低合金Q420D鋼蠕變損傷研究

朱 軍 盛冬發

（西南林業大學，云南 昆明 650224）

0 引言

低合金Q420D鋼是在含碳量為0.18%左右的碳素鋼基礎上，通過加入少量的合金元素鍛造而成的，其具有良好的塑性、耐腐蝕性和冷熱壓力加工性能［1］。Q420D結構鋼主要用于橋梁、大型船舶、起重機械、石油平臺及其他大型焊接結構件中［2］。在常溫條件下，承重鋼材的鋼結構蠕變變形隨時間的變化幾乎可以忽略不計。但在高溫條件下，鋼結構的蠕變變形隨時間的變化是比較顯著的。

為了能更好地描述Q420D鋼在高溫條件下蠕變變形的變化情況。在750℃和800℃條件下，對Q420D鋼進行高溫蠕變試驗，利用K-R蠕變損傷模型［3］和雙曲正弦蠕變損傷模型［4］來探討Q420D鋼在750℃和800℃時的蠕變損傷規律。

1 高溫蠕變試驗

1.1 試驗材料與方法

本研究選用熱軋低合金Q420D鋼圓柱作為高溫蠕變的試驗材料，其尺寸符合標準GB/T 228.2—2015中的相關規定［5］。本研究以E45-305微機控制電子萬能試驗機作為高溫蠕變試驗儀器，進行穩態高溫蠕變拉伸試驗。高溫蠕變試驗方法要符合GB/T 2039—2012中的相關要求［6］。低合金Q420D鋼的化學成分見表1，Q420D鋼在750℃、800℃環境中的力學性能見表2。

表1 低合金Q420D鋼的化學成分

表2 低合金Q420D鋼的高溫力學性能

1.2 蠕變試驗結果

低合金Q420D鋼在750℃、800℃高溫下的蠕變曲線見圖1。其中，“⊕”為蠕變曲線第二階段和第三階段的大致分界處。在圖1中，“Q-750-0.65”中Q為Q420D鋼、750表示試驗溫度為750℃、0.65為Q420D鋼的試驗應力與該溫度下鋼材屈服應力的比值。

圖1 低合金Q420D鋼高溫蠕變曲線

2 蠕變損傷理論模型

2.1 K-R蠕變損傷模型

1929年，Norton首先提出關于蠕變率和應力關系的Norton方程，見式（1）。

式中：ε′cr為蠕變應變速率；σ為試驗應力；B和n為材料常數。

Kachanov在式（1）的基礎上引入損傷變量D，隨后Rabotnov將損傷變量D與應力進行結合，從而形成經典的Kachanov-Rabotnov蠕變損傷模型（簡稱K-R蠕變損傷模型），見式（2）和式（3）。

式中：D為損傷因子；A和K為蠕變第三階段損傷常數。

當蠕變進行到第二階段時，損傷因子D=0，則結果見式（4）。

將式（3）進行積分，可得式（5）。

當D=1時，材料被破壞，則由式（5）可得式（6）。

式中：tr為蠕變時材料破壞時間。

由式（5）、式（6）可得式（7）。

將式（4）代入式（2）后，積分可得蠕變應變與時間的關系式，見式（8）。

式中：εcr為蠕變應變。

K-R損傷模型常數的確定。為了得到常數B和n，利用試驗數據對公式（4）進行擬合。

由試驗數據通過式（6）擬合得到損傷常數A和K。750℃、800℃下K-R損傷模型的擬合常數見表3。

表3 不同溫度下K-R損傷模型常數

2.2 雙曲正弦蠕變損傷模型

損傷模型的蠕變應變速率和蠕變損傷方程見式（9）和式（10）。

式中：A和σs為第二階段蠕變常數；M、λ、φ、σt和χ為材料常數。

材料常數λ可由式（11）求得。

式中：ε′final為材料斷裂時的蠕變應變率；ε′min為最小蠕變應變率。

一般認為，在蠕變的第一階段和第二階段時，材料沒有發生損傷，即D=0，代入式（7）中，可得式（12）。

通過試驗數據對該式進行擬合，可得常數A和σs。

對式（9）進行整理得式（13）。

對式（10）進行積分，取t0=0，初始損失為D0=0，可得式（14）和式（15）。

雙曲正弦損傷模型常數確定。為了得到常數A和σs，利用試驗數據對式（11）進行擬合。其中，M和σt由式（13）、φ由式（11）和式（12）通過試驗數據擬合求得。750℃、800℃下的雙曲正弦損傷模型擬合常數見表4。

表4 不同溫度下雙曲正弦損傷模型常數

3 K-R損傷模型與Sinh損傷模型的比較

3.1 蠕變損傷對比

由式（5）、式（14）分別計算出低合金Q420D鋼的K-R損傷模型與Sinh損傷模型的蠕變損傷演化過程，并對其進行比較。損傷演化對照組選取溫度為750℃、應力為28.52 MPa，以及溫度為800℃、應力為17.46 MPa。歸一化的損傷演化對比見圖2。

由圖2可以看出，在溫度為750℃、應力為28.52 MPa和溫度為800℃、應力為17.46 MPa兩組試驗條件下，材料蠕變斷裂時的損傷變量在0.9左右，并沒有達到1，即K-R蠕變模型無法完全計算出材料損傷時的蠕變行為。而Sinh蠕變可完整地計算出損傷變量從0到1的演化過程。因此，在實際的工程應用中，K-R蠕變模型的損傷計算結果與實際不符，而Sinh蠕變模型與實際情況相符合。

圖2 Q420D鋼的蠕變損傷演化曲線

3.2 蠕變壽命對比

根據式（6）和式（15）分別計算出K-R蠕變模型、Sinh蠕變模型對蠕變壽命的預測時間，并與試驗實際數據進行對比，如表5所示。

由表5可知，K-R蠕變模型和Sinh蠕變模型的壽命預測都比較接近實際試驗數據，但還存在一定的誤差，不過誤差是在可控范圍內的。

表5 Q420D鋼的蠕變模型壽命預測

由表6可知，K-R蠕變模型產生的誤差比Sinh蠕變模型產生的誤差要小，說明K-R蠕變模型能更好地預測Q420D鋼的蠕變壽命。

表6 Q420D鋼的蠕變模型壽命預測累積誤差

4 結語

本研究采用K-R蠕變損傷模型對Q420D鋼材的損傷因子進行表述，可以看出K-R蠕變損傷模型不能完全地表述Q420D鋼材的損傷因子從0到1的演化過程，而雙曲正弦蠕變損傷模型能很好地表述Q420D鋼材的損傷因子從0到1的演化過程。在使用K-R蠕變損傷模型和雙曲正弦蠕變損傷模型來預測蠕變壽命時，二者都能很好地預測Q420D鋼材的蠕變壽命，但是K-R蠕變損傷模型對Q420D鋼材蠕變壽命的預測比雙曲正弦蠕變損傷模型更加準確。