小沖桿試樣蠕變?cè)囼?yàn)分析P91鋼缺口敏感度

張經(jīng)偉， 梁坤， 昝靜一， 林嘉銘， 劉康林

(福州大學(xué)石油化工學(xué)院， 福建 福州 350108)

0 引言

過去幾十年， 由于無法對(duì)在役設(shè)備進(jìn)行大面積取樣， 給材料性能測(cè)試帶來了很大的挑戰(zhàn). 為解決該問題， 微型試樣測(cè)試技術(shù)在發(fā)電及石油化工等行業(yè)得到了廣泛的發(fā)展[1-2]. 經(jīng)過許多研究人員的努力， 提出了小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)方法， 該方法采用微型試樣蠕變?cè)囼?yàn)來表征現(xiàn)役設(shè)備中所使用材料的蠕變特性[3-7]. 自1981年由Manahan 等引入小沖桿試驗(yàn)(small punch test, SPT)以來， SPT成為一種有前途的采用微型試樣的試驗(yàn)方法， 用于測(cè)試靜態(tài)、 斷裂和蠕變性能[8-10]. SPT是一種機(jī)械的實(shí)驗(yàn)方法， 將厚度為0.5 mm， 公差在±0.005 mm左右的正方形或圓形狀試樣安裝在夾具中， 球形壓頭壓至試樣破裂. 試樣尺寸小意味著SPT可以看作是一種對(duì)現(xiàn)役設(shè)備幾乎無損的試驗(yàn)[11-14].

隨著SPT的發(fā)展， 已開發(fā)適用于小型設(shè)備的歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)操作規(guī)范， 使用此規(guī)范進(jìn)行沖壓試驗(yàn)， 以獲得蠕變斷裂、 拉伸和韌性等材料性能[15-18]. 迄今為止， 大多數(shù)的研究都集中在利用完整的SPT試樣獲得材料性能參數(shù)以及關(guān)聯(lián)單軸試驗(yàn)獲得的材料性能參數(shù)， 得到對(duì)應(yīng)參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系[4, 15]. 但是對(duì)帶有預(yù)缺口的SPT試樣做小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)研究甚少.

目前， 大部分研究主要采用無缺口的試樣， 但也有少數(shù)研究者提出不同形式缺口試樣在小沖桿試驗(yàn)中的應(yīng)用. Lacalle等[12]提出缺口方向與試樣直徑方向一致， 缺口深度為試樣厚度的SPT試樣， 測(cè)定具有明顯各向異性斷裂行為材料的斷裂韌性； Cuesta等[19]提出缺口方向與試樣直徑方向一致、 缺口深度是SPT試樣厚度一半的試樣可以作為測(cè)定材料斷裂性能的一種替代方法； Turba等[20]提出的在預(yù)期頸縮位置， 深度為試樣厚度一半的圓形缺口試樣， 創(chuàng)建軸對(duì)稱應(yīng)力分布， 從而產(chǎn)生近平面應(yīng)變條件， 為斷裂韌性的估算提供比標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 不同缺口都有詳細(xì)的制備技術(shù)， 具體步驟參照文獻(xiàn)[10]. 以上研究工作主要集中在利用缺口SPT試樣研究材料斷裂性能， 尚未考慮此類型試樣對(duì)材料蠕變斷裂的影響. 本研究考察不同缺口長(zhǎng)度對(duì)SPT試樣蠕變斷裂的影響， 并探討不同斷缺口長(zhǎng)度的斷裂機(jī)理.

1 材料及試驗(yàn)過程

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為某火電廠高溫蒸汽管道用鋼P(yáng)91材料， 已經(jīng)在600 ℃高溫下服役了近1×105h， 其化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示. 通過與標(biāo)準(zhǔn)的P91材料對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求.

表1 P91鋼化學(xué)成分

P91鋼金相組織如圖1所示， 材料中有析出碳化物顆粒的球化. 隨碳化物顆粒的析出和長(zhǎng)大， 有明顯的軟化和強(qiáng)度降低現(xiàn)象. 材料硬度值為200.02 HV， 600 ℃下抗拉強(qiáng)度為248.85 MPa，

圖1 P91鋼金相組織Fig.1 P91 steel metallographic structure

不同長(zhǎng)度缺口試樣采用線切割機(jī)制備. 試樣如圖2所示， 試樣直徑d1=10 mm， 制備不同缺口長(zhǎng)度l=4.00、 4.50、 4.75、 5.00、 5.25 mm， 實(shí)際測(cè)量值如表2所示， 試樣直徑公差為0.01 mm， 厚度h=1.0 mm， 將試樣的上下兩面分別在400#、 800#、 1 000#、 1 200#、 1 500#、 2 000#不同粒度上的砂紙上依次進(jìn)行手工磨制， 磨制試樣厚度達(dá)到h0=0.5 mm， 厚度公差±0.005 mm， 再使用粒度為W2.5金剛石研磨膏， 進(jìn)行手工機(jī)械拋光， 拋光至鏡面即可.

