P92鋼應變速率相關的高溫低周疲勞行為研究

張尚林，軒福貞，羅 英 ，邱 天 ，邱 陽 ，胡 甜

(1.中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術國家級重點實驗室，成都 610213；2.華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237)

0 引言

隨著國家對環(huán)保的要求和能源結構轉型需求日益迫切，核能作為關鍵的清潔能源越來越受到重視。近年來，國內外核電技術取得了巨大進步，第四代核反應堆技術應運而生，鈉冷快堆、氣冷快堆、鉛冷快堆、超臨界水堆、超高溫堆和熔鹽堆等堆型被眾多國家推薦為第四代先進核能系統(tǒng)。相比于前三代核反應堆技術，第四代在可持續(xù)性、經濟性、安全性和可靠性方面都有明顯提升,但是，相應地，第四代反應堆的服役環(huán)境也變得更加苛刻，工作溫度和壓力都明顯高于目前典型壓水堆的工作參數(shù)(310 ℃和15.5 MPa)。在高溫(≥550 ℃)環(huán)境下，現(xiàn)有核電設備常用材料(如低合金鋼和奧氏體鋼)都難以滿足第四代核電材料性能要求。(9%～12%)Cr鋼由于具有高導熱率、低膨脹系數(shù)等優(yōu)異的高溫性能成為第四代核電廠的候選材料，并廣泛應用于燃料包殼、壓力容器、堆內構件和主蒸汽管道等重要核電設備。因此，第四代核電設備的高溫結構完整性與材料的高溫力學性能密切相關。在服役過程中，核電設備往往需要承受反應堆啟停、變負荷等瞬態(tài)引起的機械或熱應力循環(huán)載荷，因而研究材料的高溫低周疲勞性能尤為關鍵。

近二三十年來，隨著電力、航空、化工行業(yè)等關鍵設備向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，(9%～12%)Cr鋼的研制與開發(fā)也朝著高性能、低成本方向前進。新型高Cr耐熱鋼在火電廠的豐富應用經驗為其在核電設備上的應用打下了堅實的基礎[1]，9Cr-1Mo鋼也成功入選了核電設計標準ASME第Ⅲ卷[2]。隨著(9%～12%)Cr鋼的廣泛工程應用，其高溫力學性能的研究也成為國內外學者的關注熱點[3]。ENNIS等[4]量化分析了不同熱處理方式對P92鋼蠕變強度的影響，通過透射電鏡(TEM)的微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，隨著回火溫度的增加，亞晶內部位錯密度降低，沉淀物尺寸增加，從而導致材料蠕變斷裂強度降低。PANAIT等[5-6]研究了P91鋼長時間(>100 000 h)蠕變后的微觀組織變化，結果表明蠕變抗性的損失主要是由于M23C6碳化物、Laves相的沉淀和明顯粗化，而不是Z相沉淀物的累積和MX沉淀物的分解。此外，CHOUDHARY等[7]通過宏觀蠕變試驗研究了不同應力水平和蠕變溫度對9Cr-1Mo鋼蠕變性能和斷裂行為的影響，發(fā)現(xiàn)最小蠕變速率和斷裂壽命表現(xiàn)出明顯的應力相關性，并服從高指數(shù)的冪函數(shù)關系。從這些微觀和宏觀試驗研究結果可以發(fā)現(xiàn)，高Cr耐熱鋼具有良好的抗高溫蠕變性能，能夠勝任電廠關鍵設備的高溫服役環(huán)境。盡管國內外學者對(9%～12%)Cr鋼的高溫性能研究已經取得了大量成果[8]，但是主要集中于(9%～12%)Cr鋼的高溫蠕變性能研究，而關于其高溫疲勞性能的研究還比較少見。由于電廠設備不可避免地需要經受啟停、溫度變化引起的循環(huán)載荷，且具有良好蠕變性能的(9%～12%)Cr鋼是否也具備良好的高溫疲勞抗性，因此，開展(9%～12%)Cr鋼的高溫疲勞性能研究是保證關鍵設備高溫結構完整性的重要基礎。NAGESHA等[9]研究了不同溫度對9Cr-1Mo鋼低周疲勞行為的影響，結果表明溫度越高疲勞壽命越低，而且溫度的影響在低應變幅范圍更加明顯。ZHANG等[10]開展了P92鋼不同應變幅的循環(huán)試驗，并通過透射電鏡觀察發(fā)現(xiàn)小角亞晶界湮滅是導致材料循環(huán)軟化的主要原因。WU等[11]對比分析了不同控制模式對(9%～12%)Cr鋼循環(huán)變形的影響，在應變控制模式下，材料循環(huán)響應不對稱性隨著應變幅的增加而降低，而在應力控制模式下不對稱性隨著應力幅的增加而增大。上述研究表明，(9%～12%)Cr鋼的高溫疲勞行為比較復雜，不僅與溫度、載荷水平相關，還取決于控制模式。另外，ZHANG等[12-13]在應變循環(huán)中通過引入應變和應力保載來考察(9%～12%)Cr鋼疲勞與蠕變的交互作用行為，發(fā)現(xiàn)(9%～12%)Cr鋼在高溫下表現(xiàn)出明顯的粘性行為，并且蠕變變形會加速材料的循環(huán)軟化。目前，對于(9%～12%)Cr鋼疲勞性能的研究大多集中在應變幅、溫度以及保載時間的問題，而很少考慮加載速率對(9%～12%)Cr鋼高溫疲勞行為的影響。

