率。按照蠕变速率的变化情况，可将蠕变过程分为三个阶段。 i u 乡 慑 翻 口 可 ( )第一输段第二阶段幕三酎段 时间 一 i ，。 f i 9 2 - 2 c r e e p c u r v e 图2 - 2 蠕变曲线【椰l 第一阶段a b 是减速蠕变阶段，又称为过渡蠕变阶段。这一阶段开始的速率 很大，随着时间的延长，蠕变速率逐渐减少。到b 点，蠕变速率达到最小值。 第二阶段b c 是恒速蠕变阶段，又称为稳态蠕变阶段。这一阶段的特点是蠕 变速率几乎保持不变。蠕变速率用表示。 第三阶段c d 是加速蠕变阶段，随着时间的延长，蠕变速率逐渐增大，至d 点产生蠕变断裂。 不同的材料在不同条件下的蠕变曲线是不同的，同一材料的蠕变曲线随应 力的大小和温度的高低而不同。在恒定的温度下改变应力，或是在恒定的应力 西华大学硕士学位论文 下改变温度，蠕变曲线的变化分别如图2 - 3 ( a ) 、嘞所示。由图可见，当应力较 小或温度较低时，蠕变第二阶段持续时间较长，甚至不产生第三阶段。相反， 当应力较大或温度较高时，蠕变第二阶段便很短，甚至完全消失，试样在很短 时间内断裂。 ( a ) s 4 s 3 s 2 s 1c o ) t 4 t 3 t 2 t 1 f i g 2 - 3e f f e c t o f s t r e s s a n d t e m p e r a t u r e o n c e p c u r v e s 图2 - 3 应力和温度对蠕变曲线的影响 4 0 l 在长时间恒温、恒载荷的作用下，金属会产生蠕变，因此，对于在高温下 工作并依靠原始弹性变形获得工作应力的部件，如高温管道法兰接头的紧固螺 栓、靠压紧配合固定于轴上的汽轮机叶轮等，就有可能随时间的延长，在总变 形量不变的情况下，弹性变形不断的转变为塑性变形，从而使工作应力逐渐下 降，以致失效。这种在规定温度和初始条件下，金属材料中应力随时间的增加 而减少的现象为应力松弛。 2 2 2 蠕变微碉蔓b 织变化 在蠕变过程中，金属微观组织结构的变化是颇为复杂的，不但各个阶段有 其特点，而且在同一阶段中往往也有多种微观组织形态并存。 1 蠕变过程中的微观组织变化 在蠕变过程中，金属的微观组织变化比较复杂。以简单金属为例，这些变 西华大学硕士学位论文 化导致滑移带和扭折带的出现，回复和再结晶的产生以及晶界的各种运动，直 至微观裂纹的形成，最后断裂。通过实验发现，蠕变过程中微观组织的变化有 与蠕变曲线三阶段相对应的阶段性变化。 ( 1 ) 蠕变过程中的滑移带和扭折带 在蠕变过程中，滑移是一个主要现象。随着温度的升高，滑移带逐渐加宽、 变深，并且在带与带间出现精细滑移线，产生精细滑移。实验证明，温度越高， 应力越小，晶粒越小，滑移带间距就越大。多晶试样在一定的高温和低应力下， 绝大部分蠕变来自精细滑移而看不见滑移带，称之为无滑移流变。 在蠕变条件下，比较容易出现扭折带。试验证明，温度越高，应力越小， 晶粒越小，扭折带就越宽。往往带宽比晶粒还大时，扭折带就看不见了。 总的说来，低温蠕变的第一阶段主要是滑移和扭折，在六方结构金属中还 可能出现孪生，温度高时产生回复和再结晶现象。 ( 2 ) 蠕变过程中的回复和再结晶 蠕变温度升高时易产生回复和再结晶。回复一般出现在第一阶段末和第二 阶段，形成多边形化的亚晶粒一亚结构，此阶段又称为回复蠕变。在蠕变过 程中，亚结构的形成机制是通过晶格弯曲部分的多边形化，因此其大小与晶粒 度无关，只随温度的增高、应力的减低而增大；再结晶出现在第二阶段末和第 三阶段，它往往导致第一阶段的重新出现。 