P92钢蠕变-疲劳试验的断裂特性分析

P 9 2钢蠕变 一疲劳试验的断裂特性分析 王德宪 纪冬梅 陈建钧 王昊 陈乃超 1 上海电力学 院 能源与机械工程学院 上海2 0 0 0 9 0 2 华东理工大学 机械与动力工程学 院 上 海2 0 0 2 3 7 摘要 以P 9 2钢为研 究对象 进行 6 0 0 o C下应力控制的蠕变 一疲劳交互作用试验 分别讨论 了应力 比 保载时间对试验寿命 的影响 并对断后试样金相组织和 S E M 断 口形貌进行对 比 研究表 明 在 本试验条件下 应力 比 保载时间与试验寿命成反 比 且随着保载 时间的增加 应力比对寿命变化的 影响逐渐减弱 各工况下试样金相组织未发生明显变化 试样 断裂特征表现为以蠕变损伤为主的延 性韧窝断裂 关键词 P 9 2钢 蠕变 一疲 劳 延性韧 窝断裂 微观形貌 中图分类号 T H1 4 2 T G 1 4 2 3 3 0 3 4 6 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 4 l 0 0 0 2 2 0 7 d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 4 8 3 7 2 0 1 4 1 0 0 0 4 I n v e s t i g a t i o n o f Fr a c t ur e Pe r f o r m a nc e f o r P9 2 St e e l un de r Cr e e p Fa t i g u e Lo a d WAN G D e x i a n J I D o n g me i C HE N J i a n j u n WAN G Ha o C HE N N a i c h a o 1 C o l l e g e o f E n e r g y a n d M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t ri c P o w e r S h a n g h a i 2 00 0 9 0 Ch i n a 2 Co l l e g e o f Me c ha n i c a l a n d Po we r En g i n e e rin g Ea s t Chi n a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a nd T e c h n o l o gy S h a n g h a i 2 0 0 2 3 7 C h i n a A b s t r a c t C r e e p f a t i g u e C F t e s t s o f P 9 2 s t e e l a t 6 0 0 u n d e r s t r e s s c o n t r o l l e d w e r e c a r r i e d o u t i n t h i s s t u d y T h e e ff e c t s o f d i ff e r e n t s t r e s s r a t i o s a n d h o l d i n g t i me s o n C F i n t e r a c t i o n w e r e i n v e s t i g a t e d b y a n a l y z i n g t h e e x p e r i me n t a l d a t a a n d o b s e r v i n g mi c r o s t r u c t u r e o f t h e s a mp l e s I t i s s h o wn t ha t c y c l e l i f e i s i n v e r s e l y p r o po r t i o n a l t o t h e s t r e s s r a t i o s a n d h o l di n g t i me s W h e n t h e h o l di ng t i me s r e a c h a c e r t a i n v a l u e t h e s t r e s s r a t i o h a s l i t t l e e f f e c t o n c r e e p f a t i g u e l i f e Th e mi c r o s t r uc t u r e o f P 9 2 s t e e l i s n o t c h a n g e d s i g n i fi c a n t l y a n d s t i l l r e ma i n t h e s t r u c t u r e o f l a t h ma r t e n s i t e T h e f e a t u r e o f s p e c i me n s b e l o n g s t o d u c t i l e d i m p i e f r a c t u r e wh i c h d o mi na t e d b y c r e e p d a ma g e Ke y wo r d s P 9 2 s t e e l c r e e p f a t i g u e d u c t i l e d i mpl e f r a c t u r e mi c r o p a t t e r n 言 量 怒 喜 吴 9 1 2 C r 马氏体钢凭借优 良的抗蠕变性 件 