超（超）临界机组用钢的高温低周疲劳行为研究

摘要

超（超）临界机组(USC)管道等设备长期在高温下运行，低周疲劳(low cyclefatigue，简称LCF)损伤是最重要的破坏形式之一。超（超）临界机组管道用耐热钢一般分为铁素体和奥氏体不锈钢两种类型，耐热钢在高温下变形，会产生动态应变时效(dynamic strain aging，简称DSA)现象，大量研究显示DSA严重降低耐热钢的低周疲劳寿命。耐热钢在LCF条件下，DSA的温度范围和微观机制及其对低周疲劳的损伤机制等研究中仍然存在大量亟待解决的问题。本文选用两种典型耐热钢P91铁素体钢和TP347H奥氏体钢为研究对象，通过内耗(Inter Friction)技术研究DSA的微观机制;分析DSA对耐热钢高温(550-650℃)低周疲劳的影响机制，并构建疲劳寿命预测模型;借助透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)等方法，研究低周疲劳条件下变形机制和疲劳损伤形式等。
　　研究结果显示:P91钢和TP347H钢DSA效应出现在不同的温度范围内。在应变速率3×10-2/s-3×10-5/s下，P91钢DSA温区为250-500℃，而在超（超）临界机组工作温度550-650℃未出现DSA现象;在应变速率3×10-3/s-8×10-5/s下，TP347H钢在300-700℃温区会出现DSA现象。
　　动态应变时效(DSA)显著降低P91和TP347H两种超（超）临界机组(USC)用钢的高温低周疲劳(LCF)寿命。在TP347H奥氏体不锈钢中，DSA效应越强，高温LCF寿命越短。在高温LCF中，引入了循环软化率(R)参数来表征DSA效应，R越小，DSA效应越强，高温LCF寿命越低。
　　TP347H钢在300-700℃温区会出现DSA现象，覆盖了超（超）临界机组工作温度范围(550-650℃)。TP347H钢低周疲劳行为对应变幅和温度具有强烈的依赖作用。在研究的温度范围内，表现为循环软化的现象。在室温下，循环软化率随着应变幅的增加而增加;而在高温下，循环软化率随着应变幅增加而减少。在高温（550-650℃）疲劳过程中，DSA效应改变了位错的滑移机制，位错以平面滑移为主。循环塑性变形局域化，降低了晶粒之间的变形协调能力，导致塑性下降。在高温低周疲劳变形下形成的平面结构和塑性变形局域化，损害材料的高温低周疲劳寿命，宏观上表现为疲劳裂纹具有多个萌生点、二次裂纹和较快的裂纹扩展速率。
　　P91钢在超（超）临界机组工作温度550-650℃未出现DSA现象，然而机组设备在启停和较低温度下运行都可能通过DSA温度窗口(250-500℃)，P91钢管会发生DSA效应。研究显示P91钢在DSA温区的预变形降低高温低周疲劳寿命，主要原因是在DSA温区的预变形试样在高温疲劳过程中出现了包辛格(Bauschinger)效应。
　　在室温和550-600℃高温下，TP347H钢比P91钢具有更高的的低周疲劳寿命。Manson-Coffin应变疲劳方程较好预测了P91钢在室温(25℃)、550-600℃温度下和DSA温区预变形后的高温疲劳寿命，以及TP347H钢在室温下应变寿命。而在高温550-600℃下，由于TP347H钢中DSA效应降低了材料的塑性，对塑性应变幅产生了一定的影响，仅含塑性应变幅参量的Manson-Coffin应变控方程将无法准确预测TP347H钢高温低周疲劳寿命。
　　通过内耗和拉伸试验研究可知:P91钢中出现DSA临界激活能Q为73 kJ/mol，等于间隙原子C在晶格间扩散激活能，而DSA消失时Q为202 kJ/mol，为C原子扩散激活能与结合能（C与位错结合能，121 kJ/mol）之和。DSA效应微观机制由两个过程共同作用，一是特定类型溶质原子向位错芯处扩散偏聚，二是溶质原子对位错实施钉扎。P91钢中产生DSA效应的溶质主要为C间隙原子。TP347H钢中的DSA机制较为复杂，与变形温度有关。在300-500℃温区，C原子和(C，M)(M=Cr，Nb)有序结构气团参与了DSA效应，在550-650℃高温区DSA的机制为置换原子M扩散且与位错交互作用。P91钢在550-650℃高温下没有发生DSA主要有两个原因:一是P91钢中置换原子的浓度(8.44％ Cr)较低，而TP347H中浓度较高20％(Cr+Nb)，二是置换原子如Cr在体心立方结构中的扩散速度较面心立方结构更快，且在该温度下有较多碳化物析出和长大。这两种因素一方面降低基体中固溶置换原子含量，一方面碳化物与位错的交互作用减弱了溶质原子对位错的强烈的反复钉扎效应，从而抑制了DSA的发生。而TP347H钢中置换原子浓度较高，可对位错实施有效钉扎，另一方面TP347H钢中碳化物的析出较少，纳米相析出没有抑制DSA效应的发生。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 超(超)临界机组

