高温应变时效对P92钢高温低周疲劳性能的影响

赵 丽，华晓春，马 涛，张肖飞，王孝义，饶思贤,2

(1.安徽工业大学机械工程学院,马鞍山 243032;2.合肥通用机械研究院,合肥 230031)

0 引 言

P92钢是在P91钢的基础上添加质量分数约1.8%的钨元素并适量降低钼元素含量而开发出来的一种新型马氏体耐热钢[1-3]。与P91钢相比，P92钢具有更优异的物理性能、更高的抗高温蠕变断裂强度和更好的抗高温氧化特性[4-5]，广泛用于电厂超临界机组和超超临界机组中的主蒸汽管道。超超临界机组主蒸汽管道的服役温度超过600 ℃，压力超过20 MPa，可知P92钢的服役环境极为恶劣[6-8]。在高温环境中，P92钢主蒸汽管道会发生高温蠕变[9-10]，同时发电机组的启停及运行过程中的内压波动使得管道承受的内应力呈周期性变化，因此P92钢在服役过程中会因承受交变载荷而发生疲劳失效[11]。当P92钢应用在核电厂的第四代核反应堆中时，在服役温度下的应变时效对P92钢的力学性能、疲劳性能均有显著影响[12]。在装备运行时频繁的启动和停车以及较大的温度波动工况下，P92钢除承受一定的静载荷外，还承受着交变大载荷或大应变幅作用，易产生高温低周疲劳-蠕变交互损伤[13]。因此，高温疲劳-应变时效交互作用下的材料研究对于装备的寿命预测及评估具有重要意义。目前，国内外有关P92钢疲劳行为的研究很多，但主要集中在疲劳与蠕变的交互作用方面，在高温疲劳-应变时效交互作用下性能变化的报道甚少[14]。因此，作者分别在应力与应变控制下对P92钢进行高温低周疲劳试验，研究不同应变幅和应力幅下的疲劳行为；对P92钢进行不同预拉伸应变和不同温度下的应变时效处理，然后进行高温拉伸试验与相同应力控制下的高温低周疲劳试验，对应变时效处理后的疲劳行为进行研究，明确应变时效对P92钢疲劳寿命的影响规律。

1 试样制备与试验方法

试验材料为进口P92钢管，化学成分见表1，可知其成分符合GB/T 5310—2017中有关高压锅炉无缝钢管的要求。该P92钢管的热处理工艺为1 060 ℃正火+770 ℃回火，显微组织如图1所示，可见其回火组织为针状马氏体，原始奥氏体晶粒尺寸在20～30 μm，沿奥氏体晶界析出碳化物。P92钢在室温(25 ℃)和550 ℃下的单向拉伸应力-应变曲线见图2，在这两种温度下曲线中均未出现屈服平台，P92钢的最大延伸率均约为20%，室温抗拉强度和屈服强度分别为690，504 MPa，550 ℃下的抗拉强度和屈服强度分别为629，328 MPa。

表1 P92钢的化学成分(质量分数)

图1 P92钢的原始显微组织Fig.1 Original microstructure of P92 steel

图2 P92钢在室温和550 ℃下的工程应力-应变曲线Fig.2 Engineering stress-strain curves at room temperatureand 550 ℃ of P92 steel

按照GB/T 15248—2008，在P92钢管上沿轴向截取如图3所示的疲劳试样，经精加工、抛光、清洗和脱脂处理后，在EHF-EM200k1-070-0A型电液伺服疲劳试验机上进行高温低周疲劳试验，试验温度为550 ℃，升温速率控制在10 ℃·min-1，升温至预定温度后保温，试样不再膨胀后开始试验，采用应变控制和应力控制两种模式。应变控制时波形为三角波，对称循环，应变幅Δεt/2分别为0.2%，0.3%，0.5%，0.7%，1.0%，应变频率为0.2～1 Hz，平均应变速率约为1.2×10-2s-1。应力控制时波形为正弦波，应力比为-1，应力幅分别为280，300，320，335，350 MPa，加Epsilon引伸计时的频率为0.75 Hz。另取疲劳试样进行应变时效处理，室温预拉伸应变分别取0，2%，4%，时效温度分别为250，300，350 ℃，应变速率为5×10-4s-1。对应变时效后的试样进行单向高温拉伸试验和应力控制模式下的高温低周疲劳试验，其中：高温拉伸试验是按照GB/T 15248—2008在EHF-EM200k1-070-0A型电液伺服疲劳试验机上进行的，拉伸试样的标距为25 mm，试验温度为室温和550 ℃，应变速率约为1.2×10-2s-1；高温低周疲劳试验参数与应变时效处理前应力控制模式下的疲劳试验参数相同。均取3组平行试样进行疲劳试验，并对试验结果取平均值。采用Nano-430型高分辨场发射扫描电镜(SEM)观察疲劳断口形貌。

图3 疲劳试样的形状与尺寸Fig.3 Shape and dimension of fatigue specimen

2 试验结果与讨论

2.1 应变控制下的高温疲劳性能

由图4(a)和4(b)可以看出，当应变幅由0.2%增加到1.0%时，P92钢的疲劳寿命Nf显著降低。应变幅与疲劳寿命关系符合Manson-Coffin方程，经拟合得到

图4 P92钢在550 ℃下的疲劳寿命曲线、不同应变幅下的循环应力响应曲线和迟滞回线以及循环应力-应变曲线Fig.4 Fatigue life curves (a), cyclic stress response curves (b) and hysteresis loop (c) under different strain amplitudes and cyclic stress-strain curve (d) of P92 steel at 550 ℃

Δεt/2=0.042(2Nf)-0.003 5+64.91(2Nf)-0.660 8(1)

(1)