因此，本文針對P92鋼((9%～12%)Cr鋼系列的一種)開展不同應變速率的625 ℃高溫低周疲勞試驗，通過考慮快-快、快-慢、慢-快和慢-慢等多種加載方式，研究應變速率對P92鋼疲勞壽命和循環(huán)變形行為的影響。通過對稱和非對稱應變速率對比以及應力-應變滯回環(huán)分析，探索低應變速率下材料疲勞破壞機制，為電站關鍵設備高溫結構完整性評估和構建循環(huán)本構模型提供數(shù)據(jù)基礎。

1 試驗材料及試驗設備

P92鋼由于具有高熱導率、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)異的高溫性能，被廣泛應用于超超臨界電站設備以及被作為第四代核電廠的候選材料。本文采用的試驗材料為某鍋爐廠制造的主蒸汽管道材料9Cr0.5Mo1.8WVNb(P92)鋼，其化學成分符合ASTM A335標準要求，具體見表1。

表1 試驗用9Cr0.5Mo1.8WVNb (P92)鋼的化學成分

試驗材料P92鋼為典型的回火馬氏體組織，其熱處理工藝為:在1 065 ℃下奧氏體化1.25 h；然后空冷；隨后在777 ℃下回火2.5 h。如圖1所示，P92鋼在經歷此熱處理過程后形成了一種多尺度微觀結構，隨著尺寸的減小，依次包括原奧氏體晶粒、板條束、板條塊和馬氏體板條等結構，其中，原奧氏體晶粒寬度大約20 μm，而板條塊里面的馬氏體板條寬度只有500 nm[14]。此外，圖1(b)為P92鋼透射電鏡(TEM)顯微組織，可以看出，回火馬氏體除了高密度位錯的馬氏體板條外，還存在彌散分布的第二相粒子，包括M23C6碳化物和MX碳氮化物。

(a)結構示意

(b)原始材料的TEM觀察圖

試驗設備為INSTRON 8032電液伺服萬能疲勞試驗機(見圖2)，采用電阻爐加熱，并在試樣平行段兩端固定兩根熱電偶，以保證試樣應變測量部分的溫度波動小于±3 ℃。試驗溫度為625 ℃，是P92鋼實際工程應用的典型溫度。應變測量采用標距為12.5 mm的石英棒接觸式高溫應變引伸計。高溫低周疲勞試樣都采用實心圓棒，其形狀和尺寸如圖3所示，其直徑為8 mm，平行段長度為16 mm，為保證試樣平行段表面光滑且無劃痕，試驗前對平行段進行預磨和機械拋光處理，表面粗糙度約0.2 μm，低周疲勞試驗方法參照ASTM E606-04測試標準，定義最大應力相比于參考應力點(第100周最大應力)下降25%的循環(huán)周次為疲勞壽命Nf。

