（动力机械及工程专业论文）超超临界汽轮机高中压转子用钢裂纹扩展行为研究.pdf

摘要 摘要 在高温工程部件中存在着缺陷和瑕疵，在长期服役情况下，这些缺陷可能萌生 裂纹并逐渐扩展。为了提高部件的可靠性和对其运行寿命进行较为精确的预测，有 必要对其材料的高温裂纹扩展行为进行研究。转子工作在高温应力条件下，其裂纹 扩展行为受蠕变条件影响，同时由于电站更为弹性的服役模式导致更频繁的启停事 件和更多的载荷变化情况，蠕变一疲劳也越来越影响裂纹扩展行为。因此有必要对这 两种条件下的裂纹扩展行为进行研究。 本文对超( 超) 临界汽轮机高中压转子用钢1 c r l0 m o l w ln i 妯n 的裂纹扩展 行为进行了研究。采取紧凑拉伸( c t ) 试样，开展了6 0 0 下的蠕变裂纹开裂扩展试验 和蠕变一疲劳裂纹开裂扩展试验。采用直流电位法( d c ) 澳i j 定了不同条件下的蠕变裂纹 扩展速率，分析了不同应力条件对裂纹萌生时间和扩展速率的影响，拟合得到了不 同条件下得裂纹扩展速率公式。通过金相显微镜( o m ) 和扫描显微镜( s e m ) 观察了不 同试验条件的裂纹形貌，分析了蠕变( 蠕变一疲劳) 裂纹开裂扩展方式。 研究结果表明：初始应力越高，蠕变裂纹萌生时间越短，裂纹扩展初始速率越 高，裂纹扩展到相同长度所需的时间也越短；应力强度因子较好地描述了不同条件 下本试验材料的蠕变裂纹扩展速率；应力强度因子较低的条件下，裂纹附近有比较 明显的蠕变孔洞，裂纹主要以沿晶方式扩展；应力强度因子较高情况下，裂纹以穿 晶沿晶结合的方式扩展。 蠕变一疲劳条件下，裂纹以沿晶穿晶混合方式扩展。保持时间较短的情况下，蠕 变一疲劳裂纹萌生所需时间也较短；随着保持时间增长，蠕变一疲劳裂纹萌生扩展所 需时间变长，沿晶扩展比例逐渐增加。 关键词：转子钢紧凑拉伸( c t ) 试样蠕变蠕变一疲劳断裂力学 裂纹扩展 a b s t r a c t 一一一 a b s t r a c t d i 伍玳n tk i n d so fd e f e c t se x i s ti nh i 【g ht e m p e r a t u r ee n g i n e e r i n gc o m p o n e n t s ，s u c h 鲢 f l a w sa 1 1 di n d u s i o l l s ，w h i c hm a yi n d u c e c r a c ki n i t i a t i o na n dc r a c kp r o p a g a t i o na t l o n g t 咖 s e r v i c ec o n d i t i o n s f o ri m p r o v i n gr e l i a b i l i t y o ft h e s ec o m p o n 饥t sa n d d e v e l o p i n gm o r ea c c u r a t el i f ep r e d i c t i o n ，i t i si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n di n i t i a t i o n 锄1 d 肿、砒b e h a v i o ro fc r a c k sa th i g ht e m p e r a t u r e s s t e a mt u r b i n er o t o r w o r k sa th i g i l t e r n p e r a 咖c r e e pc o n d i t i o n , s oi t sn e c e s s a r yt or e s e a r c hc r e e pc r a c kg r o w t hb e h a o r a d d i t i o n a l l y , s i n c eam o r e f l e x i b l es e r v i c em o d eo fp o w e rp l a n t sc a u s e ss t a r tu pa n ds h m d o w ne ，e n t sa sw e l la sv a r i a b l el o a d i n gc o n d i t i o n s ，c r a c kb e h a v i o ra t c r e e p 。f a t i g u e i n t e r a c l t i o nc o n d i t i o nm u s t b ec o n s i d e r e df o rl i f ea s s e s s m e n to f t h e s ec o m p o n e n t s t h ec i a i c kg r o w t hb e h a v i o r so fu l t r as u p e r c r i t i c a l ( u s e ) s t e a mt u r b i n er o t o rs t e e l 1 c r l 0 m o l w l n i v n b nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e du n d e rc r e e pa n dc r e e pf a t i g u e c o n d i t i o n sa t 6 0 0 c t h et e s t sw e r cc 秭e do u tb ym e a n so fc o m p a c tt e n s i o n ( c a 3s p e c i m e n sa n d t h e c r a c kl 锄g n lw a sm e a s u r e db yd c e l e c t r i c a lp o t e n t i a lt e c h n i q u e c r e e p ( c r e e p 。