304H 焊接接頭高溫蠕變疲勞行為研究及壽命預測*

張力文，高珍鵬

（1 西安航空職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安710089；2 洛陽船舶研究所，河南洛陽471023）

在高溫高壓下服役的焊接構(gòu)件不可避免地會產(chǎn)生與時間、應力、以及溫度有關(guān)的蠕變行為，當應力到達到材料的蠕變極限時，會發(fā)生蠕變斷裂失效，同時加上壓力、溫度變化引起的應力波動帶來的疲勞，會產(chǎn)生高溫蠕變疲勞失效問題，進一步降低了在服役工況下產(chǎn)品的壽命。在常規(guī)的設(shè)計中，對于結(jié)構(gòu)應力的校核都是依據(jù)材料在服役溫度下的許用應力進行的［1-2］。采用常規(guī)設(shè)計的方法對于這種高溫蠕變壽命耗損還無法預期，影響了產(chǎn)品可靠性。因此，有必要建立焊縫在高溫下的蠕變疲勞公式來指導實際工程應用。許多文獻［3-5］已經(jīng)描述了高溫下有關(guān)母材的蠕變疲勞公式的計算方法，這些計算方法都是建立在高溫疲勞試驗的基礎(chǔ)之上。借鑒母材高溫蠕變疲勞試驗方案，通過焊件在高溫下的疲勞試驗，文章采用延性耗竭法推導出了304H 焊接接頭高溫蠕變疲勞預估式，為高溫變載荷下設(shè)備的安全運行提供理論指導。

1 試驗方法

本試驗選用的對接焊試樣材料為35mm 厚的不銹鋼304H 板材，填充金屬為ER308H-16，材料的化學成分見表1。采用電弧焊進行多道焊接，焊接方向與母材軋制方向垂直，坡口采用雙面U 形［6］。焊后垂直于焊縫方向進行線切割，再機加工成如圖1 所示尺寸試樣［7］。本次試驗采用MTS370-250kN 電液伺服疲勞機，試驗溫度680℃，保載時間5min, 加載方式為應力控制的梯形波加載［8］，試驗設(shè)計參數(shù)見表2。通過兩個熱電偶測量試樣標距段的溫度，控制精度±3℃。通過監(jiān)測程序MTSFlexTest4.0 記錄試樣數(shù)據(jù)，根據(jù) GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗力法》采用螺紋夾緊法［9］。

圖1 試樣尺寸Fig.1 Specimen size

表1 奧氏體不銹鋼母材304H 及焊材E308H-16 化學成分Table 1 Chemical composition of 304H base metal and ER308H-16 weld metal

表2 試驗參數(shù)Table 2 Test parameters

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 應力幅-平均應力-循環(huán)周次的關(guān)系

圖2 為應力幅- 平均應力- 壽命關(guān)系曲線圖。應力幅 aσ 等于最大應力σmax與最小應力σmin之差的一半，即平均應力 σm等于最大應力σmax與最 小應力σmin之和的一半，即平均應力值列于數(shù)據(jù)點的右邊。該圖是在固定循環(huán)最大應力σmax、改變最小應力σmin得到的曲線壽命圖，應力幅- 平均應力- 壽命關(guān)系曲線呈現(xiàn)出反C 型特型，在應力幅與平均應力相等時出現(xiàn)壽命拐點，且當應力幅 aσ等于平均應力 mσ 時，蠕變疲勞失效壽命達到最大。由圖2 分析可知，當應力幅 aσ 增大，平均應力逐漸減小時，意味著疲勞對材料損傷的作用增強，蠕變損傷作用較弱，蠕變疲勞斷裂壽命是降低的；當應力幅達到一定的臨界應力后，也就是應力幅與平均應力相等時即壽命拐點，隨著應力幅的減小，平均應力的增大，應力幅對材料造成的損傷作用降低，平均應力對材料的損傷作用持續(xù)的增大，材料的損傷主要表現(xiàn)為蠕變損傷。而且在拐點附近，失效壽命降低比較劇烈，這是由于在此區(qū)域內(nèi)疲勞與蠕變呈現(xiàn)出激烈的交互作用對材料造成較大的損傷。