一3 n 山姒谢沙 ( a ) f i g 2 - 9 s c h e m a t i c o f c a v i t y - t y p e c r a c k f o r m i n g a n d g r o w i n g 图2 - 9 空洞型裂纹的形成与扩展示意图 4 1 1 2 0 西华大学碗士学位论文 由于空洞的长大方式不同，便会造成空洞在形状上的差异。两种典型的空 洞长大方式如图2 1 0 所示。图( a ) 为圆形空洞长大方式示意图，空洞在长大 过程中保持原来的形状不变，这是由于晶晃扩散速率与空洞表面的移动速率大 致相同，所以原子可以自空洞外围向晶界均匀扩散，使空洞不断长大。图( b ) 中，空洞在长大过程中不再保持原来的形状，而是向与拉应力垂直的方向生长， 空洞沿该方向被拉长，这是由于晶界扩散速率大予空洞表面移动速率，导致空 洞在与拉应力的垂直方向上生长较快阳l 。 c a ) 嘞 f i g 2 - 1 0s c h e m a t i c so f c a v i t yg r o w t hp r o c e s s 图2 - 1 0 空洞长大过程示意图嗣 由于蠕变断裂主要发生在晶界，因此晶界的状态、结构和析出物对蠕变断 裂均会造成较大的影响。一些残余应力较大的焊接接头，在热处理应力松弛过 程中，就可获得足够能量而形成亚显微的空洞。随着蠕变的进行，通过空位的 运动、聚集而逐渐长大，萌生裂纹。另一方面如有杂质沿晶界聚集时，可作为 2 1 西华大学硕士学位论文 空洞发源地嗣，另外，偏析也会引发空洞的形成。 2 4 本章小节 本章节主要从微观角度来探讨蠕变损伤机理。蠕变形成主要是因为晶界滑 动在三晶粒交汇处形成空洞核心或在晶界台阶处形成空洞核心，这些空洞核心 在应力和空位流的同时作用下长大并在同一晶界上彼此交汇，造成晶界上损伤 面积增大，当同一或相邻晶界上的空洞彼此交汇连接时，形成微观裂纹，最终 微观裂纹扩展为宏观裂纹，当裂纹尺寸超越裂纹临界尺寸时产生蠕变断裂。 西华大学硕士学位论文 第三章细观损伤力学蠕变模型的数值模拟与分析 在原有的实验基础上，运用金相断口分析方法，得到不同试验条件下的蠕 变空洞平均直径大小，并计算其误差范围，绘制空洞平均测量尺寸分布图，预 测蠕变损伤程度。对空洞直径与温度d r 及空洞直径与应力d 一仃的几组数 据进行回归分析，得出它们之间的函数关系。利用m a t l a b 语言编制程序， 拟合焊接接头熔合区处的蠕变数据，并进行比较，预测空洞随工作温度、载荷 变化的关系。 3 1 实验方法概述 3 1 1 实验材料的选用 实验所采用的材料为1 8 - 8 型奥氏体不锈钢( 牌号0 c r l 8 n i 9 ) ，此类型材料 的优越性表现在：在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和耐热性能。奥氏 体不锈钢中镍的存在，可大大提高抗氧化能力；奥氏体的再结晶温度高，铁和 其他元素的原子在其中的扩散系数小，使得材料的强化稳定性较好；向奥氏体 钢中加入促进第二相形成的元素( 如c 、n b 、v 等) ，可提高其热强性。另外， 加入一些能促进奥氏体组织稳定的合金元素( 如m n 、n 、c u 等) ，对提高热强 性也是有利的1 4 1 ，此时奥氏体钢可作为工作温度高于6 5 0 0 c 的热强钢使用。 无论是不锈钢板还是耐热钢板，奥氏体型钢板的综合性能最好，既有足够的强 度，又有极好的塑性，同时硬度也不高。奥氏体型不锈钢同其他金属材料相似， 其抗拉强度、屈服强度和硬度随温度的降低而提高；塑性则随着温度的降低而 减小。其抗拉强度在温度1 5 8 0 0 c 范围内增大较快，温度进一步降低则变化 缓慢，而屈服强度的增长是较为均匀的。