TP347H不锈钢的高温蠕变-疲劳交互规律

2020-03-12 02:18:47

   浙江宏盛特钢有限公司技术人员对TP347H不锈钢进在550 ℃下纯疲劳及550 ℃下的蠕变-疲劳交互下的微观组织演化及疲劳寿命变化进行研究。断口的扫描电镜形貌表明在蠕变-疲劳交互下存在高温动态回复,使得蠕变-疲劳断口未形成二次裂纹与解理面,而在纯疲劳下存在较多二次裂纹与解理面;透射电镜形貌表明在蠕变疲劳交互下金属内部局部会形成清晰的位错墙和位错胞结构,错增殖密度相对于纯疲劳也大大降低,此时材料的循环软化特征明显,因此蠕变-疲劳交互会导致材料的疲劳寿命显著降低。对不同应变幅下TP347H的蠕变-疲劳寿命试验证明不同应变幅下TP347不锈钢的蠕变-疲劳循环寿命相对于纯疲劳条件下都有降低,降低的程度随应变幅的增加而增大。


    在火力发电厂中存在大量的高温承压设备,这些设备中使用的金属材料需要长期在高温高压环境下服役,在这些材料的失效中高温疲劳是常见的失效模式。这些高温下服役的材料除疲劳外还常存在蠕变失效,已有研究表明疲劳蠕变两者间存在交互作用,这种交互作用导致的失效具有较大的危害性,因此有必要对这些材料在高温环境下的蠕变-疲劳交互作用进行研究。


  现今对典型超临界材料如P91、P92等已开展疲劳-蠕变交互下的材料失效行为和寿命预测研究。在蠕变-疲劳交互研究中加载方式分应变控制和应力控制,目前主要采用应变控制。根据保载方式分为蠕变-疲劳和应力松弛-疲劳。已有对P91母材与焊材蠕变-疲劳(Creep-fatigue, CF)交互的研究表明蠕变-疲劳寿命低于纯疲劳(Pure fatigue, PF)寿命,保载时间越长疲劳寿命越短;但蠕变-疲劳寿命基本高于纯蠕变寿命,随保载时间延长蠕变-疲劳寿命逐渐接近纯蠕变寿命。浙江宏盛特钢有限公司采用不同的控制方法进行研究后得出CF中当蠕变值不大于6%时,达到规定蠕变值所需保载时间随循环周次而变化:在循环一次后所需保载时间迅速增加,当循环数达到100时所需保载时间减少;当蠕变值大于6%时,达到规定蠕变值所需保载时间随循环周次增加而增加。在相同应变幅下进行了CF与RF试验,发现前者寿命明显低于后者,将CF试验与纯蠕变试验比较后可发现疲劳使蠕变速度加快。


   

   现今TP347H不锈钢在火力发电厂已经得到较广泛应用,但对TP347H不锈钢蠕变-疲劳交互下的规律还研究较少。本文针对高温下TP347H不锈钢疲劳-蠕变交互下的微观结构变化及疲劳寿命进行研究,得到高温下TP347H不锈钢疲劳-蠕变交互时寿命的演化规律。



一、试验方法与设备


1. 试验材料及试验方法


   试验选用TP347H不锈钢,材料成分如表所示。试样沿管材纵向截取,试样在1050~1100 ℃固溶处理后快速水冷并在900 ℃恒温稳定化处理,金相组织如图所示,主要组织为奥氏体组织,平均晶粒大小为60μm。试验测得TP347H不锈钢室温下的屈服强度为432MPa,抗拉强度为554MPa;550 ℃下的屈服强度为248 MPa,抗拉强度为391MPa。

 

    试样形状如图所示,去除表面锈层后按照GB/T15248-2008对试样工作表面及侧面进行精加工,抛光结束后对试样进行脱脂处理。低周疲劳按GB/T 15248-2008进行试验。轴向应变控制方式波形为三角波,循环应变比R=–1,应变幅Δεt/2分别取0.2%,0.3%,0.5%,0.7%,1.0%,应变频率为0.2Hz,平均应变速率为1.2×10–2s–1。应力控制方式波形为正弦波,循环应变比R=–1,应力取280MPa,300MPa,320MPa,335MPa,350MPa,加引伸计频率为0.75Hz,不加引伸计频率为4Hz。550 ℃高温疲劳试验中,升温速度10 ℃/min,达目标温度后保温至试样不再膨胀后开始试验。