f a t i g u e ) c r 卸c kg r o w t l lr a t ew a se v a l u a t e db ys t r e s si n t e n s i t yf a c t o r k t h ee f f e c t so fd i f f e r e n ti n i t i a l s t r e s s e s 锄dd i f f 旨e n th o l dt i m e sa tm a x i m u m l o a do nc r a c ki n i t i a t i o na n dg r o w t hb e h a v l o r h a v eb e e na l s 0s t l l d i e d i no r d e rt os t u d yt h ec r e e pc r a c kg r o w t hm o d e so fd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，t l l e 丘a c t o 黟a p h yo ft e s t e ds p e c i m e n sw e r eo b s e r v e db ym e a n so fo m a n d s e m a st l l el o a di n c r e a s e s ，t h ec r a c ki n i t i a t i o nt i m eb e c o m e ss h o r t e r , a n dt h ei n i t i a lc r e e p c r a c kg r o w t hr a t eb e c o m e sh i g h e r , t h et i m en e e d e df o rc r a c kt og r o wt ot h es a m el e n g t h b e c o m e ss h o n e rt o o t h ec r a c kg r o w t hr a t ei sw e l lc o r r e l a t e db yt h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ka n dc r e 印f r a c t u r em e c h a n i s m sd e p e n d i n go nt h es t r e s sc o n d i t i o n - c r e e pv o i d sw e r e f o u n da t1 0 ws t r e s sc o n d i t i o n ，a n di n t e r g r a n u l a rf r a c t u r e sw e r ef o u n d a st h em a i nc r a c k g r o 讹m o d e a th i g hs t r e s sc o n d i t i o n ，t h ec r e e pc r a c kg r o w t hm a i n l yc h a r a c t e r i z e sw l t h t r a n s g r a n u l a rm o d e b e c a u s eo ff a t i g u ei n f l u e n c e ，t h ei n i t i a t i o nt i m eo fc r e e p - f a t i g u ec r a c kb e c o m e s s h o r t e ra sas h o n e rh o l dt i m e t r a n s g r a n u l a ra n di n t e r g r a n u l a rf r a c t u r em o d e sw e r eb o t h o b s e r v e da tc r e 印f a t i g u ec o n d i t i o n a st h eh o l dt i m ei n c r e a s e s ，t h et i m en e e d e d f o rc r a c k t o 肿w t l lt ot h es a m el e n g t hb e c o m e sl o n g e r a d d i t i o n a l l yc r e e pd a m a g e