趙 鵬, 軒福貞, 涂善東

(華東理工大學(xué) 承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200237)

在非對(duì)稱(chēng)應(yīng)力循環(huán)載荷作用下,由于平均應(yīng)力的存在,材料的非彈性變形將產(chǎn)生循環(huán)累積,這種現(xiàn)象稱(chēng)為材料的棘輪效應(yīng).棘輪效應(yīng)廣泛存在于壓力容器和管道、輪軌接觸疲勞、緊固連接和密封技術(shù)等工程問(wèn)題中,是工程設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素[1].然而,早期對(duì)超超臨界電廠(chǎng)高溫部件壽命和可靠性的研究主要關(guān)注疲勞和蠕變機(jī)制及兩者的交互作用,往往忽略了棘輪效應(yīng)的影響,給機(jī)組的長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行帶來(lái)了不安全因素.在高溫、高壓下,材料和結(jié)構(gòu)的損傷往往來(lái)源于多種機(jī)制,且各種機(jī)制之間并不是孤立的,常常有顯著的交互作用[2-3].因此,為保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行,在進(jìn)行壽命和可靠性分析時(shí),必須考慮棘輪、蠕變和疲勞之間存在的交互作用.

近20年,國(guó)內(nèi)外對(duì)材料的棘輪效應(yīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)及理論研究[4-5],但以往對(duì)棘輪效應(yīng)的研究主要集中于棘輪效應(yīng)本身的試驗(yàn)研究和本構(gòu)模型構(gòu)建方面,對(duì)材料的棘輪與蠕變/疲勞等各種機(jī)制的交互作用及其對(duì)壽命的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道.因此,本文探討了超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子X(jué)12CrMoWVNbB10-1-1鋼的棘輪和蠕變的交互作用及其對(duì)壽命評(píng)估的影響.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料X12CrM oWVNbB10-1-1鋼直接從超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上切割獲得.在高溫電子CSS-3905蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上由載荷控制進(jìn)行棘輪效應(yīng)試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為600℃,環(huán)境為試驗(yàn)室大氣,波形為梯形波,在峰值應(yīng)力處保持,具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.共進(jìn)行了3種類(lèi)型的試驗(yàn),其中保持時(shí)間為零和無(wú)窮大時(shí)的試驗(yàn)分別代表純疲勞試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn),而其他改變保持時(shí)間的試驗(yàn)是為了研究材料在蠕變-疲勞載荷下的棘輪效應(yīng).

表1 棘輪效應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimenta l parameters for ratchet ef fect test

定義棘輪應(yīng)變?yōu)?

式中 :εR 代表棘輪應(yīng)變 ;εmax和 εmin分別為每一個(gè)循環(huán)中的應(yīng)變最大值和應(yīng)變最小值.

棘輪應(yīng)變率定義了2種形式:一種形式為與循環(huán)有關(guān)的dεR/d N,即每一個(gè)加載循環(huán)下棘輪應(yīng)變的增量;為了與純?nèi)渥冃袨檫M(jìn)行比較,文中還定義了另一種與時(shí)間有關(guān)的dεR/d t,即一個(gè)單位時(shí)間下棘輪應(yīng)變的增量.

2 結(jié)果與討論

2.1 棘輪行為

圖1為不同保持時(shí)間下X12CrMoWVNbB10-1-1鋼的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化圖.由圖1可見(jiàn),棘輪效應(yīng)隨循環(huán)次數(shù)的變化與一般的蠕變應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢(shì)相似,可以分為3個(gè)階段:①瞬態(tài)階段,棘輪應(yīng)變速率范圍隨著循環(huán)的進(jìn)行而減小;②穩(wěn)態(tài)階段,棘輪應(yīng)變速率基本保持為一常數(shù),本文把處于此階段的應(yīng)變速率定義為穩(wěn)態(tài)棘輪應(yīng)變速率;③加速階段,棘輪應(yīng)變速率迅速增大,致使試樣快速失效.由此可知,隨著保持時(shí)間的延長(zhǎng),材料棘輪應(yīng)變的穩(wěn)態(tài)階段越短,并且越早進(jìn)入加速階段.

圖1 保持時(shí)間對(duì)X12C rMoWVNbB10-1-1鋼棘輪行為的影響Fig.1 Influence of hold time on ratcheting behavior of X12C rMoWVNbB10-1-1 steel