圖2 INSTRON 8032高溫疲勞試驗機

圖3 高溫疲勞試樣示意

2 試驗結果與討論

高溫低周疲勞試驗分為對稱和非對稱應變速率兩個部分，加載波形為三角波，如圖4所示，根據(jù)拉伸和壓縮加載速率的不同，波形分為快-快、慢-快、快-慢和慢-慢四種模式。應變范圍為1.0%，應變速率區(qū)間為2×10-5～2×10-3s-1，相應的加/卸載時間在5～500 s之間。不同應變速率的高溫低周疲勞試驗參數(shù)及結果如表2所示。

表2 不同應變速率的疲勞試驗參數(shù)和結果

圖4 考慮應變速率影響的低周疲勞參數(shù)

2.1 對稱應變速率對高溫低周疲勞行為的影響

圖5示出P92鋼在不同應變速率下半壽命應力-非彈性應變滯回環(huán)以及峰值應力的演化響應。為了便于分析，以應力-非彈性應變平面坐標原點為參考點，將滯回環(huán)平移至同一起點。從圖5中可以看出，在給定溫度和應變范圍下，應變速率愈低，滯回環(huán)愈“矮胖”。滯回環(huán)的高度代表應力范圍(Δσ)，寬度則代表非彈性應變范圍(Δεin)。結果表明，應變速率的降低會明顯增加非彈性應變，降低響應應力范圍。如圖5(a)所示，在應力值達到最大點A后，滯回環(huán)曲線表現(xiàn)為圓弧狀，雖然卸載過程中總應變減少，但是非彈性變形繼續(xù)增加、直至最大值點B,點A與點B之間的應力差值定義為粘性應力，代表粘塑性本構理論中超過屈服平面的應力狀態(tài)，AB段變形稱為蠕變變形(或粘性變形)。相比于時間無關的塑性變形，蠕變變形是與應變速率相關的。

從圖5中還可以看出，應變速率越小，加載時間越長，蠕變變形越大。因此，對于粘性效應明顯的材料，循環(huán)過程中總非彈性變形包括塑性變形和蠕變變形兩個分量，而且蠕變變形分量隨著應變速率的降低而愈加顯著。非彈性變形是材料在循環(huán)加載條件下產生損傷和破壞的原因，在同一應變載荷下，蠕變變形的存在會加速材料的失效。如圖5(b)所示，P92鋼在所有應變速率工況下都表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化特征，隨著應變速率的降低，循環(huán)壽命急劇下降。從表2也可以看出，當應變速率從2×10-3s-1降至2×10-5s-1，疲勞壽命縮短了2.5倍。在低應變速率下，非彈性變形對總應變的貢獻增加，并且加速了材料的循環(huán)軟化。MISHNEV等[15]也從微觀角度解釋了應變速率對馬氏體耐熱鋼循環(huán)破壞機制的影響，觀察到低應變速率下疲勞輝紋更加稀疏，二次裂紋明顯增多，加速了裂紋的擴展，從而降低了疲勞壽命。此外，研究表明，馬氏體耐熱鋼循環(huán)軟化的微觀機制是板條內移動位錯與小角度板條界內位錯的相互湮滅，導致馬氏體板條向亞晶轉變[16]。因此，應變速率的降低延長了每個循環(huán)周的變形時間，有助于移動位錯的攀爬，進而促進位錯間的湮滅行為，加速材料疲勞損傷和破壞。

(a)半壽命滯回環(huán)