f e a t u r e ss u c h 觞 c r e 印v o i d sw e r ef o u n da n d t h ep r o p o r t i o no fi n t e r g r a n u l a rf e a t u r ew a si n c r e a s e d a b s t r a c t k e yw o r d s ： r o t o rs t e e l c o m p a c tt e n s i o n ( c t ) s p e c i m e n sc r e e p c r e e p f a t i g u e f r a c t u r ec r a c kg r o w t h 主要符号说明 主要符号说明 裂纹长度 原始裂纹长度 最终裂纹长度 裂纹扩展增量 试验持续时间 裂纹开裂时间 保持时间 试样厚度 试样宽度 加载载荷 应力比 裂纹扩展速率 裂纹扩展速率 初始应力强度因子 应力强度因子 净截面应力 蠕变特征参数 蠕变特征参数 加载线张开位移 加载线张开位移速率 蠕变引起的加载线张开位移速率 加载频率 杨氏模量 蠕变应力指数 蠕变断裂韧性 i v n l m n 】m m m m m h h z g p a l n n 蛳 h h s 一 一 n 。 一 一 咖 一 m m o a 如却缸。b“b w p r m 舭k 战 靠v 。y e n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得本院或其它教育机构 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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解我院有关保留、使用学位论文的规定，即：我院有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；可以公布论文的全部或部分内容， 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后应遵守此规定。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 签名：互歪缓新签名： 群粜斡 日期： 第一章概述 第一章概述 1 1工程背景 在断裂力学诞生以前，各种构件都是按照传统的强度理论进行设计的。但是， 传统的强度理论并不总是能确保构件安全使用，随着高强度、超高强度及焊接材料 的广泛使用，以及构件、设备的日趋大型化，在低于设计应力条件下的脆断事故已 屡屡发生【l 】。人们已经观察到大量的断裂现象以及由断裂所造成的事故，尤其是船只、 飞机、导弹、动力设备及各种高压容器的断裂事故。这种低应力脆断事故充分暴露 了传统强度理论的局限性。上述的这一局限性是由于传统强度理论把材料看作是均 匀、连续的理想固体，而忽略了材料内部不可避免的存在初始缺陷的事实。分析表 明，这些断裂事故大多与构件中存在缺陷有关。这些缺陷可以是材料中原来存在的， 也可以是在加工制造( 如焊接、热处理、冷加工、锻造及装配) 过程中产生的。构 件材料内部的微观缺陷如夹杂、晶界、相界等，会在外力和环境作用下发展成宏观 裂纹。 为了弥补常规强度理论的不足，从1 9 世纪2 0 年代开始，科学工作者作了大量 的深入研究，逐步形成了一个研究含裂纹体的裂纹扩展规律的新力学分支断裂 力学。断裂力学研究含裂纹缺陷固体的强度、材料和结构的裂纹扩展规律，其在对 含裂纹构件的剩余强度计算、裂纹扩展速率以及使用寿命分析等方面已经发挥了显 著的作用。断裂力学改变了人们关于固体强度的观念，改进了构件设计的理论与方 法，改善了结构寿命的评价方法。 转子作为发电设备的核心部件，其运行过程中的安全性不言而喻。半个世纪以 来发电效率和一次能源利用率在不断提高，火力发电机组参数也在不断提高，目前 已成为火力发电发展主流的超超临界机组的蒸汽温度已高达6 0 0 。c 。转子在服役过程 中除受高温离心力的作用外，还受温度变化引起的热应力、自身重力产生的交变应 力、以及蒸汽对转子产生的压应力等作用，这些应力都可能产生疲劳现象，因此在 评估转子的寿命时除了要考虑蠕变的作用外，还要考虑疲劳的作用。并且，蠕变和 疲劳不是独立作用的，而是两者交互作用的。1 9 7 4 年美国某大型火电站的c r m o v 钢转子在5 6 5 下运行时发生断裂事故，经研究证实此次转子失效的主要原因即为蠕 变疲劳交互作用导致的长期累计损伤造成的。 大型汽轮机转子作为整锻或焊接件，在制造加工过程中难免会出现缺陷或裂纹。 处于高温、高压环境下长期进行启动及变负荷运行的转子在交变热应力以及离心力 的作用下也会产生蠕变疲劳损伤并萌生裂纹。但是从断裂力学的观点来看，转子中 萌生裂纹并不意味着转子使用寿命的终止，只有当裂纹扩展到临界尺寸时，转子寿 第一章概述 命才结束。其原因在于转子内的初始裂纹需要经过相当长段时间的亚临界扩展才 会达到临界尺寸。已有研究表明，蠕变、疲劳以及蠕变一疲劳交互作用会加速裂纹的 萌生和扩展。必须考虑蠕变损伤、疲劳损伤以及蠕变一疲劳交互损伤作用下裂纹扩展 行为对转子寿命的影响。 