超（超）臨界機組用鋼的高溫低周疲勞行為研究.pdf

1、超（超）臨界機組(USC)管道等設(shè)備長期在高溫下運行，低周疲勞(low cyclefatigue，簡稱LCF)損傷是最重要的破壞形式之一。超（超）臨界機組管道用耐熱鋼一般分為鐵素體和奧氏體不銹鋼兩種類型，耐熱鋼在高溫下變形，會產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)變時效(dynamic strain aging，簡稱DSA)現(xiàn)象，大量研究顯示DSA嚴(yán)重降低耐熱鋼的低周疲勞壽命。耐熱鋼在LCF條件下，DSA的溫度范圍和微觀機制及其對低周疲勞的損傷機制等研究中仍然存在

2、大量亟待解決的問題。本文選用兩種典型耐熱鋼P91鐵素體鋼和TP347H奧氏體鋼為研究對象，通過內(nèi)耗(Inter Friction)技術(shù)研究DSA的微觀機制;分析DSA對耐熱鋼高溫(550-650℃)低周疲勞的影響機制，并構(gòu)建疲勞壽命預(yù)測模型;借助透射電鏡(TEM)和掃描電鏡(SEM)等方法，研究低周疲勞條件下變形機制和疲勞損傷形式等。
　　研究結(jié)果顯示:P91鋼和TP347H鋼DSA效應(yīng)出現(xiàn)在不同的溫度范圍內(nèi)。在應(yīng)變速率3×10-

3、2/s-3×10-5/s下，P91鋼DSA溫區(qū)為250-500℃，而在超（超）臨界機組工作溫度550-650℃未出現(xiàn)DSA現(xiàn)象;在應(yīng)變速率3×10-3/s-8×10-5/s下，TP347H鋼在300-700℃溫區(qū)會出現(xiàn)DSA現(xiàn)象。
　　動態(tài)應(yīng)變時效(DSA)顯著降低P91和TP347H兩種超（超）臨界機組(USC)用鋼的高溫低周疲勞(LCF)壽命。在TP347H奧氏體不銹鋼中，DSA效應(yīng)越強，高溫LCF壽命越短。在高溫LCF中，引

4、入了循環(huán)軟化率(R)參數(shù)來表征DSA效應(yīng)，R越小，DSA效應(yīng)越強，高溫LCF壽命越低。
　　TP347H鋼在300-700℃溫區(qū)會出現(xiàn)DSA現(xiàn)象，覆蓋了超（超）臨界機組工作溫度范圍(550-650℃)。TP347H鋼低周疲勞行為對應(yīng)變幅和溫度具有強烈的依賴作用。在研究的溫度范圍內(nèi)，表現(xiàn)為循環(huán)軟化的現(xiàn)象。在室溫下，循環(huán)軟化率隨著應(yīng)變幅的增加而增加;而在高溫下，循環(huán)軟化率隨著應(yīng)變幅增加而減少。在高溫（550-650℃）疲勞過程中，DS

5、A效應(yīng)改變了位錯的滑移機制，位錯以平面滑移為主。循環(huán)塑性變形局域化，降低了晶粒之間的變形協(xié)調(diào)能力，導(dǎo)致塑性下降。在高溫低周疲勞變形下形成的平面結(jié)構(gòu)和塑性變形局域化，損害材料的高溫低周疲勞壽命，宏觀上表現(xiàn)為疲勞裂紋具有多個萌生點、二次裂紋和較快的裂紋擴展速率。
　　P91鋼在超（超）臨界機組工作溫度550-650℃未出現(xiàn)DSA現(xiàn)象，然而機組設(shè)備在啟停和較低溫度下運行都可能通過DSA溫度窗口(250-500℃)，P91鋼管會發(fā)生DSA

6、效應(yīng)。研究顯示P91鋼在DSA溫區(qū)的預(yù)變形降低高溫低周疲勞壽命，主要原因是在DSA溫區(qū)的預(yù)變形試樣在高溫疲勞過程中出現(xiàn)了包辛格(Bauschinger)效應(yīng)。
　　在室溫和550-600℃高溫下，TP347H鋼比P91鋼具有更高的的低周疲勞壽命。Manson-Coffin應(yīng)變疲勞方程較好預(yù)測了P91鋼在室溫(25℃)、550-600℃溫度下和DSA溫區(qū)預(yù)變形后的高溫疲勞壽命，以及TP347H鋼在室溫下應(yīng)變壽命。而在高溫550-60

7、0℃下，由于TP347H鋼中DSA效應(yīng)降低了材料的塑性，對塑性應(yīng)變幅產(chǎn)生了一定的影響，僅含塑性應(yīng)變幅參量的Manson-Coffin應(yīng)變控方程將無法準(zhǔn)確預(yù)測TP347H鋼高溫低周疲勞壽命。
　　通過內(nèi)耗和拉伸試驗研究可知:P91鋼中出現(xiàn)DSA臨界激活能Q為73 kJ/mol，等于間隙原子C在晶格間擴散激活能，而DSA消失時Q為202 kJ/mol，為C原子擴散激活能與結(jié)合能（C與位錯結(jié)合能，121 kJ/mol）之和。DSA效應(yīng)微

8、觀機制由兩個過程共同作用，一是特定類型溶質(zhì)原子向位錯芯處擴散偏聚，二是溶質(zhì)原子對位錯實施釘扎。P91鋼中產(chǎn)生DSA效應(yīng)的溶質(zhì)主要為C間隙原子。TP347H鋼中的DSA機制較為復(fù)雜，與變形溫度有關(guān)。在300-500℃溫區(qū)，C原子和(C，M)(M=Cr，Nb)有序結(jié)構(gòu)氣團參與了DSA效應(yīng)，在550-650℃高溫區(qū)DSA的機制為置換原子M擴散且與位錯交互作用。P91鋼在550-650℃高溫下沒有發(fā)生DSA主要有兩個原因:一是P91鋼中置換原子

9、的濃度(8.44％ Cr)較低，而TP347H中濃度較高20％(Cr+Nb)，二是置換原子如Cr在體心立方結(jié)構(gòu)中的擴散速度較面心立方結(jié)構(gòu)更快，且在該溫度下有較多碳化物析出和長大。這兩種因素一方面降低基體中固溶置換原子含量，一方面碳化物與位錯的交互作用減弱了溶質(zhì)原子對位錯的強烈的反復(fù)釘扎效應(yīng)，從而抑制了DSA的發(fā)生。而TP347H鋼中置換原子濃度較高，可對位錯實施有效釘扎，另一方面TP347H鋼中碳化物的析出較少，納米相析出沒有抑制DSA