(b)峰值應力隨循環(huán)周次的變化

2.2 非對稱應變速率對循環(huán)變形響應的影響

為了進一步研究應變速率對循環(huán)變形響應的影響，進行不同加載波形的疲勞試驗，重點考察拉伸和壓縮應變速率不對稱的循環(huán)變形響應，加載波形分別為快-快、快-慢、慢-快和慢-慢四種。表2示出了相應工況下的疲勞壽命結果，其大小依次是快-快>快-慢>慢-慢>慢-快，在慢-快加載工況下疲勞壽命最短。圖6示出了4種加載波形下的半壽命應力-非彈性應變滯回環(huán)和循環(huán)軟化曲線。從圖6(a)可以看出，非對稱應變速率下的響應應力范圍在對稱應變速率快-快和慢-慢之間，并且慢-快工況下的應力范圍要大于快-慢。值得注意的是，在非對稱應變速率下，快速卸載過程中并沒有觀察到明顯的粘性變形。如圖6(a)中虛線圈出的初始卸載階段，在慢-快的拉伸卸載和快-慢的壓縮卸載初始階段基本為直線響應，表明是彈性卸載。因此，在這兩種非對稱速率工況下，低應變速率引起的蠕變損傷主要集中在慢速率加載過程中。此外，不同加載波形下的最大應力和最小應力隨循環(huán)周次的變化如圖6(b)所示，快-慢載荷下的最大應力相比于快-快載荷，表現(xiàn)出明顯的加速軟化特征；反之，相比于快-快 工況，慢-快工況下的最小應力也表現(xiàn)出加速軟化的趨勢。所以，在非對稱應變速率的循環(huán)載荷下，低速率的引入會加速其反方向峰值應力的軟化。

圖7示出了對稱和非對稱應變速率下的平均應力演化趨勢，可以看出，在對稱速率循環(huán)(快-快和慢-慢)中，平均應力(<5 MPa)幾乎接近于零，而且應變速率對平均應力基本沒有影響。但是，非對稱速率循環(huán)產生了明顯的平均應力，在快-慢循環(huán)中出現(xiàn)了正的平均應力，而慢-快循環(huán)導致負的平均應力。隨著循環(huán)周次的增加，平均應力的演化過程基本表現(xiàn)為下降-穩(wěn)定-升高3個階段，其中下降、穩(wěn)定階段大致是50個循環(huán)，在循環(huán)100個周次后，平均應力出現(xiàn)升高現(xiàn)象。這與平均應變引起的非對稱應變循環(huán)中的平均應力松弛現(xiàn)象不一樣，后者的平均應力表現(xiàn)為快速的連續(xù)松弛。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，對于非對稱應變速率引起的平均應力都會縮短疲勞壽命，而且壓縮平均應力(慢-快工況)加速疲勞破壞的能力更加明顯。WU等[17-18]發(fā)現(xiàn)平均應變引起的平均應力會顯著影響疲勞壽命，而且認為疲勞壽命的降低是單向塑性變形的累積(或稱為應變棘輪)導致的。然而，非對稱應變速率下的平均應力降低循環(huán)壽命是由于低應變速率過程中產生的蠕變變形引起的，也就是說，非對稱應變速率下存在疲勞和蠕變損傷的交互作用，并且這種交互作用加速了材料的疲勞損傷。

(a)半壽命滯回環(huán)

(b)峰值應力隨循環(huán)周次的變化

圖7 不同加載波形下平均應力隨循環(huán)周次的變化

上述不同加載波形的分析結果表明，慢-快波形對循環(huán)壽命的影響最為顯著，同時，低應變速率加載導致蠕變損傷的積累。因此，在給定應變范圍和壓縮應變速率下，進一步開展不同拉伸加載速率的試驗研究。圖8示出了不同加載速率下的最大應力和平均應力演化曲線，隨著拉伸應變速率進一步的降低，最大應力下降、平均應力(絕對值)增加，疲勞壽命也隨之降低(需要指出的是，在拉伸應變速率為8×10-5s-1工況下，壽命末期應力突然增加是由于試樣表面出現(xiàn)宏觀裂紋后引伸計刀口卡入裂紋導致的)。從圖8中也可以看出，材料的循環(huán)軟化在低應變速率下更加明顯。RAO等[19]在研究Alloy 800H非對稱速率循環(huán)變形中指出，疲勞破壞模式只取決于拉伸應變速率，快拉伸應變速率導致穿晶裂紋的形核與擴展，而慢拉伸速率引起沿晶裂紋的產生。因此，在慢-快條件下，拉伸速率的降低促進晶界第二相沉淀物(如M23C6)處蠕變孔洞損傷的積累，并且在壓縮平均應力的作用下，壓縮方向累積的塑性變形不能在滯回環(huán)的拉伸部分完全回復，從而導致材料的加速破壞。從圖5(a)和圖6(a)滯回環(huán)響應可以發(fā)現(xiàn)，應變速率對加載過程中的應變硬化有明顯影響。INOUE等[20]提出，循環(huán)過程中的應變硬化可以用循環(huán)應力-應變曲線的Morrow關系式來描述：