因此，研究转子钢在蠕变以及蠕变一疲劳交互作用下的裂纹扩展行为，总结规律， 对于保证转子的安全运行具有重要意义。 1 2 高中压转子用钢 随着半个世纪以来电力需求、发电效率和一次能源利用率的不断提高，以及人 们对温室效应和环境影响的重视，火电机组的参数得到了大幅提高。发电设备从最 初的小容量中压机组，逐步发展到中等容量的高压机组和超高压机组、大容量的亚 临界机组、超( 超) 临界机组和多种联合循环机组。伴随着机组蒸汽参数的不断提 高，对机组材料性能的要求也不断提高。 为了满足不断提高的火电机组参数，各电力技术发达国家对高温材料进行了大 量的研究。转子作为火电机组的主要锻件之一，其材料的发展显得尤为重要。日本、 欧洲、美国等国家的不同研究机构都对转子材料的研究和开发做了大量的工作。 1 2 1 转子材料的研究进展 工作温度为5 3 8 。c 和5 6 6 。c 的亚临界机组的高压转子、中压转子和高中压一体化 转子多采用低合金c r m o v 钢。我国的亚临界3 0 0 m w 、6 0 0 m w 以及5 6 0 级别的超 临界汽轮机高中压转子多采用这种钢。 低合金c r m o v 钢，通常应用于5 6 6 以下的高中压转子，不能满足进一步提高 蒸汽参数转子对材料高温性能的要求。为了开发出适用于超超临界参数的转子材料， 人们不断致力于研究1 2 c r 类钢转子，进行了改良钢种和新钢种的研发。 2 0 世纪5 0 年代日本开始研发用于5 6 6 * ( 2 以上的耐热钢，于上世纪7 0 年代在美 国1 2 c r m o v n b 系的g e 转子钢的基础上，开发了以1 2 c r m o v n b 的t m k l 和 1 2 c r m o 妯w n 系的t m k 2 为代表的汽轮机高中压转子钢，并成功应用于5 9 3 ( 2 的 超超临界机组。此外还开发了可用于6 3 0 c 的1 2 c r m o v n b w 系的t r l 2 0 0 和 1 2 c r m o 妯w c o b 系的h r l 2 0 0 和t o s l l 0 新型钢种。欧洲同期的c o s t5 0 1 项目也 开发了类似性能水平的9 1 2 c r 转子钢。这些新开发出来的1 2 c r 转子钢都具有良好 的高温长时性能。 最近美国电力研究院( e p r i ) 和美国能源部( d o e ) 提出提高蒸汽温度到7 6 0 的计划。欧洲提出的“a d 7 0 0 。c 计划开发了可用于7 0 0 。c 的奥氏体钢和高温合金材 料，已取得了很大的进展。 第一章概述 目前，种种迹象表明想要进一步提高蒸汽温度，只能通过使用镍基合金来实现。 其中s p e c i a lm e t a l s 公司最近开发出的i n c o n e l7 4 0 合金可以在7 8 0 的高温下工作， 并且具有良好的锻造性能。镍基合金被国外认为是未来高参数汽轮机转子材料的良 好选择。 1 2 2 转子钢的失效方式 亚临界机组高中压缸的蒸汽进汽温度在5 4 0 左右，超( 超) 临界机组高中压缸 的蒸汽进气温度在5 6 5 以上。通常来说，当部件的工作温度超过材料的熔点温度( 绝 对温度) 3 0 以上时，就必须考虑蠕变的影响。显然超( 超) 临界机组高中压转子的 工作温度远远超过转子材料的蠕变产生温度。转子在离心应力作用下，会缓慢地发 生塑性变形，严重情况下转子可能过度变形从而与汽缸发生摩擦；此外蠕变可能加 速转子上的裂纹形成和增长，降低转子的寿命，严重的蠕变损伤将导致转子的断裂。 因此蠕变损失是高中压转子损伤阿一种重要方式。 从汽轮机转子运行过程中的受力来看，主要有启动一运行一停机过程中温度变 化引起的热应力、负荷变动过程中产生的附加热应力、转子旋转造成的离心力、蒸 汽压力对转子产生的压应力，传递扭矩引起的剪应力以及转子自重引起的交变拉压 应力等【2 1 。这些应力会随着运行工况的变化而发生大小和方向的变化。其中，启停和 过程中产生的热应力变化是造成汽轮机转子疲劳损伤的重要因素。解析法和有限元 法的计算结果表明【3 】，如果在启动和停机过程中温度变化率控制不当，转子表面的应 力集中部位和中心孑l 的应力甚至超过转子材料的屈服极限，发生低周疲劳。因此， 低周疲劳损伤是转子失效的另一种重要形式。 在汽轮机运行中，蠕变与疲劳造成的损伤并不是独立的，而是存在交互作用。 这种交互作用随着机组的运行方式从基本负荷运行方式向调峰负荷运行方式的转变 而变得日益突出1 4 j 。 在汽轮机的启动、停机和变负荷运行过程中，蠕变一疲劳交互作用也可能加速裂 纹形成和促进裂纹的增长，使转子的寿命降低【5 j 。 1 3蠕变、高温疲劳及蠕变疲劳交互作用的损伤机理 1 3 1 蠕变 1 3 1 1 蠕变变形机理 蠕变是材料在高温下发生的与时间相关的一种损伤现象，与应力水平和温度密 切相关。蠕变一般可分为三个阶段：蠕变初始阶段、蠕变稳定阶段、蠕变加速阶段。 这三个阶段可以用蠕变曲线来表示，不同的金属在不同的条件下得到的蠕变曲线是 第一章概述 不同的。同一种金属蠕变曲线也随应力和温度的不同而不同。但蠕变的变形过程都 包含这三个阶段，不过各个阶段持续的时间有长有短。对于同一种金属而言，温度 越高，应力越大，蠕变速度也就越快。 般认为，蠕变变形主要有三种机理【6 】：位错滑移、原子扩散和晶界滑动。