P91钢蠕变—疲劳交互作用下微观性能研究

P91钢蠕变—疲劳交互作用下微观性能研究
赵彦芬1    张国栋1,2    张路1    刘天佐3    刘艳1    赖云亭1    马芹征1
1.苏州热工研究院； 2.南京工业大学机械与动力工程学院； 3.华电潍坊发电有限公司
摘  要:对超临界电厂用材料P91钢546℃下进行了应力控制的蠕变—疲劳交互作用试验,采用扫描电镜对蠕变—疲劳交互作用下P91钢试样断口进行了分析，并采用原位拉伸试样，观测了P91钢蠕变—疲劳交互作用下的断裂过程，获得了P91钢蠕变—疲劳交互作用下断裂机制与断裂特性。研究结果表明，试样断口微观形貌特征显示出其断裂机制是由蠕变、疲劳与蠕变—疲劳交互作用控制的，能谱分析和原位观测均显示了P91钢在蠕变—疲劳交互作用下，夹杂是引起裂纹起裂的主要原因。研究结果为控制P91钢蠕变—疲劳交互作用下损伤提供了理论和试验基础。
关键词: P91钢；蠕变—疲劳交互作用；断口形貌；能谱分析；原位观测
引言
我国大部分火电机组不但承担基本负荷，而且还承担调峰任务，启停也日趋频繁。对于主蒸汽管道和联箱等锅炉高温构件，蠕变—疲劳交互作用已成为其主要失效模式之一。在对这些高温部件进行失效分析和寿命预测时，单纯考虑材料的静态蠕变已经不能满足要求，必须考虑到蠕变—疲劳交互作用对材料高温性能的影响，这样对高温材料的损伤机制与失效行为才能做出准确的判断。
P91钢蒸汽管道在我国的火电机组中运行已有10余年的历程，而且国产化程度也日趋提高，火电机组许多高温部件均采用P91钢管，关于P91钢蠕变寿命与损伤力学模型，高温服役环境下P91钢微观损伤机制，P91钢焊接接头蠕变损伤，国内外学者已经做过大量研究[ ~ ]。材料高温下蠕变—疲劳交互作用的研究已开展多年，关于蠕变疲劳寿命预测模型和损伤机制问题研究也有较大的进展。P91钢蠕变—疲劳交互作用的研究，Takahashi[ ]对P91钢蠕变—疲劳交互作用寿命预测进行研究，基于非弹性应变对材料造成延性耗散原理，采用改进型延性耗竭模型，分别对蠕变和疲劳损伤进行推导，获得了交互作用下的寿命预测模型。Nam[ , ]等对1Cr1MoV钢疲劳蠕变交互作用的研究结果表明，其断裂机制为穿晶断裂，并有一些疲劳条纹，保持时间的劣化作用是增加疲劳条纹间距和裂纹长度，在晶界上无蠕变空洞的形成；而Plumbridge[ ]也曾对1Cr1MoV钢较长保持时间的疲劳蠕变交互作用进行了研究，结果与上述恰恰相反：裂纹沿晶扩展，并伴有蠕变孔洞的形成。Fumiyoshi[ ]等人曾经对固熔304不锈钢550℃下进行了一系列较低总应变范围、较长的保持时间的蠕变一疲劳试验。在寿命的2%、5%、10%、20%、50%处中止试验，在液氮中打断试件，观察孔洞、沉淀相和晶界微裂纹等微观结构，分析蠕变孔洞形核、长大及微裂纹形成的机理，并在金相学基础上提出了以蠕变损伤为主的寿命预测方法。
    介于蠕变和疲劳二者之间的失效形式即为蠕变—疲劳交互作用，常被称为与时间相关的疲劳。材料局部萌生疲劳裂纹是疲劳损伤的发展，材料内部晶界孔洞则是蠕变损伤的体现，这两类损伤的物理机制完全不同。当穿晶疲劳裂纹与晶界孔洞相遇时，疲劳裂纹与蠕变孔洞就会相互促进、相互发展，形成疲劳蠕变交互作用，就会出现疲劳裂纹扩展速率加快、蠕变孔洞数量增多等现象。到目前为止，关于P91钢蠕变—疲劳交互作用下微观性能的研究并不多见，文中以某火电站主蒸汽管道用P91钢为研究对象，进行应力控制下的蠕变—疲劳交互作用，试样断口采用SEM观测和金相检查，获得了P91钢蠕变—疲劳交互作用下的断裂机制，并采用原位观测试验，验证了该断裂机制的正确性。
1 P91钢材料初始微观检验
文中试验采用的P91钢为某火电厂未服役的主蒸汽管道材料，其化学成分如表1所示。为确保试验材料的准确性，对P91钢原材料进行金相检查和内壁SEM观测。图1为金相组织照片，由该图可以看出，该P91钢为回火板条马氏体组织，马氏体板条较为粗大，位向特征明显，局部区域有混晶特征。晶粒度保持在4－7级。纵横向组织均匀，无明显差异。厚壁管道在轧制时，如果坯料或变形比等因素控制不当，内壁是冶金缺陷较为集中位置。对金相截面的近内壁进行二次电子形貌观察与能谱分析。内壁扫描电镜照片如图2所示。结果表明：P91管在200μm内表层，具有大量长条状夹杂（Mg、Al、Si、Ca的成分达到45％，具体含量参见表2）。通过对P91钢的初始微观检验发现，该材料化学成分和金相组织满足相关标准要求，但内壁处含有夹杂。
表 1 P91材料化学成分
Compositions        C        S        P        Cr        Mo        Si        Mn        Al        V        Nb
P91        0.097        0.0011        0.017        8.04        0.85        0.29        0.40        0.019        0.20        0.084
     