(1)

圖8 拉伸加載應變速率對循環(huán)軟化的影響

圖9示出不同拉伸應變速率下的硬化系數(shù)k′隨累積塑性應變的變化情況。通過擬合應力-塑性應變滯回環(huán)曲線得到k′和n′，結果發(fā)現(xiàn)硬化指數(shù)n′在不同應變速率下基本保持不變(n′=0.3)，因此通過比較應變硬化系數(shù)k′來定量分析低應變速率下材料循環(huán)過程中的應變硬化行為。從圖9可以看出，硬化系數(shù)隨著累積塑性變形的增加而明顯減小，這也說明材料的循環(huán)軟化不僅降低了峰值應力，而且改變了滯回環(huán)的形狀。針對滯回環(huán)形狀變化引起的循環(huán)軟/硬化響應，KRISHNA等[21]在循環(huán)粘塑性本構框架下提出一種形狀硬化準則來描述。此外，隨著應變速率的降低，硬化系數(shù)也明顯變小。值得注意的是，在半對數(shù)坐標系中，快應變速率(≥2×10-3s-1)下的硬化系數(shù)隨累積塑性應變線性降低；然而，在慢應變速率(≤2×10-4s-1)下則呈現(xiàn)出線性和非線性兩段變化，硬化系數(shù)線性下降至累積塑性應變?yōu)?00%～300%左右后出現(xiàn)明顯的非線性降低。這種快、慢拉伸應變速率下硬化系數(shù)變化的差異，主要原因可能是慢應變速率下材料發(fā)生的蠕變損傷累積加速了循環(huán)軟化。

圖9 不同應變速率下硬化系數(shù)隨累積塑性應變的變化

從上述分析可以看出，在高溫條件下，對稱和非對稱應變速率都會對P92鋼的循環(huán)變形行為產生明顯的影響。非彈性應變中包含了時間無關的塑性應變和時間相關的蠕變應變，是反映材料循環(huán)軟化和疲勞損傷的有效指標。圖10示出了對稱和非對稱速率下半壽命周非彈性應變范圍和疲勞壽命隨應變速率的變化。可以看出，隨著應變速率的增加，非彈性應變范圍降低，疲勞壽命增加。但是，對稱速率下疲勞壽命和非彈性應變范圍都是線性變化，而在非對稱速率下二者呈現(xiàn)出非線性變化。可見，應變速率對高溫循環(huán)應變過程中的滯回環(huán)形狀、疲勞壽命影響都比較明顯，這將給粘塑性本構模擬帶來挑戰(zhàn)。因此，下一階段將進一步研究和構建考慮這種應變速率影響的統(tǒng)一粘塑性循環(huán)本構模型。同時，為了探究不同應變速率下的材料損傷機理，還將通過微觀觀察技術進一步研究不同應變速率下的材料微觀組織變化。

圖10 對稱和非對稱應變速率下半壽命周非彈性應變范圍和疲勞壽命隨應變速率的變化

3 結論

本文在625 ℃下開展了對稱和非對稱應變速率的高溫低周疲勞試驗，分析了應變速率對P92鋼高溫疲勞行為的影響。通過應力-應變滯回環(huán)分析，重點研究了低應變速率下材料的疲勞破壞機制。主要結論如下。

(1)P92鋼應變循環(huán)下表現(xiàn)出明顯的循環(huán)軟化現(xiàn)象以及應變速率敏感性。在反向卸載初始階段產生蠕變變形積累，而且隨著應變速率降低，蠕變變形增加。

(2)在對稱應變速率循環(huán)中，隨著應變速率的降低，循環(huán)軟化加速，疲勞壽命降低；然而，在非對稱應變速率循環(huán)中，慢-快加載工況下疲勞壽命最短，慢拉伸應變速率引起的蠕變損傷加速材料的弱化，導致壓縮平均應力對循環(huán)壽命的影響大于拉伸平均應力。

(3)應變速率不僅影響峰值應力，還影響滯回環(huán)的形狀，隨著拉伸應變速率的降低，滯回環(huán)的應變硬化系數(shù)減小，加快了材料的循環(huán)軟化進程。