9%～12%Cr馬氏體鋼蠕變-疲勞壽命 的影響因素研究

戴 晨, 紀(jì)冬梅, 吳臻茂, 郭恒超, 孫 權(quán), 陳家佳

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

目前,世界各地對能源的需求量很大,因此提高火電廠蒸汽的壓力和溫度對提高熱效率具有重大意義[1]。傳統(tǒng)的低負(fù)荷的火力發(fā)電已經(jīng)不能滿足當(dāng)今的能源需求,如今的火電廠都紛紛開始往高溫高壓的(超)超臨界火電廠發(fā)展,(超)超臨界火電廠的運(yùn)行溫度高達(dá)600 ℃以上,蒸汽壓力高達(dá)30 MPa[2],傳統(tǒng)的奧氏體鋼材不能承受如此高的負(fù)荷。含9%～12%Cr的馬氏體鋼因其比傳統(tǒng)的奧氏體鋼具有更高抗氧化性和抗疲勞性而廣泛應(yīng)用于(超)超臨界火力發(fā)電廠的高溫結(jié)構(gòu)中[3]。9%～12%Cr馬氏體鋼包含P91鋼、P92鋼、P122鋼及X12CrMoWVNbN10-1-1鋼等一系列高鉻耐熱合金鋼。日本在P91鋼的基礎(chǔ)上開發(fā)出了一種具有優(yōu)異高溫蠕變性能的NF616鋼,后納入美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(ASTM),稱為P92鋼[4],P92鋼的抗熱疲勞性、熱傳導(dǎo)系數(shù)、抗腐蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于其他9%Cr的鐵素體耐熱鋼[5]。X12CrMoWVNbN10-1-1耐熱鋼是20世紀(jì)80年代歐洲在X21CrMoV12-1鋼的基礎(chǔ)上,通過添加 Nb,N,W元素,并調(diào)整其強(qiáng)化元素的含量開發(fā)出的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用鋼,因其在600 ℃下具有較高的熱強(qiáng)性、耐腐蝕性、抗氧化性以及焊接性能而廣泛用于制作超超臨界汽輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)子和燃?xì)廨啓C(jī)渦輪盤大鍛件[6]。

近年來,國內(nèi)外對9%～12%Cr馬氏體鋼進(jìn)行了大量的蠕變-疲勞交互作用試驗(yàn)(以下簡稱“蠕變-疲勞試驗(yàn)”)來研究其蠕變-疲勞損傷特性以及影響其蠕變-疲勞壽命(以下簡稱“疲勞壽命”)的因素。文獻(xiàn)[7]分別在550 ℃,600 ℃,650 ℃下對P91鋼和P122鋼進(jìn)行了純?nèi)渥冊囼?yàn)以及應(yīng)變控制下的蠕變-疲勞試驗(yàn),研究表明,P91鋼和P122鋼的疲勞壽命均隨著保載時(shí)間的增加而減少。文獻(xiàn)[8]在600 ℃下采用應(yīng)變控制加載模式對P91鋼進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)與蠕變-疲勞試驗(yàn),研究發(fā)現(xiàn),保載時(shí)間越長,疲勞壽命越短。文獻(xiàn)[9]在600 ℃下對X12CrMoWVNbN10-1-1鋼進(jìn)行了不同保載時(shí)間的棘輪應(yīng)變研究,并利用滯彈性弛豫現(xiàn)象提出了相應(yīng)的本構(gòu)模型,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)高位保載時(shí)間較短時(shí),失效主要是由疲勞損傷導(dǎo)致,而當(dāng)保載時(shí)間較長時(shí),失效主要是由蠕變及蠕變-疲勞交互作用導(dǎo)致。文獻(xiàn)[10]提出了含損傷相關(guān)項(xiàng)的粘彈性本構(gòu)模型來描述蠕變-疲勞損傷積累,研究了不同保載時(shí)間對蠕變疲勞損傷的影響。文獻(xiàn)[11]引用了材料范圍覆蓋更寬的現(xiàn)象學(xué)及裂紋萌生的壽命預(yù)估模型來研究X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的蠕變-疲勞損傷。

