分享：P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性

肖永健1,王 勇2,井新经2 (1.华电内蒙能源有限公司土默特发电分公司,包头 014100;2.西安热工研究院有限公司,西安 710054) 

摘 要:在不同温度(500~675℃)和不同应变速率(5×10 -6~1×10 -4s -1)下对P92钢进行了 单周期应变控制蠕变疲劳试验,研究了该钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性,并建立相应 的本构方程对其循环过程进行描述。结果表明:在保载阶段 P92钢出现明显的应力松弛现象,当 温度为500~650 ℃时,应力下降率相差较小,而当温度为675 ℃时,随着应变速率的增加,应力下 降率增大;除675 ℃,1×10 -5s -1 条件外,用由幂函数推导出的应力松弛模型模拟得到真应力和应 力松弛值随保载时间的变化曲线与试验结果相吻合,相对误差小于4.28%。在加载和卸载阶段, 在应变速率一定条件下,当温度不高于550 ℃时,温度对应力变化率的影响可以忽略,而当温度高 于550 ℃时,温度的影响较大,当试验温度相同时,应变速率的影响不大;用 Ramberg-Ostgood模 型模拟得到真应力-真应变曲线和真应力-时间曲线与试验结果吻合,相对误差小于10.37%。 

关键词:蠕变-疲劳交互作用;初始循环;P92钢;应力松弛 中图分类号:TG113.25;TH140.7 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)05-0088-07 

试验材 料 为 Wyman-Gorden公 司 生 产 的 内 径 914mm、壁厚50mm 的高温再热蒸汽管道用 ASME SA-1017M P92 钢 管,其 热 处 理 工 艺 为 1065℃× 1.25h正火后风冷+776℃×2.5h回火后空冷,化学 成分和拉伸性能分别列于表1和表2中。 表1 P92钢的化学成分 Table1 ChemicalcompositionofP92steel % 项目 质量分数 Fe C Si Mn P S Cr Mo V W Al Nb Ni 测试值 余 0.11 0.13 0.49 0.017 0.002 8.88 0.49 0.19 1.59 0.007 0.056 0.23 标准值 余 0.07~0.13 ≤0.5 0.3~0.6 ≤0.02 ≤0.01 8.50~9.50 0.3~0.6 0.15~0.25 1.5~2.0 ≤0.04 0.04~0.09 ≤0.40 图1 蠕变疲劳试样的尺寸 Fig.1 Dimensionofcreep-fatiguesample 表2 P92钢的准静态拉伸性能 Table2 Quasi-statictensilepropertiesofP92steel 温度/K 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 断后伸长率/% 293 680 520 21 873 305 297 24 在试验材料上截取如图1所示的圆柱形蠕变疲 劳试样,根据 GB/T26077、ASTME606和ISO12106 的要求,在 MTS370.10型液压伺服驱动疲劳试验系 统上对 P92钢进行不同温度下的单周应变控制蠕 变疲劳试验,具体试验参数如表3所示,即应变以一 定的应 变 速 率 加 载 至 0.5% 后 保 载 1h,再 以 相 同的应变速率卸载。在试验过程中,轴向应变由一 表3 应变控制下 P92钢的蠕变疲劳试验参数 Table3 Creep-fatiguetestparametersofP92steel understraincontrol 试验温度/℃ 应变速率/s -1 最大应变/% 保载时间/h 500 1×10 -3 0.5 1 500 1×10 -4 0.5 1 550 1×10 -4 0.5 1 600 1×10 -4 0.5 1 600 1×10 -5 0.5 1 650 1×10 -5 0.5 1 675 1×10 -5 0.5 1 675 5×10 -6 0.5 1 89 肖永健,等:P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性 个夹式动态高温引伸计测量,应力由测压元件监测 的载荷响应得到。

 2 试验结果与讨论

 2.1 循环应力-应变曲线 

在500℃,1×10 -3s -1 以及600℃,1×10 -4s -1 条件下试样在加载2s后即发生断裂,这与加载速 率和加载温度失配有关,温度越高,材料所能承受的 加载速率越小,因此不对这2种条件下的试验结果 进行分析。在675 ℃,1×10 -5s -1 条件下,试样在 卸载5min后发生了断裂。由图2可以看出:不同 试验温度和应变速率下试样的真应力-真应变滞回 曲线基本相同,在保载期内均出现应力松弛现象;在 真 应变一定的条件下,真应力随试验温度的升高而 图2 不同试验温度和应变速率下 P92钢的循环应力-应变曲线 Fig.2 Cyclicstress-straincurvesofP92steelatdifferenttest temperaturesandstrainrates 减小,随应变速率的减小而减小,说明试验温度和 应变速率对循环应力-应变曲线的影响较大。温度 越高,蠕变疲劳循环的非弹性应变占比越大,而非 弹性应变范围越大,表明不可恢复的应变越大,其 蠕变疲劳 寿 命 也 越 短。加 载 速 率 越 快,达 到 最 大 应变所用的载荷越大,在足够的保载时间内,应力 松弛发生得越充分,造成损伤越大,蠕变疲劳寿命 越短[20]。 