更重要的是，随着温度的降低，其冲 击韧性减少缓慢，不存在脆性温度转交。所以1 8 8 型不锈钢在低温是能保持足 够的塑性和韧性。为了防止1 8 - 8 型不锈钢焊缝产生热裂纹，往往向焊缝金属中 添加一些铁素体形成元素，但铁素体的形成会降低其低温冲击韧度。因此，在 焊接这种低温材料时，需要引起足够的重视湖。 3 1 2 蠕变实验 1 蠕变试样制备 西华大学硕士学位论文 实验研究的是同种金属焊接接头中的蠕变失效行为。选取o c r l 8 n i 9 不锈 钢板，采用埋弧焊自动焊方法，焊丝为h 0 0 c r l 9 n i l 7 m 0 2 ，焊剂为h j 2 6 0 ，在 适合的焊接工艺参数下得到焊态下无缺陷的焊接接头试件。试板焊接完成后， 对焊缝进行了1 0 0 的x 射线探伤，焊缝检验符合要求。 蠕变实验试样采用圆形，形状和尺寸如图3 - 1 所示。试样在加工过程中， 应防止冷作硬化或过热现象的发生，以确保其性能不受影响。 溯置延伸率矗争括点( 1 9 r ) v s 3 s 舅j f i g 3 1n o r m a l c i r c u l a x s a m p l e 图3 - l 标准圆形试样 x 1 7 2 蠕变试验参数 依据不锈钢持久强度的试验结果( 图3 2 ) 和奥氏体型不锈钢高温抗拉强 度图( 图3 - 3 ) 来确定试验温度和载荷的大小。每个试样在试验过程中所加载 的载荷应低于该试样在相应试验温度下的抗拉强度，另外还要考虑到焊缝强度 的衰减，以保证试样在所施加的试验条件下不被拉断。 西华大学硕士学位论文 ： “湖枷瑚”篇 咖1 ” f i 舀3 - 2 r e s u l t s o f s t a i n l e s s - s t e e l p e r s i s t e n t s n g t h t e s t 图3 - 2 不锈钢持久强度的试验结果【婀 暑 窀 蛇 口、 f f 培3 - 3t e n s i l e 蚰g t h c u i v e so f a u s t e n i t i cs t a i n l e s s - s t e e la th i g h 忙m p e r a t u r c s 图3 - 3 奥氏体型不锈钢高温抗力强度图【4 l 利用图3 - 2 和图3 3 ，找到1 8 - 8 系列奥氏体不锈钢的对应曲线，结合试验 西华大学硕士学位论文 设备的精度和试验条件范围，并考虑到焊缝金属强度的衰减1 4 1 ，确定出试验温 度值和应力值。 3 蠕变试验与c r y o - c r a c k i n g 方法 试验采用c i , - 0 3 型持久强度试验机，按照试验参数进行蠕变试验。试验完 成后，利用c r y o - c r a e k i n g 试验技术对焊接接头试样进行蠕变失效分析。 c r y o - c r a c k i n g 是一种低温破断断口分析方法，即在已制各好的试样上预制导向 切1 2 1 位置后，将其置于液态氮中冷却，冷却温度不得高于- 2 0 cm ，冷却时间 因试样尺寸和材料种类的不同而异。试样冷却后，将其打断制备成分析试样， 并将脆断后的断口置于扫描电子显微镜下分析，以研究探讨各种因素对蠕变行 为的影响。它包括试样制备和试样断口分析两方面。 在焊接接头靠近熔合区外侧的焊接热影响区、焊缝金属上截取试样，如图 3 _ 4 所示。试样截面为矩形，边长尺寸通常为5 1 2 m m ，长度一般为4 0 8 0 m m 。 将截取好的试样用湿磨法( 以流水作为润滑剂) 磨光后轻度腐蚀至焊接接头各 组成区域轮廓可辨，根据研究需要在焊接接头按图3 - 5 预制导向切口位置。将 有导向切口的试样置于