前人針對9%～12%馬氏體鋼開展了大量的試驗(yàn)研究和壽命預(yù)測模型。這些研究對于保障發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行提供了重要的數(shù)據(jù)和理論支撐。為了未來電廠的安全運(yùn)行,更需要去研究影響高鉻鐵素體鋼的蠕變損傷和疲勞壽命的影響因素。本文對P92鋼在600 ℃下、X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在620 ℃下以及P91鋼在575 ℃下進(jìn)行了蠕變-疲勞試驗(yàn),并通過改變保載時(shí)間和應(yīng)力比得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來研究9%～12%Cr馬氏體鋼疲勞壽命的影響因素。

1 9%～12%Cr馬氏體鋼蠕變-疲勞試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

1.1 試驗(yàn)材料

P92鋼在600 ℃下、X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在620 ℃下以及P91鋼在575 ℃下的蠕變-疲勞試驗(yàn)的詳細(xì)信息分別見文獻(xiàn)[12-14]中試驗(yàn)材料分為P91母材和P91焊材。

9%～12%Cr馬氏體鋼包含的主要材料的化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分

1.2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

P91鋼、P92鋼和X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的蠕變-疲勞試驗(yàn)都是在應(yīng)力控制下進(jìn)行的,采用拉-拉梯形波的加/卸載波形進(jìn)行軸向循環(huán)加載,直至試樣斷裂。試驗(yàn)的溫度梯度為±3 K,應(yīng)力的加/卸載速率恒為3 MPa/s;當(dāng)應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)進(jìn)行高位保載。蠕變-疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 蠕變-疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

蠕變-疲勞試驗(yàn)加載波形如圖1所示。圖1中,σ為應(yīng)力,t為時(shí)間,σmax為最大應(yīng)力,σmin為最小應(yīng)力,R為最大應(yīng)力與最小應(yīng)力的比值,tu1為一次循環(huán)中從最大應(yīng)力卸載至最小應(yīng)力時(shí)所用的時(shí)間,th1為應(yīng)力達(dá)到最小值時(shí)的低位保載時(shí)間(可忽略不計(jì)),t1為一次循環(huán)中從最小應(yīng)力加載至最大應(yīng)力時(shí)所用的時(shí)間,th為應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)的高位保載時(shí)間,f為加/卸載頻率,T為試驗(yàn)溫度。

圖1 蠕變-疲勞試驗(yàn)加載波形

2 9%～12%Cr馬氏體鋼蠕變-疲勞壽命的影響因素

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),溫度、最大應(yīng)力、應(yīng)力比、保載時(shí)間是試驗(yàn)材料疲勞壽命的影響因素。

2.1 保載時(shí)間

P92鋼在600 ℃下、X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在620 ℃下、P91鋼在575 ℃下的疲勞壽命與保載時(shí)間關(guān)系擬合曲線如圖2所示。

圖2 疲勞壽命與保載時(shí)間關(guān)系擬合曲線

由圖2可知,P92鋼、X12CrMoWVNbN10-1-1鋼疲勞壽命與保載時(shí)間關(guān)系的擬合曲線非常相似,當(dāng)保載時(shí)間較短(小于等于1 h)時(shí),疲勞壽命均隨著保載時(shí)間的增加而減少,但當(dāng)保載時(shí)間增大到一定值(1.5 h)時(shí),保載時(shí)間對疲勞壽命幾乎不產(chǎn)生影響。

這與前文中其他文獻(xiàn)描述的保載時(shí)間對壽命影響的一般性規(guī)律一致,保載時(shí)間代表的蠕變因素加速了疲勞損傷,保載時(shí)間越長,疲勞壽命越短。根據(jù)N-S曲線(即一定循環(huán)特征下標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞強(qiáng)度與疲勞壽命之間關(guān)系的曲線,也稱應(yīng)力-壽命曲線)表現(xiàn)出的規(guī)律顯示,疲勞壽命隨應(yīng)力的增大而減小,但當(dāng)應(yīng)力增大到極限值時(shí),應(yīng)力對材料壽命影響幾乎不產(chǎn)生影響[15]。保載時(shí)間對壽命的影響規(guī)律與N-S曲線一致。于是可以假設(shè)兩種材料蠕變-疲勞試驗(yàn)下的疲勞壽命Nf與高位保載時(shí)間th存在如下的關(guān)系式

(1)