圖2 應力幅-平均應力-循環(huán)周次的關(guān)系圖Fig. 2 Relationship between stress amplitude, mean stress and cyclic cycles

2.2 304H 對接焊蠕變疲勞循環(huán)塑性累積應變

在應力控制下的高溫蠕變疲勞循環(huán)試驗過程中，不僅在加載階段產(chǎn)生的不可逆塑性變形會造成材料塑性累積損傷，而且高溫下在保載時間段還會產(chǎn)生與應力、時間相關(guān)的蠕變變形（靜蠕變），此時循環(huán)過程中不同應力水平下的遲滯回線一般是不穩(wěn)定且不封閉的，應力控制的梯形波加載應力與加載時間的關(guān)系示意圖如圖3 所示，其對應的循環(huán)應力應變滯后曲線如圖4 所示［10］。在此類循環(huán)中除了產(chǎn)生上述靜蠕變以外，還會產(chǎn)生循環(huán)蠕變或者動蠕變。因此材料在疲勞、靜蠕變以及循環(huán)蠕變的交互作用下產(chǎn)生損傷，其表達式可用式（1）表示：

式（1）中：Df表示疲勞損傷量；cD 表示靜蠕變損傷量；Dcf表示蠕變疲勞交互損傷量。

由式（1）可知當三者的損傷量達到1 時，材料即發(fā)生斷裂失效。

本次試驗也采用應力控制的梯形波加載方式，循環(huán)加載過程中的應力應變滯后曲線見圖4。

圖3 梯形波應力水平與加載時間關(guān)系[10]Fig.3 Relationship between stress level of trapezoidal wave and loading time

圖4 梯形波循環(huán)應力應變滯后曲線[10]Fig.4 Cyclic stress-strain hysteresis curve of t rapezoidal wave

圖5 分別是本次試驗在不同應力水平下的循環(huán)應力應變曲線，由圖可以看出，在溫度、保載時間相同的情況下，應力水平不同所表現(xiàn)出的循環(huán)應力應變累積曲線既存在相同點也存在明顯的差異。共同點是在不同的應力水平下循環(huán)應力應變累積曲線由疏變密，這主要的原因是材料在初始循環(huán)階段由于循環(huán)產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象，循環(huán)應力應變曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定；不同點是在最大應力一定時（0～220 MPa、150～220 MPa、-150～220 MPa、50～240 MPa、100～240 MPa），平均應力水平增大，循環(huán)應力應變累積曲線變疏，平均應力水平減小，循環(huán)應力應變累積曲線變密。同時隨著循環(huán)最大應力增大，在上保載時間段的蠕變應變會增大，從而導致循環(huán)應力應變曲線變疏。在最小應力為正時，隨著循環(huán)最小應力的減小，蠕變應變也相應的減小，反之，蠕變應變也會相應增大；在最小應力為負值時，由圖5(b) 可看出，保載時間段出現(xiàn)了蠕變應變恢復現(xiàn)象，該階段不造成延性損傷，另外在最小應力下蠕變應變變化很小，不是特別明顯。根據(jù)延性耗竭理論可知，在高溫環(huán)境下，蠕變、疲勞對材料造成的損傷并不是獨立的，而是相互影響的，也就是說蠕變和疲勞不僅各自對材料造成損傷，它們還產(chǎn)生交互作用加大了高溫下對材料的損傷程度。達到某一臨界值時會導致材料斷裂失效。

圖5 不同應力水平下的循環(huán)應力應變曲線Fig.5 Cyclic stress-strain curves at different stress levels