圖2(a)為加載頻率對(duì)X12C rMoWVNbB10-1-1材料穩(wěn)態(tài)棘輪應(yīng)變速率的影響,為了與蠕變行為進(jìn)行比較,圖2(b)列出了材料在穩(wěn)態(tài)階段內(nèi)單位時(shí)間應(yīng)變速率隨頻率的變化,其中蠕變的頻率定義為0.由圖2可知,材料的應(yīng)變速率隨著頻率的增加而逐步降低,這表明加卸載階段會(huì)降低材料的棘輪效應(yīng).隨著頻率的增加,加卸載所占分?jǐn)?shù)也會(huì)逐步增加,從而會(huì)逐步降低材料的棘輪效應(yīng).Ma等[6]的研究表明,加載階段產(chǎn)生的滯彈性行為會(huì)降低材料的循環(huán)蠕變(棘輪),從而造成循環(huán)蠕變(棘輪效應(yīng))的減速現(xiàn)象.Sawada等[7]研究發(fā)現(xiàn),由于P92鋼回火組織中板條結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,且板條界面的移動(dòng)與時(shí)間有關(guān),從而使P92鋼表現(xiàn)出明顯的滯彈性行為.本文所研究的X12CrMoWVNbB10-1-1材料和P92同屬于9%～12%Cr鋼,同樣具有復(fù)雜的回火板條結(jié)構(gòu),這表明滯彈性可能是造成棘輪效應(yīng)減速的主導(dǎo)機(jī)制.

圖2 加載頻率對(duì)X12CrMoWVNbB10-1-1材料穩(wěn)態(tài)循環(huán)應(yīng)變速率和穩(wěn)態(tài)時(shí)間應(yīng)變速率的影響Fig.2 Influence of loading frequency on cyclic steady strain rate and unit time steady strain rate of X12C rM oWVNbB10-1-1 steel

2.2 壽命評(píng)估

圖3為X12CrM oWVNbB10-1-1材料的穩(wěn)態(tài)時(shí)間應(yīng)變速率與時(shí)間壽命的關(guān)系.由圖3可見(jiàn),在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下,在保持時(shí)間≥5 min的情況下,材料的穩(wěn)態(tài)應(yīng)變速率和壽命呈良好的線(xiàn)性關(guān)系,不管是蠕變數(shù)據(jù)還是棘輪數(shù)據(jù),都處于同一條直線(xiàn)上,符合蠕變壽命評(píng)估公式Monkman-Grant關(guān)系,這表明在較大的保持時(shí)間下,材料的壽命由與時(shí)間相關(guān)的靜態(tài)蠕變機(jī)制控制.這與本文的疲勞試驗(yàn)結(jié)果相符,在純疲勞情況下,X 12CrM oWVNbB10-1-1材料的循環(huán)壽命＞6×104次,表明在本研究范圍內(nèi)材料的疲勞損傷很小,材料的壽命主要由蠕變損傷控制.但對(duì)于保持時(shí)間為2m in的情況,棘輪應(yīng)變和壽命的關(guān)系明顯不符合上述機(jī)制,說(shuō)明在低保持時(shí)間下材料可能具有不同的損傷機(jī)制.

圖3 X12CrM oWVNbB10-1-1材料穩(wěn)態(tài)時(shí)間應(yīng)變速率與時(shí)間壽命的關(guān)系Fig.3 Unit time steady strain rate vs.time life of X12C rM oWVNbB10-1-1 steel

圖4是X12CrM oWVNbB10-1-1材料的棘輪及蠕變應(yīng)變隨時(shí)間壽命分?jǐn)?shù)的演化曲線(xiàn).從圖4可以看出,在具有較大保持時(shí)間(＞2 min)的循環(huán)載荷中,棘輪應(yīng)變隨歸一化壽命的演化曲線(xiàn)基本上與材料的純?nèi)渥兦€(xiàn)重合.結(jié)合圖3的結(jié)果發(fā)現(xiàn),在較大保持時(shí)間內(nèi),棘輪應(yīng)變本質(zhì)上與蠕變行為沒(méi)什么差別,材料的壽命由棘輪應(yīng)變演化控制,也就是由蠕變損傷控制.然而,在保持時(shí)間為2 min的情況下,材料棘輪應(yīng)變的演化與其他時(shí)間的明顯不同,似乎有某種機(jī)制抑制了材料在低保持時(shí)間內(nèi)棘輪效應(yīng)的產(chǎn)生.為了深入探討保持時(shí)間對(duì)棘輪應(yīng)變的影響,必須細(xì)致分析材料的棘輪組成.

圖4 歸一化時(shí)間壽命下X12C rM oWVNbB10-1-1材料的棘輪及蠕變應(yīng)變演化曲線(xiàn)Fig.4 Evolution of ratcheting and creep strain in terms of normalized time life

在具有保持時(shí)間的循環(huán)載荷下,材料的棘輪應(yīng)變?chǔ)臨可以分為兩部分:一是純交變載荷下產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變循環(huán)累積εR1;二是在保持時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變循環(huán)累積εR2.從圖5可以看出,保持時(shí)間會(huì)影響純交變載荷下產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變循環(huán)累積εR1,當(dāng)保持時(shí)間≥5m in時(shí),純交變載荷下產(chǎn)生的棘輪效應(yīng)εR1會(huì)出現(xiàn)安定現(xiàn)象(圖5中只列出了保持時(shí)間為2min和 30min的結(jié)果.5m in、10m in和 20 min的結(jié)果與30 min的類(lèi)似).而當(dāng)保持時(shí)間為2 min時(shí),材料的棘輪應(yīng)變率ε?R1在經(jīng)歷過(guò)一個(gè)瞬態(tài)階段后,幾乎保持穩(wěn)定,并不會(huì)出現(xiàn)安定現(xiàn)象.交變載荷下產(chǎn)生的εR1和在保持時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的εR2存在交互作用,從而抑制了棘輪效應(yīng)的產(chǎn)生,進(jìn)而導(dǎo)致棘輪應(yīng)變?cè)诘捅３謺r(shí)間下出現(xiàn)不同的演化形式.