位错 滑移理论认为，蠕变是在载荷作用下发生塞积的位错由于高温热激活，得以克服障 碍继续运动产生的塑性变形。原子扩散理论认为，高温热激活的原子和空位在外力 作用下发生的从高势能向低势能定向扩散导致蠕变变形。而晶界滑动理论认为，蠕 变是由于高温下晶界在外力作用下发生相对滑动引起的塑性变形。 ( 1 ) 位错滑移蠕变机理 材料的塑性变形主要是由于位错的滑移引起的，在一定的载荷作用下，滑移面 上的位错运动到一定程度后，位错运动受阻发生塞积，就不能继续滑移，也就是只 能产生一定的塑性变形。在常温下，如果继续产生塑性变形，则必须提高载荷，增 大位错滑移的切应力，才能使位错重新增殖和运动。但是，在高温下，由于温度的 升高，给原子和空位提供了热激活的可能，使得位错可以克服某些障碍得以运动， 继续产生塑性变形。 位错的热激活方式有：刃型位错的攀移、螺型位错的交滑移、位错环的分解、 割阶位错的非保守运动、亚晶界的位错攀移等。 ：，_ 一 l l 犁定位错 b 弥散质点 ( a ) 图1 1 韧性位错克服障碍的几种模型 ( a ) 逾越障碍的新的滑移面上运动；( b ) 与临近滑移面上的异号位错反应；( c ) 形成小角 晶界；( d ) 消失于人晶界 图1 1 为韧性位错克服障碍的几种模型，由图可见由于原子或空位的热激活运 动，使得刃型位错得以攀移，攀移后的位错或者在逾越障碍( 弥散质点) 新的滑移 面上得以滑移，或者与异号位错反应得以消失，或者形成亚晶界，或者被大角晶界 4 r 上厂h t 上 t 上 第一章概述 所吸收。这样被塞积的位错数量减少，对位错源的反作用力减少，位错源就可以重 新开动，位错得以增殖和运动，产生蠕变变形。 在蠕变第1 阶段，由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，使位错源开动的阻力和位 错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率逐渐降低，因此形成了减速蠕变阶段。 在蠕变的第1 i 阶段，由于形变硬化的不断发展，促进了动态回复的发生，使材 料不断软化，当形变硬化和回复软化达到动态平衡时，蠕变速率恒为一常数，因此 形成了恒速蠕变阶段。 ( 2 ) 扩散蠕变机理 在较高温度下，原子和空位可以发生热激活扩散，在不受外力的情况下，他们 的扩散是随机的，在宏观上没有表现。但是在外力作用下，晶体内部产生不均匀的 应力场，原子和空位在不同的位置具有不同的势能，它们会由高势能位向低势能位 进行定向扩散，如图1 2 所示，在拉应力的作用下，晶体a b c d 晶界上的空位势能发 生变化，垂直于拉应力轴的晶界( 图中a 、b 晶界) 处于高势能状态，平行于拉应力 轴的晶界( 图中c 、d 晶界) 处于低势能状态。因此，导致空位由势能高的a 、b 晶 界向势能低的c 、d 晶界扩散。空位的扩散引起原子向相反的方向扩散，从而引起晶 粒沿拉伸轴方向伸长，垂直于拉伸轴方向收缩，致使晶体产生蠕变。 一空位扩散方向 一呻原子扩散方向 图1 2 扩散蠕变机理示意图 根据扩散路径不同，扩散蠕变机理有两种，即n a b a r r o h e r r i n g 提出的体扩散机 理和c o b l e 提出的晶界扩散机理。 ( 3 ) 晶界滑动蠕变机理 晶界在外力的作用下，会发生相对滑动变形，在常温下，可以忽略不计，但在 第一章概述 高温时，晶界的相对滑动可以引起明显的塑性变形，产生蠕变。 对于金属材料和陶瓷材料，晶界的滑动般是由晶粒的纯弹性畸变和空位的定 向扩散引起的。在外力作用下，晶粒发生弹性位移而产生蠕变，但这一贡献不大。 主要的还是空位的定向扩散。 在温度较低时，位错滑移是蠕变变形的主要形式；随着温度的升高和施加应力 的降低，晶界滑动和原子扩散变得越来越重要。 1 3 1 2 蠕变断裂机理 蠕变断裂有两种情况：一种情况是对于那些不含裂纹的高温机件，在高温长期 服役过程中，由于蠕变裂纹相对均匀地在机件内萌生和扩展，显微结构变化引起蠕 变抗力的降低以及环境损伤导致的断裂；另一种情况是高温工程机件中，原来就存 在微小裂纹或类似裂纹的缺陷，其断裂是由于裂纹的扩展引起的，这方面的研究开 始于6 0 年代后期，属于高温断裂力学的范畴。下面主要探讨的是蠕变裂纹的萌生、 扩展和断裂。 在蠕变温度范围内，随着温度的提高，金属晶体的晶内和晶界强度都随之降低， 而晶界强度降低得更快。晶内强度和晶界强度相等时的温度称为“等强温度 。当温 度高于“等强温度”时，晶内强度高于晶界强度，蠕变断裂以晶问断裂形式为主， 在高温低应力下更是如此。 拉应力 图1 3 楔形空洞形成示意图 中区 晶间断裂有两种模型：一种是晶界滑动和应力集中模型，另一种是空位聚集模 型【6 8 】。第一种模型认为在蠕变温度下，持续的恒载将导致位于最大切应力方向的晶 界滑动，这种滑动在三晶粒交界处形成应力集中，如果这种应力集中不能被滑动晶 界前方晶粒的塑性变形或晶界的迁移所松弛，那么当应力集中达到晶界的结合强度 时，在三晶粒交界处就会发生开裂，形成楔形空洞，如图1 3 所示。此外，晶界滑动 和晶内滑移可能在晶界形成交截，使晶界曲折，曲折的晶界和晶界夹杂物阻碍了晶 界的滑动，引起应力集中，从而导致空洞形成，如图1 4 所示。 