上述理論表明材料的損傷由延性消耗引起的，因此可用下式表示二者之間的關(guān)系。而延性與溫度密切相關(guān)，晶界參與滑移的程度隨溫度增加而增加，并且材料的不斷變形會導致材料延性的不斷消耗，因此可以用平均應變和溫度的函數(shù)來表示材料的延性損傷。

式（2）、（3）聯(lián)立可得到式（4）：

式（4）表明平均應變與溫度函數(shù)可以用來表示損傷。材料損傷在試驗溫度確定的情況下只有平均應變會造成材料損傷，隨著循環(huán)周次的增加，平均應變逐漸增大，累積應變也將增大，當達到損傷極限值1 時，材料發(fā)生斷裂。

2.3 基于延性耗竭模型的304H 焊接接頭壽命預估式建立

延性耗竭理論認為，高溫下造成的材料蠕變疲勞損傷是以粘性流方式進行的，晶界延性損傷是由蠕變主導，晶內(nèi)延性損傷是由疲勞主導，蠕變與疲勞相互交互共同加速材料的損傷失效進程，當達到材料的斷裂延性值時就會發(fā)生斷裂失效［11］。其斷裂失效準則表達式為其中拉伸應力與循環(huán)加載時間的乘積表示動粘性延性與循環(huán)強度的乘積表示材料的韌性mT 。最終推導的蠕變疲勞壽命的表達式為：

式（5） 中： K′ 為 循 環(huán) 強 化 系 數(shù)； n′ 為 循 環(huán)應變硬化指數(shù)； σΔ 為應力范圍；aσ 為應力幅值；為等效應力幅值；σ˙為應力速率； th為保持時間；mε˙ 為半壽命平均應變速率；A、m、C 表示與環(huán)境有關(guān)的材料常數(shù)，K"、n" 由不同應變幅控制的循環(huán)應力應變曲線或者高溫拉伸獲得的材料性能求得［12］。結(jié)合本文研究內(nèi)容，K"、n" 通過304H 高溫焊接接頭的高溫拉伸試驗獲得，試驗拉伸設(shè)備為300KN 電子萬能試驗機，測得的力學性能：彈性模量E=146GPa，屈服強度σp0.2=143MPa，抗拉強度bσ = 300MPa，斷裂收縮率ψ=75.5%，利用材料的靜拉伸性能估算獲得材料的疲勞性能參數(shù)即疲勞強化系數(shù)K"=566MPa，疲勞強化指數(shù)n′= 0.21。

2.3.1 平均應變的獲取

304H 對接焊圓棒試樣高溫蠕變疲勞交互試驗的梯形波如圖3 所示。點1 到5 的應變值可以通過疲勞試驗機獲取。由于沒有高溫應變采集設(shè)備且高溫蠕變應變是與時間有關(guān)的大應變，因此采用真實應變更為準確合理。本次試驗由疲勞試驗機獲取載荷- 位移數(shù)據(jù)再通過單軸拉伸位移與真實應變的關(guān)系得到采集點的應變值。

數(shù)據(jù)的采集區(qū)域主要包括加載階段、保持階段和卸載階段。在加載與卸載時每1 秒采集兩個數(shù)據(jù)點；保持時間段每1 分鐘采集一個點。循環(huán)過程中的平均應變值為每一循環(huán)加載的最小應變（梯形波加載初始點）和最大應變（梯形波加載上保載終了點）的平均值，可以由式（6）獲得。

由于試驗斷裂周次較多，因此每隔10 周次提取所采集的數(shù)據(jù)點按式（5）處理得到每隔10 周次的循環(huán)周次與平均應變的曲線如圖6 所示。從圖6 可以看出，在任何應力加載水平下，隨著循環(huán)周次的增加，材料的平均應變成冪次函數(shù)規(guī)律逐漸增大，當平均應變達到材料的延性臨界極限時，即發(fā)生斷裂失效。對比不同應力水平下曲線可知，隨著最大循環(huán)應力的增大，達到給定平均應變所需的周次降低，這表明最大循環(huán)應力對蠕變疲勞壽命影響較大。

