13脆性材料的缺口敏感性

1、录目一、综述二、试验材料三、缺口敏感性四、结果讨论一、综述所谓脆性材料是指在使用时或使用过程中的某一阶段处于材料的脆性转变 温度以下的材料。脆性材料的性能特点是：脆性大，突发事故多；极限变形 小，能量吸收少；损伤容限小，对缺陷敏感；可靠性问题严重；评价技术善。以上特点，对于脆性材料的破坏可能有许多不确定性因素。在电力生产中，有时会出现材料在没有明显冲击的条件下出现的脆性 断裂，对于这种类型的断裂，就需确定材料的变形能力及缺口敏感 性。对于金属材料来说，缺口总是降低塑性，增大脆性。金属材料缺口而造成三向应力状态和应力一应变集中，由此而使材料产生变脆的倾向，这种效果称为缺口敏感性。学性能试验采用缺

2、口试样力学性能试验来评价材料的缺口敏感性。常用的缺口试样力有缺口静拉伸和缺口偏斜拉伸、缺口静弯曲等。通常，用光滑试样的抗拉强度b和缺口试样的抗拉强度bH的比值作为缺口敏感性的指标，即。当qe1时，说明缺口处还未明显发生塑性变形扩展就早期断裂，表示缺口敏感。qe越大，缺口敏感性也越大。，缺口敏感性越大，材料的断裂韧性也越低。缺口弯曲试验也可以显示材料的缺口敏感性。由于缺口和弯曲引起的不均匀性叠加，所以缺口弯曲较缺口拉伸应力一应变分布不均匀性要大。这种时的残余挠度或弯曲破断点（裂纹出现）的位置评定材料的缺口敏感性。根据断裂材料的缺口敏感性除和材料本身性能、应力状态（加载方式）有，尚与缺口形状、和试

3、验温度有关。缺口尖端曲率半径越小，缺口越深，材料对缺口的敏感性也越大。缺口类型相同，增加试样截面。缺口敏感性也增加，这是由于较大，试验弹性能储存较高所致。降低温度，尤其对bcc（体心立方晶格）金属，缺口敏感剧增大。因此，应在相同条件下，对比不同材料的缺口敏感性。二、试验材料本文所用试验材料为：HR3C、20Cr1Mo1VNiTiB。1.HR3C试验用钢管取自某电厂超超临界机组高温再热器HR3C钢管受热 面管出口段，取样管规格为57mm4mm，再热器出口温度为605，出口4.67MPa，至取样机组累计运行约5万h。同时取用原始管（新管）进 行对比试验。服役脆化态HR3C钢管的冲击功KV2为3.5

4、J，原始管的冲击功KV2为95J；服役脆化态管与原始管的显微组织如下图所示，由图可知服役脆化态碳化物在晶界与晶内大量析出，而原始态管除了少量未溶第二相外，晶界与晶内无明显碳化物聚集。案例：某电厂1000MW超超临界变压直流炉在A水压试验时发现末级再热器右向左数第4后最外圈下弯头发生泄漏，该高温再热器管子材质为HR3C，规格574mm，截止泄漏时，共运行约15000h。裂纹位于管子背弧，裂纹产生区域有明显的碰撞痕迹(凹坑)，断口呈脆性断裂特征，裂纹沿晶扩展。(a) 服役脆化态管OM形貌(b) 服役脆化态管SEM形貌(c)原始管OM形貌(d)原始管SEM形貌图不同状态HR3C钢管的显微组织HR3C

5、高温冲击试验，高温下呈脆性，断裂为沿晶断裂。(a) 高温冲击曲线(b)室温冲击断口形貌(c)400冲击断口形貌温度HR3C高温冲击5004003002001000123456789冲击值J2.20Cr1Mo1VNiTiB试验用钢取自某电厂亚临界机组的高中压外缸螺栓，螺栓的规格为M120mm4mm1530mm，机组累计运行约12万小时。螺栓在机组检修完毕预备启机 阶段，机组投入轴封后，发生了两次断裂。检查金相组织正常，晶粒大小符合要求， 硬度正常，强度符合要求。只有冲击值低于DL/T439标准。性能指标平均值标准值#1Aku（J）横向1339纵向20#2Aku（J）横向11纵向21.5#3Aku

