氧化对耐热钢蠕变疲劳寿命影响的研究进展

崔 璐，宋冬行，张吉鼎

(西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065)

综述与进展

氧化对耐热钢蠕变疲劳寿命影响的研究进展

崔 璐，宋冬行，张吉鼎

(西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065)

汽轮机转子等高温部件，长时间受到高温载荷作用，会产生蠕变疲劳损伤，严重危害机组的安全运行。通常，人们认为高温氧化膜的形成减缓了疲劳裂纹的萌生和扩展，具有良好的保护性。可有些学者却发现了相反的结果，真空或惰性气体下的蠕变疲劳性能要比空气中有氧存在时好，高温下更是如此。本文主要综述了高温氧化蠕变疲劳寿命的影响因素，以及高温氧化环境下蠕变疲劳损伤的机理。

蠕变疲劳；高温氧 化；损伤机理

社会经济的不断发展，对能源的需求量不断增加，目前我国能源还主要来源于煤炭等矿物质燃料的火电厂[1]。由我国国情出发，发展超临界乃至超超临界机组是我国洁净煤发电技术的必然，也是解决能源短缺和环境污染等问题最为有效和现实的途径[2-3]。汽轮机转子是整个机组中最为关键的部位，它不仅受到自重、蒸汽压力和离心力等载荷作用，而且在频繁启停机的过程中，易受到高温变化所引起的瞬态热应力和交变热应力，疲劳蠕变载荷相互叠加作用在转子的关键部位，使该部位产生裂纹。疲劳裂纹的萌生和扩展是部件的寿命评估和完整性的决定因素。转子部件一旦发生断裂，不仅会造成经济损失还会造成非常大的危害，甚至损毁整个机组。发展超临界和超超临界机组的关键在于高温部件材料的研发，特别是高温部件转子钢的研制，这不仅需要研发出新的材料，还需要进一步探索复杂工况下材料的损伤机理[4]。

断裂力学试验通常在空气条件下进行，但是在特定情况下，某些构件内部缺陷不与空气接触，在静态或循环载荷下，缺陷部位会出现蠕变疲劳裂纹的萌生和扩展，这些位置通常在材料内部和表面下，因此不受环境介质的影响[5]。进一步探索高温蠕变疲劳的损伤机理，有待于研究材料在真空环境和有氧环境中的力学性能和微观组织结构变化，明确高温氧化对疲劳裂纹萌生和扩展的影响，以及耐热钢的抗氧化性能。本文综述了高温氧化对金属材料蠕变疲劳损伤机理的相关研究情况，为高温构件的实际运行工况提供理论依据。

1 高温氧化对蠕变疲劳寿命的影响

关于高温氧化对蠕变疲劳寿命的影响有不同的说法，有部分学者认为，氧在裂纹的尖端起楔子的作用，加速了疲劳裂纹的扩展。也有人从锐化钝化机理方面考虑，认为真空中的裂纹更易扩展，因为裂纹尖端在每一个周期内都始终保持着锋利的状态，比较容易产生应力集中，而在大气等有氧环境下可以形成氧化膜，在裂纹尖端不易产生锐化，使应力集中现象有所缓解，氧化层的形成可以延缓疲劳裂纹的扩展，增大了蠕变疲劳寿命[6]。

一般情况下氧化对合金的影响并不大，但随着温度的升高和时间的延长，受到大气侵蚀和氧化作用的影响就变得较为明显了。20 世纪 60 年代，人们发现除金以外的合金元素的循环疲劳寿命在真空中比在空气中更长，在高温下环境介质可严重影响蠕变疲劳裂纹的增长速率[7]。真空中的蠕变疲劳性能要比空气中的高，因为在大气环境下，材料会因为高温氧化而减少有效截面积，在高温下更是如此。随着温度的上升，构件表面形成的氧化膜会增厚，氧化物的比重增加使氧化膜的脆性和应力增加，当超过一定的强度时，氧化膜就容易破裂和剥落，在长时间的氧化过程中，瞬态热应力和工作热应力的影响就促进了裂纹的产生[8]。郭建亭等系统研究了K417 合金分别暴露在空气、热腐蚀和真空中的损伤机理，发现相比于真空，空气环境中的裂纹形核更加容易[9]。S·弗洛里认为裂纹尖端的氧化物生长所产生的应力也可能加速了裂纹的增长。谢少雄等研究发现，氧化膜周围有空洞产生，促进了疲劳裂纹在构件表面的形成[10]，空气中的最小蠕变速率大于真空中，且裂纹数量比真空 中 的多[11]。此外，与 真空或惰性气体相比，空气具有腐蚀性。大多数情况下，高温时晶界容易被氧化，为裂纹的产生和扩展提供了新道路，使疲劳寿命大大降低。

