劉劍秋，劉新寶，朱 麟，郭苗苗，張 琦

(西北大學(xué) 化工學(xué)院, 陜西 西安 710069)

為了在節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的同時(shí),能夠滿足電力需求,各國(guó)均在大規(guī)模興建超(超)臨界火電機(jī)組[1],以提高火電機(jī)組發(fā)電效率。然而,在這種高溫、高壓環(huán)境下,機(jī)組中的核心構(gòu)件必然會(huì)發(fā)生蠕變[2],致使其性能劣化、壽命大幅縮短。因此,為了避免蠕變損傷對(duì)超(超)臨界火電機(jī)組造成重大安全事故,對(duì)其核心構(gòu)件的蠕變狀態(tài)評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)研究就顯得十分必要。

目前,對(duì)于高溫構(gòu)件蠕變壽命的預(yù)測(cè)方法主要有TTP參數(shù)法[3-5](LM法，OSD法，Wilshire法)和基于蠕變曲線外推法[6-7](θ法，改進(jìn)θ法，K-R模型法)。但是，這些方法都沒有考慮蠕變損傷過程和材料內(nèi)部多尺度微觀組織的演化行為,其外推結(jié)果往往會(huì)導(dǎo)致蠕變壽命的過估計(jì)現(xiàn)象。近年來,國(guó)內(nèi)、外研究學(xué)者提出基于物理本質(zhì)的蠕變本構(gòu)方程,即通過耦合材料內(nèi)部多尺度微觀組織演化行為所對(duì)應(yīng)的損傷參量來實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫構(gòu)件蠕變壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)[8]。已有研究表明[9],金屬的塑性變形主要通過大量位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn),位錯(cuò)及其運(yùn)動(dòng)過程中所形成相關(guān)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特征是決定材料宏觀力學(xué)性能的內(nèi)在因素。因此,對(duì)于材料內(nèi)部組織演化行為的研究將成為高溫構(gòu)件蠕變壽命精準(zhǔn)預(yù)測(cè)的有力工具。

本文選用廣泛應(yīng)用于超(超)臨界火電機(jī)組的9Cr-1Mo耐熱鋼作為研究對(duì)象,首先進(jìn)行高溫蠕變持久試驗(yàn)和間斷試驗(yàn),得到蠕變損傷試樣。然后，利用XRD量化表征了9Cr-1Mo耐熱鋼在蠕變過程中內(nèi)部可動(dòng)位錯(cuò)密度的變化,并從位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及位錯(cuò)間相互作用等方面對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)演化行為進(jìn)行分析,進(jìn)而為高溫構(gòu)件蠕變壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用9Cr-1Mo(10Cr9Mo1VNb)耐熱鋼由天津大無縫鋼管廠提供,9Cr-1Mo耐熱鋼是一種以鉻、鉬為主要合金元素的馬氏體耐熱鋼,其化學(xué)成分見表1。

表1 9Cr-1Mo鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical component of 9Cr-1Mo steel 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%

1.2 蠕變實(shí)驗(yàn)

為了研究9Cr-1Mo耐熱鋼在蠕變過程中內(nèi)部可動(dòng)位錯(cuò)演化行為,分別在長(zhǎng)春機(jī)械科學(xué)研究院研發(fā)的RDL50型高溫蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)上進(jìn)行高溫蠕變持久試驗(yàn)和高溫蠕變間斷試驗(yàn),試驗(yàn)條件為600℃，165MPa,所有試驗(yàn)均按照GB/T2039-1997的標(biāo)準(zhǔn)完成。

1.3 XRD檢測(cè)

將上述得到的損傷試樣加工成為15mm×15mm×1.5mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣,進(jìn)行XRD檢測(cè),得到不同損傷狀態(tài)下試樣的衍射圖譜。本實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為島津XRD-6100 Lab多功能X射線衍射儀,掃描范圍為40°～130°,掃描速度為2°/min,電流為30mA,加速電壓為40kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 蠕變實(shí)驗(yàn)

通過高溫蠕變持久試驗(yàn)可以得到試樣在600℃，165MPa試驗(yàn)條件下的完整蠕變曲線以及蠕變率曲線,如圖1所示。在600℃，165MPa條件下,9Cr-1Mo耐熱鋼的斷裂時(shí)間tr可以達(dá)到219.16h,最小蠕變速率為2.588 83×10-4h-1,試樣斷裂時(shí)蠕變應(yīng)變?yōu)?.269 48。根據(jù)蠕變率曲線,蠕變過程可以劃分為3個(gè)階段:減速蠕變階段、穩(wěn)態(tài)蠕變階段以及加速蠕變階段。在蠕變持久試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別在不同蠕變階段選取特定的時(shí)間點(diǎn)作為間斷時(shí)間來進(jìn)行高溫蠕變間斷試驗(yàn)(9h，20h，50h，80h和120h),得到不同蠕變狀態(tài)時(shí)的蠕變曲線以及蠕變損傷試樣,分別如圖1，2所示。從圖1中方形間斷點(diǎn)可以看出,將不同損傷狀態(tài)的蠕變曲線與完整蠕變曲線進(jìn)行比較,可見不同蠕變損傷狀態(tài)的蠕變曲線與完整蠕變曲線幾乎重合,考慮到材料內(nèi)部可能會(huì)有微小的差別以及試驗(yàn)過程中人為因素的影響,可以認(rèn)為蠕變間斷試驗(yàn)是具有可重復(fù)性的。因此，選用這些試樣對(duì)不同的蠕變狀態(tài)進(jìn)行研究是可行的。