圖2 小沖桿缺口試樣圖Fig.2 Schematic diagram of notch in SPT specimen

表2 試樣初始缺口尺寸

1.2 試驗(yàn)過程

小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)示意圖如圖3所示. 試驗(yàn)裝置在載荷控制模式下對(duì)試樣施加載荷， 光柵位移傳感器記錄試樣中心的撓度變化， 高精度測(cè)力傳感器控制加載系統(tǒng)， 溫控裝置控制試驗(yàn)溫度， 并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把所需的試驗(yàn)信息傳遞給計(jì)算機(jī)， 然后由計(jì)算機(jī)最終完成儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)的工作. 試樣通過上下壓模固定， 上下壓模由鎖緊螺母緊固， 試驗(yàn)載荷通過沖桿施加在陶瓷球上， 陶瓷球與試樣上表面接觸， 載荷通過陶瓷球再作用于試樣表面. 另外， 在升溫到目標(biāo)值之前， 用氬氣對(duì)試樣室進(jìn)行數(shù)次排空和沖洗并在整個(gè)試驗(yàn)過程中保持氬氣流通， 以避免試樣被氧化. 本試驗(yàn)溫度為600 ℃， 公差為±3 ℃， 試驗(yàn)載荷為500 N.

圖3 SPT示意圖Fig.3 Diagram of SPT

依據(jù)金屬材料的小沖桿實(shí)驗(yàn)方法CWA15627中B部分所描述利用掃描電子顯微鏡測(cè)量缺口試樣破裂后斷口的厚度， 取斷口厚度多次測(cè)量的平均值為斷口厚度， 確定每個(gè)試樣的有效斷裂應(yīng)變[21]為：

(1)

式中：εf表示有效斷裂應(yīng)變；h0為試樣原始厚度， mm；hf為試樣破裂后的厚度， mm.

2 結(jié)果與討論

2.1 缺口敏感度分析

不同缺口長(zhǎng)度的SPT試樣的時(shí)間-撓度曲線如圖4(a)所示， 為方便對(duì)比， 圖中加入了一個(gè)無缺口試樣結(jié)果. 從圖中可以看出無缺口試樣斷裂時(shí)間為104.5 h， 不同長(zhǎng)度缺口的試樣斷裂時(shí)間如表3所示. 由于無缺口試樣的斷裂時(shí)間相比有缺口的試樣斷裂時(shí)間較長(zhǎng)， 為方便比較不同缺口長(zhǎng)度試樣的斷裂情況， 將其結(jié)果單獨(dú)顯示于圖4(b)中.

圖4 SPT試樣(600 ℃， 500 N)撓度與時(shí)間曲線Fig.4 Relationship between deflection and time of different notched lengths in SPT specimen (600 ℃, 500 N)

對(duì)圖4(b)曲線進(jìn)行求導(dǎo)獲得撓度率曲線， 如圖5所示. 不同缺口試樣的撓度率-時(shí)間曲線主要分4個(gè)階段， 分別是： ① 瞬時(shí)變形階段， 試驗(yàn)剛開始加載2 h， 試驗(yàn)載荷加載至目標(biāo)的過程中， 試樣主要發(fā)生彈性變形， 撓度率隨著試驗(yàn)載荷的增大而增大， 不同長(zhǎng)度缺口試樣的瞬時(shí)撓度值有明顯不同， 如圖6所示， 由于在該階段試樣主要發(fā)生彈性變形， 因此此時(shí)的瞬時(shí)撓度值的大小主要與試樣的剛度有關(guān)， 不同缺口長(zhǎng)度使得試樣剛度不同， 進(jìn)而產(chǎn)生的瞬時(shí)撓度有所差異； ② 蠕變變形速率減小階段， 載荷達(dá)到目標(biāo)后， 保持恒定載荷后， 試樣主要發(fā)生塑性變形， 因載荷恒定撓度率直線下降； ③ 蠕變變形速率幾乎恒定階段， 隨著時(shí)間的推移， 試樣進(jìn)入穩(wěn)定的蠕變階段， 撓度率保持恒定， 該階段占整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間的主要部分， 不同試樣的撓度率會(huì)逐漸降低達(dá)到一個(gè)最小值(最小撓度率)， 該值越大， 試樣斷裂時(shí)間越小； ④ 蠕變變形速率增加階段， 隨著損傷的積累， 試樣開始產(chǎn)生裂紋等缺陷， 撓度率快速增大直到試樣發(fā)生斷裂.

圖5 不同長(zhǎng)度缺口SPT試樣撓度率-時(shí)間曲線Fig.5 Relationship between deflection rate and time of different notched lengths in SPT specimen

圖6 不同長(zhǎng)度缺口SPT試樣的撓度-時(shí)間曲線Fig.6 Relationship between deflection and time of different notched lengths in SPT specimen

從圖5中可以看出， 不同長(zhǎng)度缺口試樣撓度-撓度率曲線存在一個(gè)最小值， 該曲線局部放大如圖7所示， 不同長(zhǎng)度缺口試樣的最小撓度率大小及對(duì)應(yīng)的試樣缺口尺寸如表3所示， 從中可以看出l=4.50 mm試樣的最小撓度率最大， 這與該試樣的斷裂時(shí)間最小相對(duì)應(yīng). 不同長(zhǎng)度缺口試樣的斷裂撓度與缺口長(zhǎng)度關(guān)系如圖8所示， 對(duì)于SPT中有較短的蠕變壽命的缺口長(zhǎng)度l=4.50 mm的試樣發(fā)生破裂后， 其斷裂后的撓度值相比其他試樣較小， 這與該試樣斷裂時(shí)間最短相對(duì)應(yīng).