  2. 试验设备


      动态疲劳性能试验采用岛津EHF-EM200k1- 070-0A型电液伺服疲劳试验机,引伸计选用Epsilon。加热用为三段式电阻炉,温度精度为±2 ℃。金相组织观察使用ZEISS Axiovert 40 MAT光学显微镜,断口分析使用Nano-430热场发射高分辨扫描电镜(Scanning electron microscope, SEM),断口透射电镜(Transmission electron microscope, TEM)分析使用Philips TecNai12透射电镜。



二、 试验结果及讨论


   图为TP347H不锈钢550 ℃疲劳应变-寿命双对数曲线,由图通过线性回归可计算出疲劳强度系数和疲劳强度指数的值。计算出的高温疲劳性能参数如表所示,通过与室温性能比较可知,在高温条件下,TP347H不锈钢循环硬化指数高于室温,这表明该材料在高温条件下为循环硬化特征。从结果可知高温下疲劳寿命较低。从安全应变量载荷范围来看,TP347H不锈钢的安全应变载荷范围超过了ε0.2,说明该不锈钢具有良好的塑性。TP347H不锈钢在550 ℃下受到升温和动态应变时效的双重作用,因此寿命和安全载荷范围均明显下降。



1. 550 ℃蠕变-疲劳性能


    为考察蠕变对疲劳寿命的影响,在550 ℃下进行了拉伸-保载-压缩蠕变-疲劳试验,保载时间为30秒,应变幅分别为0.7%、1.0%、1.5%。梯形波加载控制。表为得到的蠕变-疲劳寿命与纯疲劳寿命对比,从表中可以看出,蠕变-疲劳下材料的循环周次相对于纯疲劳条件下都有降低,降低的程度随应变幅的增大而增大,这与前面的TEM分析结果是一致的。



2. TP347H不锈钢断口的SEM分析


   a. 1.0%应变幅下纯疲劳断口


     图为应变幅1.0%的疲劳断口形貌,图为断口的宏观形貌,图为断口的微观形貌。从图中可见典型的解理面。对滑移系较多  、塑性较好的TP347H不锈钢,需要在1%以上的大应变幅才可观察到解理面,而对塑性较差的P91钢,在0.3%的小应变幅下就能观察到解理面。在图中由于550 ℃在TP347H不锈钢的DSA温度范围,因此观察到较多的二次裂纹形貌。


   b. 1.0%应变幅下蠕变-疲劳断口


    图为应变幅1.0%,保载30秒的蠕变-疲劳断口形貌。与PF相比,裂纹扩展区可见清晰的疲劳条纹,未见PF中的解理面和二次裂纹。这就说明了在应变保载的情况下,应力值逐渐降低,同时高温下的动态回复使得位错密度降低,从而有效避免了解理面的形成。此外较长的保载时间也避免了材料受到连续循环载荷的损伤,因此断口的形貌特征类似于小应变量下的PF特征。图为瞬断区形貌,从图中可见瞬断区韧窝普遍较浅,只有在夹杂处存在较深的韧窝,同时韧窝沿裂纹扩展方向取向,瞬断区可见清晰的疲劳条纹。



  3. TP347H不锈钢断口的TEM分析


   a. TP347H不锈钢原材料的TEM分析


     TP347H不锈钢原料为热轧管,TEM照片如图所示。TP347H在热轧时材料会发生动态回复,使胞状亚结构内的位错向胞壁滑移,从而大幅降低材料中的位错密度。图中可观察到原材料胞内位错密度很低,图中存在细小的位错线。但随后的高温回复为原子和位错提供了较高的活化能,致使位错同时存在滑移和攀移,位错滑移和攀移的结果是形成了与滑移面垂直的亚晶界,此时网状结构消失,胞内位错密度进一步降低。在图中观察到少量的残余位错胞结构,位错胞周围分布着位错线和位错环,位错密度较大。这是由于少数晶粒未完全回复造成的。此外晶粒内分布着尺寸较小的退火孪晶及少数单独的滑移带。