6 第一章概述 交截| i f 二界滑动 l 一二：二一 - p l _ l i _ _ - - 争l 滑移带r 空洞 图1 4 晶界曲折和夹杂物处空洞形成示意图 空洞聚集模型认为，在垂直于拉应力的那些晶界上，当应力水平超过某一临界 值时，可能会通过空位聚集的方式萌生空洞，如图1 5 所示。空洞核心一旦形成，在 应力的继续作用下，空位由晶内和晶界继续向空洞处扩散，使空洞长大并互相连接 形成裂纹。裂纹形成后，随时间的延长，裂纹不断扩展，达到临界值后，材料发生 蠕变断裂。 图1 5 空位聚集形成空洞示意图 蠕变条件下的断裂方式取决于材料的特性、应力水平、环境以及载荷加载速率。 在高应力高应变速率下，温度低时，金属材料通常发生滑移引起的解理断裂或 晶间断裂，这属于一种脆性断裂方式，其断裂应变小，即使在较高温度下，多晶体 在发生整体屈服后再断裂，断裂应变一般也不会超过1 0 。温度高于韧脆转变温度， 断裂方式从脆性解理和晶间断裂转变为韧性穿晶断裂。它是通过在第二相界面上空 洞生成、长大和连接的方式发生的，断口的典型特征是韧窝。应力高时，这种由空 洞长大的断裂方式瞬时发生，不属于蠕变断裂；应力较低、温度相对较高时，空洞 由于缓慢蠕变而长大，最终导致断裂，这种断裂伴随有较大的断裂应变。 在较低应力和较高温度下，通过在晶界空位聚集形成空洞和空洞长大的方式发 7 第一章概述 生晶界蠕变断裂，这种断裂是由扩散控制的，低温下由空位扩散导致的这种断裂过 程十分缓慢，实际上观察不到断裂的发生。 高温高应力作用下，在强烈变形部位将迅速发生回复再结晶，晶界能够通过扩 散发生迁移，即使在晶界上形成空洞，空洞也难以继续长大，因为空洞的长大主要 是依靠空位沿晶界不断向空洞处扩散的方式进行的，而晶界的迁移能够终止空位沿 晶界的扩散，结果蠕变断裂以类似于“颈缩”的方式进行，即试样被拉断。 金属材料蠕变断裂断口的宏观特征为：一是在断口附近发生塑性变形，在变形 区域有很多裂纹；另一个特征是由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜覆盖， 微观特征主要是冰糖状花样的沿晶断裂。 1 3 2 高温疲劳 疲劳是材料在低于其静强度极限的变动应力作用下工作部件的一种失效形式。 疲劳条件下，材料某些局部或大范围区域首先进入屈服状态，在局部地区出现塑性 变形，萌生多种位错、滑移、孔洞等内部缺陷，形成一定的应力集中，这种局部反 复的塑性变形积累到一定程度会导致微裂纹的产生、长大、合并，形成一条或几条 主裂纹，主裂纹逐渐扩展并最终断裂。疲劳一般是一种由表及里的断裂过程，呈穿 晶断裂。 高温疲劳寿命不仅同所加的载荷有关，而且与时间有关的参数如频率、加载波 形和应变速率对疲劳寿命的影响很大。因此，高温疲劳称为与时间有关的疲判引，需 要考虑蠕变和疲劳的交互作用的影响。 高温疲劳裂纹的形核机理一般可以分为以下几类【9 l ：( 1 ) 循环滑移引入开裂；( 2 ) 形成晶界空穴；( 3 ) 晶界滑动及伴随形成楔形裂纹；( 4 ) 孔洞在夹杂物和沉淀相部 位形核和长大；( 5 ) 氧化和腐蚀。疲劳裂纹的萌生主要有以下三种形式：夹杂物和 基体界面开裂、滑移带开裂、晶界开裂。对于高强度金属材料，疲劳裂纹源一般在 应力集中处，而与滑移变形关系不大。在温度较高时，疲劳裂纹萌生方式以沿晶为 主，而在温度较低时，裂纹的萌生方式以穿晶为主。 疲劳裂纹的扩展可分为两个阶段【3 】，即发生在微观裂纹形成之后，与主应力轴成 4 5 度方向的切变型初始裂纹扩展阶段和沿垂直于拉伸轴方向扩展的正应变型裂纹扩 展阶段。关于高温疲劳裂纹的扩展机理存在两种观点，即裂纹尖端在循环载荷下的 滑移分离和循环载荷在裂纹尖端微区内累计损伤。 1 3 3 蠕变一疲劳交互作用 从损伤机理来看，蠕变和疲劳具有不同的损伤机理：蠕变是由材料内部的各部 分变形及全部损伤引起的；疲劳是材料的局部损伤过程，这种损伤集中于表面。但 研究表明，蠕变和疲劳损伤存在交互作用。 8 第一章概述 文献【6 】根据造成的损伤的原因的不同，将蠕变和疲劳交互作用大致分为两类： 一类为瞬时交互作用，另一类为顺序交互作用。在瞬时交互作用中，一般认为拉伸 保持时间内晶界孔洞成核多，且孔洞生长快，造成的危害大。不过保持时间的增加 存在一个饱和效应，当超过一个保时临界值时，进一步增加保时产生的效果趋向于 恒定。在顺序交互作用中，通常认为疲劳硬化造成的损伤影响着以后的蠕变行为， 增大随后的蠕变速率。 文献【1 0 】认为，蠕变一疲劳的交互作用对材料的影响取决于其疲劳屈服极限，在 疲劳极限较低时，裂纹尖端处由交变载荷产生的瞬态塑性区的尺寸大于蠕变区的尺 寸，瞬态塑性区的出现会缓和裂纹尖端的应力场，减慢蠕变速度，即交变载荷对蠕 变的发展起了推迟和阻碍作用。 文献 i l l 在有关镍基合金的蠕变一疲劳寿命评估方法中指出，疲劳一蠕变交互作 用下的复合损伤与材料的蠕变延性有关。由循环造成的损伤主要集中在晶界，当蠕 变延性较低时，蠕变损伤将与疲劳损伤叠加，使得晶界弱化，从而出现沿晶断裂特 征。 延性理论认为n 2 l ，材料在循环载荷作用下，非弹性应变中包括塑性应变和蠕变 部分，如果塑性延性先于蠕变延性消耗完，损伤主要在晶内，形成穿晶断裂。如果 蠕变延性先于塑性延性消耗完，损伤主要在晶界并形成沿晶断裂。 