的首选材料 为保证电力系统的经济性运 能和高温耐腐蚀性能 广泛应用于电力 石化及核 行 火电机组的频繁启停和变更负荷 使上述关键 基金项 目 国家 自然科 学基金项 目 5 1 2 0 1 0 9 7 22 第 3 1 卷第 1 0期 压 力 容 器 总第 2 6 3期 部件长期在交 变载荷和静 载荷 的共 同作用下服 役 造成蠕变 一疲劳 C r e e p F a t i g u e C F 交互作 用破坏 目前 国内外对 P 9 2钢的研究 主要集 中 在蠕变 微观组织演化及低周疲劳等方面 关 于 P 9 2钢高温蠕变 一疲劳交互作用下的影响因素 和断裂特性方面的研究则相对较少 这给蠕变 一 疲劳服役条件下火电机组构件的稳定运行带来 了 不安全因素 不利于超 超 临界机组高温部件的 设计 制造和安全评估 文中基于载荷控制下 的蠕变 一疲劳交互作用 试验 讨论 了应力 比 保 载时间对试验 寿命 的影 响 对试验后试样的金相组织 和断 口形貌进行 了 分析 获得了 P 9 2钢蠕变 一疲劳交互作用下的断 裂特性 格为 I D 9 1 4 mm 5 0 mm的高温再热蒸汽管道用 P 9 2钢管 其热处理工艺为 正火 1 0 6 5 C 1 2 5 h 风冷 回火 7 7 6 7 2 5 h 空冷 金相组织为回 火马氏体结构 如图 1 所示 质保书提供的晶粒度 为 7 5级 材料的化学成分见表 1 1 蠕变 一疲劳交互作用试验 试验材料 为 Wy ma n G o r d e n公 司生产 的规 图1 P 9 2 钢的金相组织5 0 0 表 1 P 9 2钢的化学成分 元素 C S i Mn C r Mo W N i P S B N N b V A l 含量 0 1 1 0 2 8 0 3 5 8 7 2 0 3 8 1 7 2 0 3 9 0 0 1 1 0 0 0 7 0 0 0 4 0 0 4 0 O 8 0 2 0 0 0 0 2 其余 1 6 图 2 试样尺寸 试 样 沿管 道 轴 向截 取 按 照 G B T 2 0 3 9 2 0 1 2 金属材料 单轴拉伸蠕变试验方法 加工成 圆形截面试样 见图 2 在 G WT一2 5 0 4型高温 电 子蠕变持久试验机上 通过固定最大应力 改变最 小应力和保载时间 进行不 同应力 比和保 载时间 组合的蠕变 一疲劳试验 试验温度 6 0 0 o C 应力控 制梯形波加载 加卸载速率均为 3 MP a s 波形 如 图 3所示 通过 3根热电偶测量试样温度 试验 过程 由 s R 2 3 P I D温度调节器闭环控制 温度波动 为 2 试验正式加载前保温 1 h 试验参数 如 表 2所示 I R1 0 01 2 1 图3 加载波形示意 C P V T P 9 2钢蠕变 一疲劳试验 的断裂特性分析 V o 1 3 1 N o 1 0 2 0 1 4 表 2 P 9 2钢蠕变 疲劳 交互作用试验参数 试样 最大应力 高保 载时间 低保载时 间 编号 MP a 应力 比 R h f h C01 1 8 0 1 O CF01 1 8 0 0 1 0 3 0 01 C F 0 2 1 8 0 0 1 0 5 0 0 l CF0 3 1 8 0 0 1 1 O O 01 CH 1 8 0 0 1 1 5 O O1 CF0 5 1 8 0 0 3 0 3 0 01 CFO 6 1 8 0 0 3 0 5 0 0l CF0 7 1 8 0 O 3 1 0 0 01 C F 0 8 1 8 0 0 3 1 5 0 01 CF0 9 1 8 0 0 4 1 5 0 0l 注 c 0 1为同参数 下的蠕变试验 2 试验结果分析与讨论 2 1 影响 因素与寿命分析 图4示出了保载时间和应力 比与试验寿命 的 关系 l 0 00 曼 5 00 O 保载 时 间 h 图 4 P 9 2钢试验寿命对 比 同应力比 R下 P 9 2钢循环寿命随保载时间 的增加而减少 这与保载时间 保持时间对寿命 影响的一般性规律一致 保载时间代表 的蠕变 因 素加速 了疲劳损伤的发展 保载时间越长 疲劳寿 2 4 命越短 同保载 时间下 试验 寿命与应力 比 R成 反比 且随着保载时间 的增加 应力比对寿命 变化 的影响逐渐减弱 当保载时间达到 1 5 h时 各应力比下 的试验寿命基本趋于一致 可见 保 载时间具有一 门槛值 当达到该值时 循环寿命对 应力比的依赖程度会被削弱 本试验条件下 不 同应力 比 尺实际反映了平 均应力与应力幅值相对大小的变化 如表 3所示 随着应力比 R的不断增大 平均应力与应力幅值 间的相对大小逐渐 明显 表 3 平均应力与应力幅值对 比 最 大应力 平 均应力 应 力幅值 M P a 应力 比 R MP a M P a 1 8 0 0 1 9 9 8 6 1 8 0 0 3 1 1 7 6 3 1 8 0 0 4 1 2 6 5 4 1 8 0 l 1 8 0 0 大量试验研究发现 由于最大应力 的存 在 应力控制下的蠕变 一疲劳交互作用均会存在 呈反 C 状分布的蠕变 C 区 蠕变 一疲 劳交互 作用 C F 区和疲劳 F 区 其拐点常出现在平均 应力等于或稍大于应力幅值 的工况下 此时易 出 现明显的蠕变 一疲劳交互作用特征 当应力幅值 远小于平均应力时 则 以蠕变损伤控制为主 寿命 会随平均应力的增大而减少 按照上述分区理论 并结合本试验参数 认为文中工况可能会位于 C F 区和 C区 这从试验寿命随应力 比的变化得到验 证 同时 本试验 中各工况下对 应寿命 的变化还 需考虑 时相 关 因素对交互作 用 的影响 结果 表 明 