 应变控制下 P92钢蠕变疲劳试验加载阶段的 真应力-真应变曲线在初始阶段是线性相关的,当真 应变达到约0.16%后真应力-真应变曲线呈非线性 相关。当应变以恒定速率增加时,可以假定在应力 恒定增加的部分中产生的应变是弹性应变。当真应 变达到约0.16%时,P92钢开始发生软化,且弹性应 变约占加载期间总应变的30%。弹性变形阶段曲 线的斜率为 P92钢的弹性模量,由图6可以看出: 试验温度越高,P92钢的初始弹性模量越小,应变速 率对其影响较小;初始加载阶段的弹性模量下降幅 度较大,随后下降幅度降低,且随着试验温度的升 高,弹性模量的下降幅度变大,刚度降低程度增大, 即材料抵抗变形能力降低,说明 P92钢的承载能力 变差。 

3 本构模型的建立与试验验证 

在保载阶段,真应力与应力松弛值均与保载时 图6 不同试验温度和应变速率下 P92钢的弹性模量随时间的 变化曲线 Fig.6 CurvesofelasticmodulusofP92steelvstimeatdifferent testtemperaturesandstrainrates 间呈幂函数关系,可知 P92钢的应力松弛模型为 σt =a0t b0 (1) Δσ=a1t b1 (2) 式中:σt 为保载阶段t时间的真应力;t为保载阶段 的时间;Δσ为应力松弛值,即保载期间最大应力与 应力的差值;a0,b0,a1,b1 均为取决于温度和应变 91 肖永健,等:P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性 速率的参数,可由试验数据拟合得到。 应力松弛模型的拟合曲线如图7所示,模型参 数如表4所示。由图7可知,除675℃,1×10 -5s -1 条件下因过高的温度和较大的加载速率而导致模拟 结果误差较大外,其他条件下的模拟结果与试验结 果均吻合较好,相对误差小于4.28%。 图7 模型计算得到不同试验温度和应变速率下 P92钢在保载阶段的真应力和应力松弛值随保载时间的变化曲线与试验结果的对比 Fig 7 Comparisonofcurvesoftruestress a andstressrelaxationvalue b vstimeduringloadretentionstageofP92steelatdifferent testtemperaturesandstrainratescalculatedbymodelwithtestresults 表4 不同试验温度和应变速率下 P92钢在保载阶段的 应力松弛模型参数 Table4 Parametersofstressrelaxation modelduringload retention stage of P92 steel at different test temperaturesandstrainrates 温度/ ℃ 应变速率/ s -1 a0 b0 a1 b1 500 1×10 -4 313.10 -0.07813 148.5068 0.3711 550 1×10 -4 270.90 -0.10380 187.0294 0.3692 600 1×10 -5 261.50 -0.09977 164.5341 0.3950 650 1×10 -5 192.23 -0.13770 189.8516 0.3289 675 1×10 -5 83.48 -0.26770 300.3063 0.3705 675 5×10 -6 193.90 -0.11360 150.9867 0.3479 Ramberg-Ostgood模型是以 3 个参数描述材 料没有明显屈服点的非线性应力与应变关系[17],因 此加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和真应力时间 曲 线 可 用 Ramberg-Ostgood 模 型 进 行 描 述。 加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线模型表达式 分别为 ε= σ E +ε0 σ σ0 n (3) ε= σ+σ1 E +ε0 σ+σ1 σ0 n (4) 式中:ε为真应变;σ 为真应力;E 为弹性模量;ε0, σ0,n,σ1 为拟合参数。 加载和卸载阶段的真应力-时间曲线模型表达 式分别为 t= σ E' +ε'0 σ σ'0 n' (5) t= σ+σ'1 E' +ε'0 σ+σ'1 σ'0 n' (6) 式中:t为时间;E',ε'0,σ'0,n',σ'1 为拟合参数。 拟合试验数据得到不同试验温度和应变速率下 P92钢在加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和 真应力-时间曲线,如图8所示,相应的模型参数如 表5和表6所示。由图8以及表5和表6可以看 出:加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和真应 力-时间曲线模拟结果与试验结果均吻合较好,相对 误差小于10.37%;E 和E'的绝对值随着温度的提 高逐渐减小,而应变速率对其无明显影响,验证了 P92钢的蠕变疲劳性能随温度的升高而降低。 表5 不同试验温度和应变速率下 P92钢在加载阶段的 Ramberg- 肖永健,等:P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性 表6 不同试验温度和应变速率下 P92钢在卸载阶段的 Ramberg- calculatedbymodelwithtestresults

来源：材料与测试网