圖2 蠕變損傷試樣圖Fig.2 Creep damage specimens

2.2 XRD檢測(cè)

根據(jù)已定的實(shí)驗(yàn)條件,對(duì)不同蠕變狀態(tài)的損傷試樣進(jìn)行XRD測(cè)量,得到各試樣的衍射圖譜如圖3所示。然而，并不能觀察到衍射峰明顯的寬化現(xiàn)象。為了能夠深入分析,引入一個(gè)變量半高寬(FWHM)來確定衍射峰的寬化。選用損傷試樣衍射圖譜中晶面指數(shù)為(1 1 0)衍射峰,確定不同損傷試樣的半高寬,可以得到半高寬隨蠕變時(shí)間變化的關(guān)系,如圖4所示?？梢钥闯?半高寬隨著蠕變時(shí)間會(huì)先增大、再減少,進(jìn)而證實(shí)在蠕變過程中X射線衍射峰確實(shí)存在寬化現(xiàn)象。X射線衍射峰會(huì)由于晶粒尺寸的變化以及晶格畸變的作用而發(fā)生寬化,其中晶格畸變主要是由晶格缺陷造成的。Krivoglaz[10]根據(jù)晶格缺陷應(yīng)力場(chǎng)特征將常見的晶格缺陷劃分為兩類。第I類晶格缺陷:①位錯(cuò);②連續(xù)晶相相位差;③嚴(yán)重畸變的晶界;④層型結(jié)構(gòu)間的應(yīng)變。第II類晶格缺陷:①點(diǎn)缺陷;②第二相粒子或雜質(zhì);③非平衡多相材料中濃度差。第I，II類晶格缺陷分別具有長(zhǎng)程和短程應(yīng)力場(chǎng)特征。另外，晶格缺陷還存在堆疊層錯(cuò),堆疊層錯(cuò)屬于特殊的晶格缺陷,它會(huì)造成尺寸寬化而不會(huì)影響應(yīng)變寬化。Krivoglaz認(rèn)為當(dāng)晶體結(jié)構(gòu)足夠大時(shí),晶粒尺寸的變化對(duì)衍射峰寬化的影響可以忽略不計(jì),唯一能造成衍射峰寬化現(xiàn)象的是第I類晶格缺陷[10]。

圖3 XRD衍射圖譜Fig.3 Diffraction pattern of XRD

圖4 FWHM隨蠕變時(shí)間變化Fig.4 Relationship between FWHM and creep time

結(jié)合本文研究對(duì)象9Cr-1Mo耐熱鋼,在短時(shí)蠕變過程中析出相粗化不明顯,并且材料內(nèi)部晶格缺陷主要是位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。因此，造成X射線衍射峰發(fā)生寬化現(xiàn)象的主要原因是位錯(cuò)的存在。

2.3 可動(dòng)位錯(cuò)密度

9Cr-1Mo耐熱鋼在蠕變過程中其內(nèi)部有多種位錯(cuò)結(jié)構(gòu)[11-12]。本文將位錯(cuò)劃分為3類:可動(dòng)位錯(cuò)、偶極子位錯(cuò)和邊界位錯(cuò),如圖5所示?？蓜?dòng)位錯(cuò)主要存在于亞晶粒內(nèi)部,在應(yīng)力的作用下會(huì)發(fā)生自由運(yùn)動(dòng),處于長(zhǎng)程應(yīng)力區(qū);而偶極子位錯(cuò)和邊界位錯(cuò)主要存在亞晶界附近以及亞晶界上,處于短程應(yīng)力區(qū)。

圖5 位錯(cuò)在亞晶粒內(nèi)部分布圖Fig.5 Distribution of dislocations in subgrain

造成X射線衍射峰發(fā)生寬化現(xiàn)象的主要原因是位錯(cuò)的存在,并且該位錯(cuò)是具有長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)特征的第I類晶格缺陷。結(jié)合位錯(cuò)在亞晶粒內(nèi)的分布情況,本文認(rèn)為衍射峰發(fā)生寬化現(xiàn)象的最主要原因是可動(dòng)位錯(cuò)的演化。因此,利用XRD方法可以量化表征可動(dòng)位錯(cuò)密度的變化,從而為進(jìn)一步分析可動(dòng)位錯(cuò)的演化行為提供理論依據(jù)。