6、（J）横向9纵向10#4Aku（J）横向14.5纵向33性能指标平均值标准值#1Rm（MPa）854834Rp0.2（MPa）775735#3Rm（MPa）868834Rp0.2（MPa）748735#4Rm（MPa）866834Rp0.2（MPa）741735断裂形式为准解理组织中有少量碳化物析出3.试样：HR3C拉伸试样采用试样。通过在缺口底部不同曲率半径和不同缺口长度模拟多种状况下缺口特征，具体缺口开口形状与见下表。20Cr1Mo1VNiTiB拉伸试样采用机试样。通过在缺口底部不同曲率半径和不同缺口长度模拟多种状况下缺口特征，具体缺口开口形状与见下表。试验试样类型缺口类型/缺口角度缺口长

7、度（mm）缺口底部曲率半径（mm）1新螺栓及服役脆化态螺栓V/601.000.10；0.13；0.25；0.50；0.852新螺栓及服役脆化态螺栓V/600.5；1.0；1.50.50试验试样类型缺口类型/缺口角度缺口长度（mm）缺口底部曲率半径（mm）1组原始管V/601.000.10；0.13；0.25；0.852组服役脆化态管V/601.000.10；0.13；0.25；0.853组V/450.25；0.50；0.75；1.000.254组U0.25；0.50；0.75；1.001.00三、缺口敏感性1.HR3C的缺口敏感性缺口底部曲率半径对缺口敏感性的影响缺口长度对缺口敏感性的影2.2

8、0Cr1Mo1VNiTiB的缺口敏感性无缺口延伸率带缺口延伸率1200201816141210864201000800600无缺口抗拉强度带缺口抗拉强度40020000.10.130.25曲率半径(mm)0.50.850.10.130.25曲率半径(mm)0.50.85无缺口断面收缩率带缺口断面收缩率60504030201000.10.130.25曲率半径(mm)0.50.85抗拉强度b(MPa)断面收缩率(%)延伸率(%)缺口底部曲率半径对缺口敏感性的影响原材料无缺口延伸率带缺口延伸率12002510002080015600无缺口坑拉强度带缺口抗拉强度40010200500.10.130.2

9、5曲率半径(mm)0.50.8500.10.130.250.50.85曲率半径(mm)无缺口断面收缩率带缺口断面收缩率60504030201000.10.130.25曲率半径(mm)0.50.85抗拉强度b(MPa)断面收缩率(%)延伸率(%)缺口底部曲率半径对缺口敏感性的影响抗拉强度b(MPa)断面收缩率(%)延伸率(%)缺口的长度对缺口敏感性的影响无缺口断面收缩率带缺口断面收缩率60504030201000.511.5缺口长度(mm)无缺口延伸率带缺口延伸率201816141210864200.511.5缺口长度(mm)140012001000800600无缺口抗拉强度带缺口抗拉强度400

10、20000.511.5缺口长度(mm)原材料无缺口延伸率带缺口延伸率1200251000208001560010400无缺口抗拉强度带缺口抗拉强度5200000.51缺口长度(mm)1.50.511.5缺口长度(mm)无缺口断面收缩率带缺口断面收缩率60504030201000.51缺口长度(mm)1.5抗拉强度b(MPa)断面收缩率(%)延伸率(%)缺口的长度对缺口敏感性的影响四、结果讨论原始HR3C钢管无缺口敏感性，服役脆化态HR3C钢管的缺口敏感性较大。原始管与脆化管比较V型缺口试样的缺口敏感性大于U型缺口试样的，即脆化HR3C钢管对尖端缺口较为敏感，对于缺口长度1mm试样，当缺口曲率半径小于0.25mm时，材料对缺口敏感性较大；对于缺口曲率半径为0.25mm试样，当缺口长度大于0.5mm时，材料对缺口较为敏感。缺口形态的影响HR3C为了保证服役5万h脆化HR3C钢管的安全性，对于0.5mm长度的缺陷，其缺口曲率半径应大于0.32mm；对于1mm长度缺陷，其缺口曲率半径应大于0.64mm。对使用的指导 原材料与脆化材料都无缺