(a) P91钢横向内层                         (b) P91钢横向外层
图1 P91钢金相组织
表2 能谱检验结果
Element        Wt%        At%
CK        03.25        06.88
OK        26.46        42.06
MgK        01.53        01.60
AlK        15.72        14.82
SiK        12.23        11.07
CaK        27.62        17.52
CrK        01.55        00.76
FeK        11.63        05.30
      
                  图2 内壁SEM
2 P91钢蠕变疲劳交互作用试验
蠕变疲劳试验在MTS810疲劳试验机上进行，采用螺纹夹持的圆棒试样，试样的形状和尺寸如图3所示。试验温度为546℃，通过热电偶测量试样标距段内的温度，进行闭环控制，控制温度偏差为±2℃。环境为实验室大气。对于电站以蠕变—疲劳交互作用模式失效的高温部件，均是由内压或热应力的波动造成了材料的疲劳，因此整个试验加载过程以应力方式控制。这样更符合现场的实际情况，加载波形为梯形，加载波示意图形如图4所示。具体的加载参数与试验结果如表3所示。

图3 蠕变疲劳交互作用试样

图4 加载波形示意图
表3 P91钢蠕变疲劳交互作用试验参数及试验结果
No.         , MPa
保载时间, s         , MPa
, MPa
, Cycle

                上保载        下保载                        
1#        -200－320        10        10        260        60        487
2#        -100－320        10        10        210        110        7051
3#        0－320        10        10        160        160        17779
4#        100－320        10        10        110        210        5247
5#        200－320        10        10        60        560        4457
6#        -200－330        10        10        265        65        403
7#        -100－330        10        10        215        115        2435
8#        0－330        10        10        165        165        12781
9#        100－330        10        10        115        215        10389
10#        200－330        10        10        65        265        2141
11#        -200－340        10        10        270        70        187
12#        -100－340        10        10        220        120        894
13#        0－340        10        10        170        170        2657
14#        100－340        10        10        120        220        1633
15#        200－340        10        10        70        270        1227

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2012-2-3 21:32 上传

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