1．2 超(超)临界机组典型用耐热钢

1．2．1 铁素体耐热钢

1．2．2 奥氏体耐热不锈钢

1．3 耐热钢中动态应变时效(DSA)

1．3．1 静态应变时效

1．3．2 动态应变时效(DSA)

1．3．3 DSA对耐热钢性能的影响

1．4 耐热钢高温低周疲劳研究现状

1．4．1 耐热钢的高温疲劳失效

1．4．2 铁素体耐热钢低周疲劳

1．4．3 DSA对奥氏体耐热钢低周疲劳的影响

1．4．4 TP347H高温低周疲劳研究的重要性

1．4．5 耐热钢低周疲劳研究存在的问题

1．5 本文研究的意义和内容

1．5．1 研究的意义

1．5．2 研究的内容和思路

第二章 材料及试验研究方法

2．1 试验材料

2．2 拉伸实验及方案

2．2．1 拉伸设备

2．2．2 拉伸性能实验方案

2．3 高温低周疲劳实验及方案

2．3．1 疲劳试验方法

2．3．2 疲劳试验方案

2．4 内耗研究

2．4．1 内耗产生的机理

2．4．2 内耗的测量方法

2．4．3 内耗实验方案

2．5 分析方法

2．5．1 组织和结构分析

2．5．2 X射线衍射分析(XRD)

第三章 高温低周疲劳中动态应变时效现象

3．1 单向拉伸变形下DSA现象

3．1．1 拉伸应力-应变曲线上锯齿形屈服(PLC)

3．1．2 锯齿形屈服的类型

3．1．3 力学性能

3．1．4 负的应变速率敏感性

3．2 循环变形下的DSA现象

3．2．1 负的应变速率敏感性

3．2．2 滞后回线

3．3 P91和TP347H钢中DSA特征比较

3．4 本章小结

第四章 动态应变时效对P91和TP347H钢的高温低周疲劳行为的影响

4．1 P91钢的高温低周疲劳行为

4．1．1 P91钢循环变形行为与疲劳寿命

4．1．2 动态应变时效预处理对P91钢低周疲劳性能的影响

4．1．3 高温低周疲劳对位错结构的影响

4．1．4 高温低周疲劳裂纹萌生与扩展行为

4．2 TP347H钢的低周疲劳特性

4．2．1 TP347H钢的循环变形行为

4．2．2 应变幅对循环应力和疲劳寿命的影响规律

4．2．3 温度和应变速率对循环应力和疲劳寿命的影响规律

4．2．4 动态应变时效的表征参数与高温低周疲劳寿命

4．2．5 动态应变时效对低周疲劳位错结构的影响

4．2．6 高温低周疲劳裂纹萌生与扩展行为

4．3 两种耐热钢的高温低周寿命比较

4．4．1 P91钢低周疲劳寿命

4．4．2 TP347H钢疲劳寿命

4．4 本章小结

第五章 高温低周疲劳中动态应变时效机制研究

5．1 DSA效应的内耗研究方法

5．2 P91钢中DSA的微观机制研究

5．1．1 PLC现象激活能的计算方法

5．1．2 P91钢中PLC的激活能

5．1．3 P91钢中的内耗峰研究

5．3 TP347H钢中DSA的微观机制研究

5．3．1 TP347H钢PLC的激活能

5．3．2 TP347H钢DSA内耗研究

5．4 两种耐热钢DSA微观机制分析

5．5 DSA效应对TP347H钢变形机制的影响

5．6 析出相对DSA效应影响研究

5．7 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

作者简介

致谢