結(jié)合X射線衍射圖譜,利用衍射峰的寬化[13]來測(cè)定晶粒的大小以及微觀應(yīng)變,本文通過Cauchy-Gaussian方程式(1)得出不同損傷試樣的等效晶粒尺寸以及微觀應(yīng)變?nèi)绫?所示。

(1)

式中:FWHM為半高寬,K為Scherrer常數(shù)(取0.89),λ為波長(zhǎng)。

表2 9Cr-1Mo鋼不同損傷狀態(tài)下的等效晶粒尺寸及微觀應(yīng)變(600℃，165MPa)

Tab.2 Equivalent grain size and lattice strain under different damage conditions of 9Cr-1Mo steel(600℃，165MPa)

蠕變時(shí)間/h等效晶粒尺寸/nm微觀應(yīng)變92050136020193010805019601070801970107912019701070

(2)

式中:ρ表示位錯(cuò)密度,b表示Burgers矢量,取2.48×10-10m。通過計(jì)算得出了不同損傷試樣的可動(dòng)位錯(cuò)密度ρ與蠕變時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖6 600℃，165MPa條件下位錯(cuò)密度與蠕變時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between dislocation density and creep time at 600℃,165MPa

可動(dòng)位錯(cuò)密度在整個(gè)蠕變階段呈現(xiàn)了先下降最終保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。晶體材料的宏觀塑性變形是通過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,在其運(yùn)動(dòng)過程中伴隨著一系列的演化行為,進(jìn)而導(dǎo)致可動(dòng)位錯(cuò)密度發(fā)生變化。

減速蠕變階段,可動(dòng)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)以Frank-Read位錯(cuò)源機(jī)制發(fā)生快速增殖。但是，隨著蠕變時(shí)間的延長(zhǎng),可動(dòng)位錯(cuò)密度在整個(gè)初始階段保持單調(diào)下降的趨勢(shì)。造成這一現(xiàn)象的原因如下。其一,可動(dòng)位錯(cuò)在快速增殖的同時(shí)也會(huì)發(fā)生位錯(cuò)湮滅作用;其二,可動(dòng)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生相互作用轉(zhuǎn)化成偶極子位錯(cuò);其三,可動(dòng)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到析出相(主要為M23C6碳化物和MX碳氮化物)的阻礙,進(jìn)而與析出相產(chǎn)生交互作用,一部分可動(dòng)位錯(cuò)由于析出相的釘扎效應(yīng)轉(zhuǎn)化為不可動(dòng)位錯(cuò);其四,當(dāng)可動(dòng)位錯(cuò)在運(yùn)動(dòng)過程中遇到亞晶界時(shí),將產(chǎn)生位錯(cuò)塞積,一部分位錯(cuò)由于能量高將越過這些障礙,最終相互作用抵消或發(fā)生多邊形化后形成位錯(cuò)墻。以上各因素綜合導(dǎo)致可動(dòng)位錯(cuò)密度在蠕變第一階段持續(xù)下降,宏觀表現(xiàn)為蠕變率單調(diào)降低。

穩(wěn)態(tài)蠕變階段,此時(shí)材料內(nèi)部析出相會(huì)發(fā)生粗化,對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)的釘扎作用會(huì)減弱,但由于亞晶粒的長(zhǎng)大會(huì)使可動(dòng)位錯(cuò)密度進(jìn)一步減少。之后，由于應(yīng)變硬化和回復(fù)軟化的共同作用,可動(dòng)位錯(cuò)密度基本保持不變,因此，蠕變率在穩(wěn)態(tài)蠕變階段也保持恒定。

加速蠕變階段,隨著蠕變的繼續(xù)進(jìn)行,微觀缺陷對(duì)材料力學(xué)性能的影響越發(fā)明顯。此時(shí)，可動(dòng)位錯(cuò)對(duì)于蠕變率的影響可以忽略不計(jì),蠕變率開始逐漸加快直至斷裂。

3 結(jié) 論

本研究采用X射線衍射技術(shù)表征了9Cr-1Mo鋼在600℃，165MPa條件下蠕變過程中的可動(dòng)位錯(cuò)演化行為。結(jié)合可動(dòng)位錯(cuò)演化行為的研究分析,在蠕變初期由于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以及位錯(cuò)之間的相互作用,造成可動(dòng)位錯(cuò)密度的大幅降低。之后由于應(yīng)變硬化和回復(fù)軟化的共同作用,可動(dòng)位錯(cuò)密度基本保持不變。通過對(duì)可動(dòng)位錯(cuò)演化行為的研究,能夠更進(jìn)一步地分析9Cr-1Mo耐熱鋼蠕變過程中內(nèi)部多尺度微觀組織的演化過程,進(jìn)而為高溫構(gòu)件蠕變壽命的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

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