Date等[8]的研究表明,拉伸棘輪效應(yīng)(即本文中在交變載荷下產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變?chǔ)臨1)對(duì)壽命的降低程度遠(yuǎn)大于同等數(shù)量的預(yù)應(yīng)變.而Yang等[9]的研究同樣表明,在傳統(tǒng)的蠕變或疲勞中材料的斷裂壽命與穩(wěn)態(tài)蠕變速率或循環(huán)塑性應(yīng)變之間的關(guān)系無(wú)法適用于存在棘輪(即本文的εR1)和疲勞交互作用的情況下.對(duì)上述前人研究的分析發(fā)現(xiàn),棘輪應(yīng)變?chǔ)臨1的損傷不能簡(jiǎn)單的通過(guò)累積應(yīng)變來(lái)度量.雖然在保持時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變循環(huán)累積εR2的損傷是與時(shí)間有關(guān)的,但是由于蠕變變形累積和塑性應(yīng)變累積屬于不同性質(zhì)的損傷,因此它們對(duì)材料壽命的影響具有不同的機(jī)制.而應(yīng)變?chǔ)臨1的累積只能度量棘輪效應(yīng)εR1的部分損傷,無(wú)法反映其對(duì)損傷循環(huán)特性的影響.因此,筆者提出采用應(yīng)變?chǔ)臨1和循環(huán)塑性應(yīng)變之和來(lái)度量每個(gè)循環(huán)的棘輪應(yīng)變?chǔ)臨1損傷,這樣既可以反映棘輪效應(yīng)的時(shí)間相關(guān)特性,又可以反映棘輪損傷的循環(huán)特性.

圖5 保持時(shí)間對(duì)X 12CrMoWVNbB10-1-1材料在交變載荷下產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變率R1的影響Fig.5 Influence of hold time on unit time strain rate under cyclic loading conditions

上述結(jié)果表明,由于保持時(shí)間會(huì)影響純交變載荷下產(chǎn)生的非彈性應(yīng)變循環(huán)累積εR1,在低保持時(shí)間和高保持時(shí)間區(qū)內(nèi),材料具有不同的損傷機(jī)制.因此,在進(jìn)行材料的壽命評(píng)估時(shí),必須進(jìn)行分區(qū)分析,將試驗(yàn)數(shù)據(jù)分為高保持時(shí)間和低保持時(shí)間區(qū),在不同區(qū)域采用不同的損傷參量.由圖6可知,利用分區(qū)分析的方法可以進(jìn)行精確的壽命預(yù)測(cè).

3 結(jié) 論

(1)X12CrM oWVNbB10-1-1材料的棘輪效應(yīng)表現(xiàn)出明顯的時(shí)間相關(guān)特性.材料的穩(wěn)態(tài)棘輪應(yīng)變速率低于同等條件下的蠕變速率,顯現(xiàn)出棘輪減速現(xiàn)象,并且隨著加載頻率的增加,材料的穩(wěn)態(tài)棘輪應(yīng)變速率逐漸減小.

(2)X12C rMoWVNbB10-1-1材料在高保持時(shí)間和低保持時(shí)間內(nèi)具有不同的棘輪演化行為,這種區(qū)別來(lái)源于不同的棘輪組成.在低保持時(shí)間內(nèi),由于棘輪應(yīng)變?chǔ)臨1的形成,會(huì)抑制材料在保持時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的蠕變應(yīng)變循環(huán)累積εR2.

圖6 X 12CrMoWVNbB10-1-1材料的修正損傷參量和循環(huán)壽命的關(guān)系Fig.6 Modified damage parameter vs.cycle life of the steel for X 12CrMoWVNb B10-1-1 steel

(3)棘輪應(yīng)變?chǔ)臨2本質(zhì)上與純?nèi)渥冃袨橄嗤?其對(duì)材料壽命的影響可以歸類(lèi)為與時(shí)間有關(guān)的蠕變損傷.而對(duì)于棘輪應(yīng)變?chǔ)臨1,提出了采用εR1和循環(huán)塑性應(yīng)變之和來(lái)度量其損傷.針對(duì)不同的損傷機(jī)制,利用分區(qū)分析的方法可以進(jìn)行精確的壽命評(píng)估.

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