图1 6 蠕变一疲劳断裂机制示意图 t l l l l c 从疲劳蠕变交互作用的破坏模式来看，一般认为，高温疲劳蠕变交互作用可以 分为三类1 3 1 ：疲劳控制区；疲劳一蠕变混合区；蠕变控制区。需要考虑交互作用的为 9 p 口 第一章概述 疲劳一蠕变混合区。在应力控制方式下，随着温度的升高和保持时问的延长，蠕变损 伤程度加大，破坏模式由疲劳控制区向蠕变控制区发生变化，裂纹扩展模式从穿晶 模式向沿晶模式变化。文献【4 1 】给出了的疲劳一蠕变交互作用示意图( 图1 6 ) ，其中 指出了蠕变、疲劳以及交互作用的区域。 文献【1 4 1 有关镍基合金低周疲劳及疲劳一蠕变交互作用的研究中，认为疲劳一蠕 变交互作用下疲劳裂纹的形成具有以下特点：( 1 ) 各种缺陷既可以直接成为疲劳源 而扩展，亦可在蠕变一疲劳交互作用下先形成孔洞再成为疲劳源，因此疲劳蠕变交互 作用加剧了各种缺陷的危害性，加速裂纹萌生和扩展；( 2 ) 疲劳蠕变下，表面裂纹 源的形成几率下降，而内部和亚表面缺陷形成裂纹几率上升。疲劳一蠕变交互作用 中的蠕变成核则与循环造成的塑性应变分量的大小和拉伸方向保时时间的长短有 关，塑性应变分量越大、拉伸保持时间的延长，蠕变孔洞越容易形成，蠕变造成的 疲劳一蠕变交互作用的损伤越大。 文献【1 5 】【1 6 】认为疲劳一蠕变交互作用下裂纹的萌生和扩展存在两种模型，一种 是基于循环分量和蠕变分量的裂纹扩展速率叠加的线性累加机制，另种为基于循 环分量和蠕变分量最大速率值的裂纹扩展的竞争机制。文献【9 】认为，裂纹扩展机制 与由材料、应力水平和温度确定的从小范围蠕变到大范围蠕变转变的时间有关。当 疲劳循环时间远大于上述转变时间时，疲劳裂纹的扩展受蠕变机制控制。当疲劳循 环时间远小于上述转变时间时，疲劳裂纹的扩展受疲劳机制控制。两者裂纹的增长 符合裂纹扩展的竞争机制。处于两者之间时，裂纹扩展比较符合线性累加机制。 1 4裂纹扩展 1 4 1 裂纹扩展的研究意义 本文前面已经提到了断裂力学产生的工程背景，指出了传统的强度理论的局限 性。传统理论假定材料是均匀连续的理想固体，忽略了材料内部存在初始缺陷这一 事实。蠕变强度、疲劳强度等指标都是采用光滑试样试验得到的性能指标，实践表 明完全根据这些指标进行强度设计是不可靠的。 由于许多大型构件中都不可避免地存在裂纹缺陷，这些裂纹会在一定的应力或 介质条件作用下缓慢扩展至临界裂纹尺寸，从而发生脆性破坏导致灾难性事件。断 裂力学对含裂纹试样进行试验研究，了解各种材料在不同应力和环境条件下的裂纹 扩展行为，掌握其扩展规律，为工程构件的强度评估和寿命分析提供了理论和试验 支持。 根据引起构件断裂的原因可以把断裂进行分类，如在交变载荷作用下的疲劳断 裂：由应力和腐蚀介质的共同作用引起的应力腐蚀断裂及过载断裂、氢脆断裂、蠕 1 0 第一章概述 变断裂、混合断裂等。本文主要对疲劳裂纹扩展、蠕变裂纹扩展以及蠕变一疲劳裂纹 扩展的研究进展进行概述。 1 4 2 裂纹扩展的研究内容 断裂力学主要从以下三个方面研究裂纹扩展问题：断裂力学参量表征与计算、 裂纹扩展过程的描述以及相应的评判准则。本节对疲劳、蠕变等条件下的裂纹扩展 进行了研究。 1 4 2 1 断裂力学参量的表征与计算 ( 1 ) 疲劳裂纹扩展 1 9 世纪4 0 年代末【1 7 1 ，首次有人提出了疲劳裂纹扩展速率表达式。1 9 5 3 年， a k h e a d 提出了疲劳裂纹扩展理论，但是没有用实验论证。 1 9 5 7 年，g r i r w i n 在求解带穿透裂纹的空间大平板拉伸的应力问题中，把裂 纹尺寸的平方根与应力的乘积定义为应力强度因子，并指出可以用它来表示裂纹尖 端奇异性的大小。在这种所谓的线弹性断裂力学方法出现以后，人们曾多次尝试采 用应力强度因子来描述疲劳裂纹扩展。p a r i s ，g o m e s ，a n d e r s o n 首次指出，在恒幅 循环加载中，疲劳裂纹在每个应力循环过程中的扩展量d a d n 与应力强度因子a k 有 关。 1 9 6 3 年，p a d s 和e r d o g o n 提出了疲劳裂纹扩展速度的指数幂定律【1 8 , 1 9 ，即著名 的p a d s 公式： d a ：c k m 刎 ( 1 1 ) 式中，c 、m 是材料性能常数( 由标准试验实验确定) 。p a r i s 公式存在局限 性，它仅适用于中部区，即稳态裂纹扩展区。 1 9 6 7 年，f o r m a n 提出适用于中部稳态区和快速扩展区的疲劳裂纹扩展速率公式。 同时，另有一些学者9 ，2 0 2 1 1 把重点放在建立更符合裂纹扩展速率综合影响的经验公 式。然而，由于p a r i s 公式的简洁性，在工程实际中得到了广泛应用，宏观疲劳裂纹 扩展研究基本上以p a d s 公式为基础。 1 9 世纪7 0 年代，提出并测定了门槛应力强度因子幅度从曲。此后，提出了适 用于近门槛区、中部稳定区和快速扩展区的疲劳裂纹扩展速率表达式。同时还提出 了裂纹张开和闭合概念，并实验测定了吣，。 近三十年中，人们从微观细观揭示材料的疲劳、断裂损坏机理，力图了解材料 的物理化学本质，从而建立一个比较简单而准确可靠的寿命预测计算公式。不过在 理论上没有大的突破。 ( 2 ) 蠕变裂纹扩展 第一章概述 高温断裂力学研究是在2 0 世纪6 0 年代末才开始，它是由室温断裂力学延伸发 展起来的。