  b. TP347H不锈钢PF的TEM分析


      图为550 ℃下应变幅1.0%PF的TEM照片。在图中可看出疲劳试样中具有很高的位错密度,说明低位错的原材料经过循环变形发生位错增殖,位错之间发生交割形成位错堆垛,堆垛位于等轴状的位错胞上。此外晶界对位错的阻碍降低了塑性变形,这些都导致了材料的初期循环硬化。图中可见高密度滑移带和细长的位错胞结构,还观察到亚晶结构。图中有些滑移带贯穿亚晶,此时亚晶还未完全形成,晶内的位错密度仍较大。图中可见成熟的亚晶界,界面上方为滑移带,晶内位错密度很低;界面下方为高密度位错缠结和堆垛缺陷,同时可见位错胞结构。


     由于在循环过程中马氏体的形成很大程度上会影响钢的疲劳性能。在最初的几周循环硬化以后,材料的循环应力受两个过程的交互作用,一个是动态回复(形成了位错胞和亚晶),另一个是形变诱导的马氏体相变。前者有利于位错密度的降低,因此将有利于材料软化,而后者大大地抑制了塑性变形,有利于材料的循环硬化。由于总应变幅或者塑性应变幅需要达到一定程度才能诱发马氏体相变,因此低应变幅下的循环软化是由于位错环和位错胞的形成。高应变量下循环塑性变形的累积导致了剪切带密度的不断增加,因此形变诱导的马氏体相变密度大大增加。而另一方面,高应变量下马氏体的形成使裂纹更容易萌生。


    在图中可观察到胞结构,这表明试样发生了动态回复,形成了低能量结构,在宏观上表现为循环应力的下降。在图中可看到大量的平面滑移结构,由于DSA效应抑制了位错的交滑移,位错被局限在特定平面内滑移而形成了平面结构,该结构是试样发生DSA效应的显著标志。上述分析表明试样在550 ℃温度下,胞结构形成导致位错密度下降,而DSA效应对位错的钉扎导致位错密度的下降,但从宏观循环应力软化的表现可知,总的位错密度的下降趋势。滑移带和孪晶的交错和滑移带之间的交错均能诱发马氏体相变,图中显示了马氏体,说明550 ℃下应变能够诱发TP347H不锈钢的马氏体相变。由于DSA效应和应力诱导马氏体相变作用,试样在高温条件下的软化率低于室温。


   c. TP347H不锈钢CF的TEM分析


     图为TP347H不锈钢应变幅1.0%蠕变-疲劳的TEM照片。图中局部形成了清晰的位错墙和位错胞结构,由于在蠕变(拉伸保载)过程中,材料有充足的时间回复,位错的交滑移进行的充分,形成了胞结构,因此能大大降低循环载荷下的位错增殖密度,材料的循环软化明显,从而导致疲劳-蠕变寿命降低。由图可知,试样在该条件下形成了平面结构,表明了发生了DSA效应,与纯疲劳相比较,出现的平面结构较少,以胞结构为主,因此材料的循环软化更明显。在图的局部放大形貌中,看到一个条状结构的滑移带,在滑移带两侧位错密度很多,局部有细小的析出相,析出相对试样有强化作用,但位错结构的回复,位错密度下降对材料强度影响占主导作用。蠕变-疲劳条件下由于材料保载时间作用,导致析出相有较充裕的时间形成,而在高温纯疲劳高应变条件下,循环周次较短,可能析出相极少,而低应变条件下,循环周期长,导致析出相的形成,在宏观循环应力出现了二次硬化效应。



三、结论


  1. 断口的SEM形貌表明在纯疲劳断口上存在较多二次裂纹与解理面,而蠕变-疲劳交互条件下由于存在高温动态回复,使得蠕变-疲劳断口上未形成二次裂纹与解理面。


  2.  TEM形貌表明在蠕变疲劳交互下TP347H不锈钢内局部会形成清晰的位错墙和位错胞结构,位错增殖密度相对纯疲劳大大降低,此时材料的循环软化特征明显,因此蠕变-疲劳交互会导致材料的疲劳寿命显著降低。


  3. 不同应变幅下TP347不锈钢的蠕变-疲劳循环寿命及纯疲劳寿命试验证明,不同应变幅下TP347不锈钢的蠕变-疲劳循环寿命相对纯疲劳条件下都有所降低,降低的程度随应变幅的增加而增大。



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