圖7 不同長(zhǎng)度缺口試樣SPT撓度與撓度率曲線圖Fig.7 Relationship between deflection and deflection rate of different notched lengths in SPT specimen

圖8 斷裂撓度與缺口長(zhǎng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between fracture deflection and notch length

表3 最小撓度率及斷裂時(shí)間

2.2 不同缺口試樣斷裂機(jī)理分析

在蠕變?cè)囼?yàn)過程中， 試樣承載過程示意如圖9所示[22]， 圖中A、 C部分試樣厚度變化較小， 圖中B部分試樣厚度隨著蠕變時(shí)間的進(jìn)行逐漸減小， SPT試樣斷裂時(shí)發(fā)生圖中B部分的試樣與壓球接觸邊緣處， 此處應(yīng)力應(yīng)變最大. 不同試樣的斷口形貌如圖10所示， 從圖中可以看出缺口長(zhǎng)度l=4.50 mm的試樣未在缺口長(zhǎng)度方向開裂， 而在缺口兩側(cè)處沿圓周向開裂， 缺口長(zhǎng)度l=4.00、 4.75、 5.00 mm的試樣同樣未在缺口長(zhǎng)度方向開裂， 缺口直邊部分出現(xiàn)裂紋， 以上試樣均產(chǎn)生粘連的圓形帽， 而缺口長(zhǎng)度l=5.25 mm的試樣斷裂時(shí)其裂紋沿缺口長(zhǎng)度方向開裂， 未產(chǎn)生粘連的圓形帽， 斷裂后在缺口直邊部分發(fā)現(xiàn)裂紋. 在相同載荷條件下， 缺口長(zhǎng)度l=5.25 mm的試樣在缺口長(zhǎng)度所受應(yīng)力小于試樣與壓球接觸邊緣處應(yīng)力， 在其沿缺口長(zhǎng)度方向開裂時(shí)， 因所受應(yīng)力小， 所以得到比較長(zhǎng)的斷裂時(shí)間. 這與圖10中試樣斷口觀察到的現(xiàn)象一致.

圖9 SPT錐體模型示意圖[22]Fig.9 Schematic diagram of cone model in SPT[22]

圖10 缺口試樣的斷裂模式及斷口形貌Fig.10 Fracture mode and fracture morphology of notched specimens

此外， 上述試樣斷口具有帽狀外觀， 產(chǎn)生主環(huán)向裂紋， 這表明該材料具有很高的延展性， 不同缺口長(zhǎng)度試樣的斷裂表面均表現(xiàn)為沿晶間斷裂的跡象. 斷裂表面出現(xiàn)細(xì)小的徑向裂紋， 這表明當(dāng)壓球完全穿透試樣時(shí)， 試樣由于蠕變延性耗盡而發(fā)生斷裂.

采用電子掃描電鏡多次測(cè)量斷口相鄰區(qū)域的厚度取平均值， 不同長(zhǎng)度缺口試樣斷裂后的斷口厚度如表4所示. 通過公式(1)計(jì)算獲得不同長(zhǎng)度缺口試樣的等效斷裂應(yīng)變?nèi)鐖D11所示， 從圖中可以看出， 等效斷裂應(yīng)變的變化趨勢(shì)與不同缺口試樣壽命趨勢(shì)(表3)一致， 這表明試樣斷裂時(shí)主要是由于延性耗竭發(fā)生斷裂.

表4 不同缺口長(zhǎng)度試樣的斷口厚度

圖11 缺口長(zhǎng)度與等效斷裂應(yīng)變關(guān)系Fig.11 Relationship between notch length and equivalent fracture strain

3 結(jié)語

以已服役的P91鋼材料為研究對(duì)象， 分析不同長(zhǎng)度缺口對(duì)試樣蠕變斷裂壽命及斷裂方式的影響， 主要結(jié)論如下.

1) 相比未開缺口試樣， 有缺口試樣的斷裂時(shí)間較短， 且缺口長(zhǎng)度對(duì)斷裂時(shí)間的影響與缺口長(zhǎng)度有關(guān)，l=4.50 mm缺口試樣蠕變斷裂時(shí)間最短，l=5.25 mm缺口試樣蠕變斷裂時(shí)間最長(zhǎng).

2) 不同長(zhǎng)度缺口試樣的斷裂方式不同， 主要與裂紋起裂位置有關(guān).l=4.50 mm的試樣裂紋沿圓周向開裂，l=5.25 mm的試樣裂紋沿缺口長(zhǎng)度方向開裂， 而l=4.00、 4.75、 5.00 mm的試樣均表現(xiàn)出在缺口直邊部分出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致斷裂.