圖6 不同應力水平下平均應變變化Fig. 6 Mean strain variation at different stress levels

2.3.2 半壽命平均應變速率的獲取

根據(jù)延性耗竭模型，計算獲得應力范圍、等效應力和應力速率，通過對平均應變與循環(huán)周次曲線的擬合得到兩者之間的Power 函數(shù)表達式，半壽命區(qū)平均應變速率是通過對曲線表達式求導取半壽命周次得到的，其模型參數(shù)計算值、擬合的曲線表達式及半壽命平均應變速率見表3。

表3 半壽命平均應變速率值Table 3 Half-life average strain rate value

2.3.3 304H 焊接接頭蠕變疲勞壽命預估式建立

將提取的試驗處理后所得參數(shù)代入基于延性耗竭的壽命預測模型時，由于擬合的數(shù)據(jù)較大會導致曲線無法擬合，因此令代入壽命模型。若選用最小二乘法計算，由于二元函數(shù)的解析方法復雜難以求出解析解，因此通常選用數(shù)值分析軟件求得壽命預估表達式中的近似解。依據(jù)延性耗竭壽命模型表達式（5），令則 轉(zhuǎn) 化 為y = A （ x ）m+ C ，再 利 用MATLAB 軟 件 處 理，選 取Power函數(shù) y = axb+ c ，或者通過Origin 自定義冪函數(shù)擬合得到壽命擬合曲線如圖7 所示，壽命表達式可表示為：

圖7 304H 焊接接頭延性耗竭模型壽命預估擬合曲線Fig.7 Fitting curve of ductility depletion model life prediction for 304H welding joint

2.3.4 壽命預精度分析

表4 列出了680℃不同應力水平條件下304H 焊接接頭試驗壽命與預測壽命的相對誤差比較。

表4 試驗壽命與預測壽命比較Table 4 Comparison of test life with predicted life

由表4 可以得出，試驗壽命與預測壽命相對誤差在10% 以內(nèi)。根據(jù)通用比例因子分析法［13］，試驗所得失效壽命數(shù)據(jù)均落在1.5 倍的誤差帶內(nèi)，如圖8 所示，證明了建立的壽命預估表達式能夠較好地預測本次試驗條件的失效壽命。

圖8 304H 焊接接頭延性耗竭模型壽命預測效果圖Fig. 8 Life prediction effect of ductility depletion model for 304H welded joint

3 結(jié)論

（1）應力幅- 平均應力- 壽命關(guān)系曲線呈現(xiàn)出反C型特型，在應力幅與平均應力相等時出現(xiàn)壽命拐點，在拐點附近失效壽命降低較劇烈，當應力幅等于平均應力時，蠕變疲勞失效壽命達到最大。

（2）不同的應力水平下循環(huán)應力應變累積曲線由疏變密，循環(huán)應力應變曲線隨著循環(huán)次數(shù)的增加逐漸趨于穩(wěn)定，最大應力一定時，平均應力水平增大，循環(huán)應力應變累積曲線變疏；同時隨著循環(huán)最大應力增大，在上保載時間段的蠕變應變會增大，從而導致循環(huán)應力應變曲線變疏。

（3）在任何應力加載水平下，隨著循環(huán)周次的增加，材料的平均應變成冪次函數(shù)規(guī)律逐漸增大；不同應力水平下隨著最大循環(huán)應力的增大，達到給定平均應變所需的周次降低，最大循環(huán)應力對蠕變疲勞壽命影響較大。

（4）獲得了304H 焊接接頭延性耗竭壽命預估表達式，其預測壽命與試驗失效壽命的相對誤差在10%以內(nèi)，證明了建立的壽命預估表達式能夠較好地預測本次試驗條件的失效壽命。