2 高温氧化环境下蠕变疲劳损伤机理

氧化是高温环境下影响金属疲劳裂纹萌生和扩展的主要因素[12]。相对于纯金属而言，合金的高温氧化行为较为复杂，还没有建立普遍应用的理论，主要是由于决定合金氧化的参数和要素太多，包括合金与氧化膜的性质、扩散过程和氧化机理等[13]。

高温氧化主要表现为表面氧化和晶界氧化的共同作用。裂纹表面所形成的氧化膜会使裂纹闭合提前，降低了裂纹扩展的驱动力和有效应力强度因子，从而降低裂纹扩展速率。此外，金属表面形成的致密氧化物对金属起着保护作用。另一方面，高温环境下，氧沿着裂纹尖端的晶界扩散，同晶界上的 Cr、Fe等元素发生化学反应，生成的氧化物导致晶界脆化，晶界结合力的降低会使沿着晶界的阻力下降，使裂纹扩展速率增加。因此，高温氧化对裂纹扩展的速率取决于表面氧化和晶界氧化的共同作用[14-16]。

疲劳裂纹的扩展被认为是在循环应力作用下裂纹反复分开与闭合的结果。在真空等无氧环境下，疲劳裂纹张开时形成的新表面不会生成氧化膜，因此在压应力循环半周期里，新形成的裂纹表面很容易完全闭合，而在下一个拉应力循环半周期里裂纹前端便难以被重新撕开，真空环境中容易发生钝化，在空气中裂纹尖端相对锋利，裂纹扩展速率更快[17-20]。

S·弗洛里等研究发现，在无腐蚀环境中，疲劳裂纹的扩展完全是穿晶型的，在裂纹断口上一般可以看见相当明显的辉纹，并且辉纹间距与裂纹的增长速率相应。而在有氧环境中裂纹的增长方式为晶间开裂与穿晶型并存，断口上的辉纹间距大小与增长速率大致相同[21]。林栋梁等通过在不同条件下的实验分析得出，真空中的蠕变疲劳断裂主要是由晶界滑动过程中空洞及微裂纹的堆聚所造成的，然而在含氧介质的试样，裂纹首先萌生在表面上，在拉应力作用下晶界滑动过程中又会加速大气中氧原子沿晶界向内扩散，使晶界附近产生贫化区，局部区域中形成粗大氧化物及楔块状裂纹，使晶界胶结力下降，这就使得真空中的断裂塑性高于大气环境中。

3 结语

高温氧化对耐热钢蠕变疲劳寿命的影响是错综复杂的。以往所使用的耐热钢材料对氧都比较敏感，在高温下易被氧化，从而降低使用寿命。对蠕变疲劳裂纹的萌生和扩展的研究，缺少在无氧环境下的对比研究，在真空中试验，可消除高温氧化而产生的氧 化 层 对 疲 劳 裂 纹 萌 生 和 扩 展 的 影 响，反 映 出 材 料蠕变和疲劳的纯粹交互作用，明确温度环境和材料的交互机制。进一步研究氧化损伤机理，提高合金在高温下的抗氧化性能，寻找和改善合金抗高温氧化的有效途径，应致力于研发抗氧化性能较好的耐热钢，消除高温氧化对蠕变疲劳寿命的影响。

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Research Progress on Effect of Oxidation on Creep Fatigue Life of Heat Resistant Steel

CUI Lu, SONG Dongxing, ZHANG Jidin
(College of Mechanical Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

The high temperature parts such as steam turbine rotor were damaged by creep fatigue under high temperature load for a long time, which seriously endangered the safe operation of the unit. In general, it was believed that the formation of high temperature oxide fi lm slowed down the initiation and expansion of fatigue cracks and had good protection. Some scholars had found the opposite result, in the vacuum or inert gas creep fatigue performance than the existence of oxidation in the air was good, especially at high temperatures. In this paper, the factors inf l uencing the creep fatigue life of high temperature oxidation and the mechanism of creep fatigue damage under high temperature oxidation environment were reviewed.

creep fatigue; high temperature oxidation; damage mechanism

TG 142.73

：A

：1671-9905(2017)06-0031-03

国家自然科学基金（51305348）

宋冬行 (1992-)，男，陕西人，西安石油大学硕士研究生

2017-04-10