保载时问的增加使得不 同应 力幅值 内的试验 寿命近似接近 如文献 1 5 中所述 高保 载应力 作用时间的增加使寿命 曲线表现出向直线型变化 特征 保 载时 间的增加起 到 了强 化蠕 变特征 的 作用 2 2断 口宏观形 貌分 析 图5示出 P 9 2钢蠕变和蠕变 一疲劳断裂试样 的显微组织 可 以看 出 各断 口附近均为板条状 的回火马氏体结构 说 明不同工况下应力 比和保 载时间的变化未对 P 9 2钢的马氏体结构造成明显 改 变 C P V T P 9 2钢蠕变 一疲劳试验的断裂特性分析 V o 1 3 1 N o l O 2 0 1 4 综上所述 无论保载时间长短 本试验下的各 试样 断裂特征均 以蠕变损伤为主 为延性韧窝断 裂 其中 C F 0 1 C F 0 5工况下循环 载荷激 烈程度 相对较强 疲劳载荷对蠕变 的作用在其 微观断 口 上有所体现 即孔洞壁上存在少量疲劳辉纹 而其 他长保载试样并未有此类似的特征 认为其失效 模式中蠕变损伤的 比重相对较大 结合寿命对应 力比 保载时间的依赖程度 可以认为 在本试验 条件下 保载时间的增加起 到了强化蠕变特征的 作用 3 结论 以超超临界组高温再热蒸汽管道用 P g 2钢为 研究对象 进行应力控制下不同应力 比 保载时间 组合 的高温蠕变 一疲劳交互作用试验 通过对其 断裂寿命 断后金相组织和断 口形貌 的分析 得出 以下主要结论 1 初步总结应力 比 保载 时间对 P g 2钢循 环寿命 的影响规律 在温度和最大载荷恒 定的条 件下 循环寿命与应力比和保载时间成反 比 达到 一 定保载时间值 试验寿命对应力 比的依赖程度 将会减弱 2 通过金相显微组织 对 比发现 蠕变 与蠕 变 一 疲劳试样的组织均未发生 明显变化 仍为板 条状马氏体结构 蠕变 一疲劳试验下试样的收缩 率和伸长率随保 载时间的增加而增加 会 出现有 一 定的饱和值 可认为是寿命 变化在宏观变形规 律的体现 3 经 S E M断 口对 比发现 断裂模式均属于 蠕变损伤为主的延性韧窝断裂 结合寿命与应力 比 保载时间的依赖程度 说 明保载时间具有强化 蠕变特征 的作用 参考文献 2 3 周荣灿 范长信 超超临界火电机组材料研究及选 材分析 J 中国电力 2 0 0 5 3 8 8 4 1 4 7 C z y r s k a F i l e mo n o w i c z A Z i e l i n s k a L i p i e c A En n i s P J Mo d i f i e d 9 C r s t e e l s f o r a d v a n c e d p o we r g e n e r a t i o n mi e r o s t r u c t u r e a n d p r o p e r t i e s J J o u r n a l o f Ac h i e v e me n t s i n Ma t e r i als a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e r i n g 2 0 0 6 1 9 2 4 3 4 8 王亮 刘宗德 陈鹏 等 T 9 2钢时效硬度变化试验及 28 蠕变寿命预测研究 J 压力容器 2 0 0 8 2 5 3 1 6 4 郭 晓峰 巩建鸣 姜勇 超超 临界锅炉管用 T 9 2 P 9 2钢研究进展 J 压力容器 2 0 1 1 2 8 5 5 5 61 5 林琳 周荣灿 郭岩 等 应力与温度对 P 9 2钢 中 L a v e s 相析 出行 为的影 响 J 热力发 电 2 0 1 2 4 1 5 5 6 6 0 6 L i m B S J e o n g C S K e u m Y T E ff e c t o f t e mp e r a t u r e o n f a t i g u e e r a e k g r o w t h i n P 9 2 s t e e l J M e t al s a n d Ma t e r i a l s I n t e rna t i o n al 2 0 0 3 9 6 5 4 3 5 4 7 7 K a n n a n R S r i n i v a s a n V S V a l s a n M e t a 1 H i g h t e m p e r a t ur e l o w c y c l e f a t i g ue b e h a v i o ur o f P9 2 t u n gs t e n a d d e d 9 C r s t e e l J T r a n s a c t i o n s o f T h e I n d i a n I n s t i t u t e o f Me t a l s 2 0 1 0 6 3 2 5 7 1 5 7 4 8 K a n n a n R S ri n i v a s a n V S V a l s a n M C o m p a r a t i v e e v a l ua t i o n o f t he l o w c y c l e f a t i g u e be h a v i o ur s o f P91 a n d P 9 2 s t e e l s C 6 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e O i l C r e e p F a t i gue a n d C r e e p F a t i gue I n t e r a c