世界各国科学家经过3 0 年研究，在高温断裂力学的领域中，已建立起裂 纹扩展速度d a d t 与力学参量( k i 、哪、f 和c 木等) 间关系的经验公式，在一定 范围内这些经验公式与实际结果有较好的一致性。 1 9 7 0 年，s i v e n l s 【2 2 】等人用铬钼钢制成中心裂纹拉伸试样在温度5 6 5 。c 下，测得 蠕变裂纹扩展速率与应力强度因子有以下关系： 塑：a a k aa k 口 = 。 d t ( 1 2 ) 其中口与a 是材料常数，可由实验数据整理后获得。其后，r 0 b s o n 【2 3 1 用软钢制 成紧凑拉伸和单边裂纹两种试样，在温度4 0 0 一5 0 0 下进行试验，测得相同结果。 1 9 7 5 年，n i c h o l s o n 【2 4 1 用a i s i3 1 6 型无应变钢制成单边裂纹和中心裂纹两种试样， 采用电位法测裂纹增长的长度，在7 4 0 下加恒定载荷做实验，分别以k 和仃嘣( 净 断面应力) 为参数，在双对数坐标上，描绘蠕变裂纹扩展速率曲线。发现如以k 为 参量，两种试样的曲线不重合；如以仃嘣为参量，两种试样的曲线重合，可归纳为 以下关系： 塑= a a o 峨口 d t “ ( 1 3 ) 1 9 7 7 年，n e a t e l 2 5 1 指出，蠕变裂纹扩展速率所采用的参数与材料的蠕变性质有关。 1 9 7 5 年，w e b s t e r t 2 6 】用合金钢制成的双悬臂梁试样( 这种试样的特点是可以保持应力 强度因子不变) ，在5 6 5 。c 下做试验。他提出了蠕变条件下j 积分速率i 厂的概念，并 提出了如下公式： 塑：c j 。- _ i 一， 讥 ( 1 4 ) 1 9 7 5 年，n i c h o l s o n 2 7 1 用3 1 6 无应变钢制成的中心裂纹试样在高温下作拉伸试验， 测得裂纹长度a 与裂纹张开位移万的关系曲线，在一定范围内，可以认为是线性的， 将其关系式对时间求导，有如下关系： 塑：c 吾。o 。f ， d t ( 1 5 ) 其中c 为实验常数，万为裂纹张开位移速率。 上世纪7 0 年代，除了以上关于蠕变裂纹扩展速率的实验研究外，一些学者还提 出了蠕变断裂裂纹扩展理论基础模型2 8 ，2 9 1 。另一些学者【3 0 1 还从力学等观点对蠕变裂 纹扩展作了理论分析。 此外，还有很多学者从损伤力学的角度来研究蠕变损伤，解决裂纹形成前蠕变 第章概述 损伤累积的寿命问题，即蠕变损伤开裂寿命。蠕变损伤是从力学观点研究在高温长 期应力作用下，局部损伤区内损伤随时间变化的演变规律，建立起局部损伤区蠕变 损伤参量d 与时间的关系，以及蠕变损伤速率d d d t 与有效应力仉的本构方程f 3 l 】： 一d d ：厂p 。)一= r 仃- d t 一 ( 1 6 ) 有效应力仃。与名义应力仃的关系由下式表示： 仃。= a ( 1 一d ) ( 1 7 ) ( 3 ) 蠕变一疲劳裂纹扩展 在高温下循环频率较低时，即使在连续变动应力( 无载荷保持时间) 作用下也 会发生蠕变，分析高温低周疲劳问题时必然要涉及蠕变的作用，从广义上说高温低 周疲劳就是蠕变一疲劳问题。 关于高温低周疲劳的研究进展在这里就不做专门的阐述了，本文主要关注材料 在蠕变一疲劳交互作用( 有载荷保持时间) 条件下的裂纹扩展行为。自2 0 世纪5 0 年 代以来对各种材料蠕变一疲劳行为做了大量的研究，取得了很大的进展。 s a x e n a 于1 9 8 1 年指出蠕变一疲劳裂纹扩展速率可分解为循坏相关扩展速率 ) ，和时间相关速率瞟) ，两个分量，总的裂纹扩展速率为二者的叠力【3 2 】： 堕d n = t f ，, 生a n 、) ，+ f ，t 堕a n l j ， ( 1 8 ) 一= l 一- + l l t - r， 、7 其中 ( 紊) ，卅醚扩 n 9 ， 或 ( 紊) ，吲w m 式中c 、c l 、c o 、m 和m o 是材料常数。 f 磊d a ：b ( 彳) ( 1 1 1 ) 式中a 代表蠕变裂纹扩展参蠡， 。7、 1 9 8 8 年，d i m o p u l o s 等在多种材料上发现，在循环频率很低时蠕变疲劳裂纹扩 展速率与c ( 修正j 积分) 有很好的关联性3 3 1 。可将式( 1 8 ) 改成如下表达式： 1 3 第一章概述 面d a - - c ( a k , s n 孚 ( 1 1 2 ) 式中f 是频率，c 是在峰值应力下实验测得的值。根据这一结果，d i m o p u l o s 指 出可以通过静态蠕变实验和高周疲劳实验来求得蠕变一疲劳裂纹扩展的疲劳分量和 蠕变分量，并利用式( 1 1 2 ) 计算出蠕变一疲劳裂纹扩展总速率。 s a x e n a 提出，在裂纹尖端小范围蠕变条件下裂尖应力、应变场以及裂纹扩展速 率是c ( t ) o o k 2 t 的函数【3 2 】，蠕变一疲劳裂纹扩展速率的蠕变分量可用下式表示 d a ，。= 6 ( 等) p = b l c c t ) l p ( 1 1 3 ) 式中k 为应力强度因子，m 和p 是材料常数。 1 4 - 2 2 裂纹扩展过程的描述 裂纹扩展的一般性规律是对裂纹扩展行为或现象