式中:α,A——材料的物性參數(shù)。

利用表2中數(shù)據(jù),用式(1)進(jìn)行擬合,結(jié)果如表3所示。

表3 擬合出的參數(shù)結(jié)果

2.2 應(yīng)力比

由于575 ℃下P91鋼進(jìn)行的蠕變-疲勞試驗(yàn)中應(yīng)力比保持不變,無法看出應(yīng)力比對疲勞壽命的影響,因此取P92鋼和X12CrMoWVNbN10-1-1鋼蠕變-疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,P92鋼的數(shù)據(jù)點(diǎn)用空心點(diǎn)表示,X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的數(shù)據(jù)點(diǎn)用實(shí)心點(diǎn)表示,兩種材料疲勞壽命與應(yīng)力比之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 疲勞壽命與應(yīng)力比之間的關(guān)系

由圖3可以看出,P92鋼和X12CrMoWVNbN10-1-1鋼疲勞壽命與應(yīng)力比的關(guān)系非常相似。當(dāng)保載時(shí)間相同時(shí),疲勞壽命均與應(yīng)力比成反比,但應(yīng)力比對于疲勞壽命的影響并不大,且隨保載時(shí)間的增加,應(yīng)力比對疲勞壽命的影響逐漸減弱,當(dāng)保載時(shí)間達(dá)到1.5 h時(shí),疲勞壽命均保持穩(wěn)定值?？梢?當(dāng)保載時(shí)間較大時(shí),疲勞壽命逐漸趨于穩(wěn)定,此時(shí)應(yīng)力比對P92鋼和X12CrMoWVNbN10-1-1鋼疲勞壽命的影響可以忽略不計(jì)。

根據(jù)以上的分析可知,當(dāng)保載時(shí)間足夠長時(shí),試驗(yàn)材料的疲勞壽命與保載時(shí)間以及應(yīng)力比的關(guān)系不大。這與N-S曲線的規(guī)律非常相似。X12CrMoWVNbN10-1-1鋼的Cr,Mn,Mo含量明顯高于P92鋼,在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中,增加Cr,Mn,Mo的含量能顯著提高鋼材的強(qiáng)度、硬度、韌性、耐磨性,又能提高鋼的抗氧化性、耐腐蝕性、熱強(qiáng)性以及抗蠕變能力。因此,本文中的X12CrMoWVNbN10-1-1鋼無論是強(qiáng)度還是抗蠕變性能都要優(yōu)于P92鋼。但由圖2發(fā)現(xiàn),620 ℃下X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在最大應(yīng)力為274 MPa時(shí)的疲勞壽命,相較于600 ℃下P92鋼最大應(yīng)力為180 MPa時(shí)的疲勞壽命明顯更短:而同樣是575 ℃下并且應(yīng)力比都為0.15時(shí),最大應(yīng)力為250 MPa的P91鋼比最大應(yīng)力為260 MPa的P91鋼的疲勞壽命相對更短,但減少的幅度不大。這就表示最大應(yīng)力和溫度對P92鋼、X12CrMoWVNbN10-1-1鋼和P91鋼蠕變-疲勞交互作用下的疲勞壽命的影響非常之大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了保載時(shí)間和應(yīng)力比的影響程度。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)P92鋼在600 ℃下,X12CrMoWVNbN1 0-1-1鋼在620 ℃下以及P91鋼在575 ℃下通過改變保載時(shí)間和應(yīng)力比進(jìn)行的應(yīng)力控制下的蠕變-疲勞試驗(yàn)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù),來研究9%～12%Cr馬氏體鋼疲勞壽命的影響因素,得到如下結(jié)論。

(1) 當(dāng)保載時(shí)間較短(小于等于1.0 h)時(shí),疲勞壽命隨著保載時(shí)間的增大而減小,但當(dāng)保載時(shí)間高達(dá)一定值(1.5 h)時(shí),保載時(shí)間對疲勞壽命幾乎不產(chǎn)生影響。

(2) 疲勞壽命均與應(yīng)力比成反比,但應(yīng)力比對于疲勞壽命的影響不大,且隨保載時(shí)間的增加,應(yīng)力比對疲勞壽命的影響逐漸減弱,當(dāng)保載時(shí)間達(dá)到1.5 h時(shí),各應(yīng)力比下的疲勞壽命均保持穩(wěn)定值。

(3) X12CrMoWVNbN10-1-1鋼在620 ℃時(shí)的疲勞壽命比P92鋼在600 ℃時(shí)的疲勞壽命相對更短;而溫度和應(yīng)力比相同時(shí),最大應(yīng)力為250 MPa的P91鋼的疲勞壽命比最大應(yīng)力為260 MPa的P91鋼的疲勞壽命相對更短。因此,溫度和最大應(yīng)力是影響9%～12%Cr馬氏體鋼疲勞壽命的最主要因素。