由图4(c)的迟滞回线得到550 ℃下P92钢的循环应力-应变曲线，如图4(d)所示。由图4(d)可以看出，550 ℃下的循环应力与应变关系符合Remberg-Osgood关系。循环应力与应变关系还可用应力幅Δσ/2与塑性应变幅Δεp/2的关系表示，即：

Δσ/2=K′(Δεp/2)n′

(2)

式中：K′，n′分别为循环强度系数和循环应变硬化指数。

表2 P92钢的高温疲劳性能参数

将图4(b)与图2中550 ℃单向拉伸应力-应变曲线比较后发现，低应变幅(低于0.7%)下P92钢在试验初期呈现循环硬化趋势，但在经历几十次循环硬化后即转变为循环软化，随后循环软化将持续至试样破坏。通常循环硬化与动态应变时效有关[15]，但P92钢的循环应力响应曲线及迟滞回线中并没有出现PLC(Portevin-Le Chatelier)效应，即锯齿形屈服现象，因此无法将P92钢的初期循环硬化归结于动态应变时效效应。在循环初期，P92钢组织中可观察到高密度的位错结构,如图5(a)所示，其初期的循环硬化可归因于组织中位错的快速增殖。快速增殖的位错与晶界和碳化物产生交互作用，导致材料硬化。随着循环次数的持续增加，原马氏体高密度位错发生攀移和交滑移，板条马氏体转变为等轴胞结构，在等轴胞结构内存在一些孤立位错线，相比循环初期位错密度明显降低，如图5(b)所示。可知，循环后期材料的软化与位错密度降低及固溶强化减弱相关。

图5 P92钢在高温低周疲劳循环初期和后期的SEM形貌(应变幅0.5%)Fig.5 SEM morphology of P92 steel at cycle initial (a) and later (b) stages of high temperature low cycle fatigue (strain amplitude of 0.5%)

2.2 应力控制下的高温疲劳性能

由图6可以看出，随着应力幅的增加，P92钢在550 ℃下的迟滞回线的面积增大，说明应变能提高，每个循环次数的损伤程度增大。在对称应力控制条件下，随着循环次数的增加，迟滞回线缓慢右移，说明P92钢在高温低周疲劳时出现了循环蠕变现象。

图6 P92钢在550 ℃、不同应力幅下的低周疲劳迟滞回线Fig.6 Low cycle fatigue hysteresis loops of P92 steel at 550 ℃ under different stress ranges

由图7可以看出，P92钢在疲劳循环初期的数百个周次内的塑性应变幅随循环次数的增加而降低，说明P92钢出现了循环硬化现象，随后随循环次数的继续增加转变为循环软化，循环塑性应变积累直至试样断裂。取1/2Nf处的塑性应变幅和弹性应变幅，绘制应变幅-循环反向次数(2Nf)曲线。由图8可知，P92钢在高温应力控制条件下的应变与疲劳寿命关系未遵循Manson-Coffin方程。

图7 550 ℃、不同应力幅下P92钢的塑性应变幅-循环次数曲线和平均应变幅-循环次数曲线Fig.7 Plastic strain amplitude-number of cycle curve (a) and average strain amplitude-number of cycle curve(b) of P92 steel at 550 ℃ under different stress amplitudes

图8 P92钢在应力控制下的应变幅-循环反向次数曲线Fig.8 Strain amplitude-cyclic reverse number curve of P92 steel under stress control

2.3 应变时效后的高温拉伸性能

由图9可知，应变时效处理后，P92钢的拉伸应力-应变曲线中出现了明显的屈服平台，且随着时效温度的升高，屈服强度增大。应变时效处理后P92钢的高温拉伸应力-应变曲线出现了PLC屈服现象，表明在550 ℃下P92钢发生了动态应变时效。

图9 P92钢在不同温度和预应变拉伸时效处理后的高温拉伸工程应力-应变曲线Fig.9 High temperature tensile engineering stress-strain curves of P92 steel after tensile aging at different temperatures and prestrains

应变时效处理后出现的PLC屈服现象与组织中存在的大量空位有关；应变时效处理提高了位错密度，位错相互缠结成的网络成为原子扩散的通道，原子扩散到位错附近偏聚导致P92钢出现不稳定的塑性变形[16]。由表3可知：随着预拉伸应变量由2%增加到4%，屈服强度增大，但抗拉强度变化程度较小；随着时效温度升高，屈服强度及抗拉强度变化较小；随着预拉伸应变增加或时效温度升高，断后伸长率持续下降，说明P92钢的塑性持续降低。动态应变时效引起的强化作用是由于在变形过程中金属固溶体内的间隙或置换溶质原子，如碳、氮等向可动位错偏聚并对位错进行钉扎而造成的[17]。

表3 应变时效处理后P92钢的高温拉伸性能

由表4可知，应变时效处理后P92钢在280～350 MPa应力幅下的高温疲劳寿命显著降低。由图12可知，应变时效处理后P92钢在320，350 MPa应力幅下的塑性应变积累高于未经应变时效处理的。经应变时效处理的P92钢的强度高于未经应变时效处理的，推测在相同应力幅下，应变时效处理后的试样的塑性变形程度应较低，与试验结果相反，这说明塑性应变幅应包括由循环蠕变产生的黏弹性应变。应变时效处理的P92钢在350 MPa应力幅下循环初期的塑性应变幅低于未经应变时效处理的，但随着循环蠕变速率的增加，约循环60周次后，应变时效处理的P92钢的塑性应变幅高于未经应变时效处理的。可知，循环蠕变速率的增加导致应变时效处理P92钢的疲劳寿命降低。

表4 未经应变时效处理和经应变时效处理P92钢在不同应力幅下的高温疲劳寿命

2.4 应变时效后的高温疲劳性能

以预拉伸应变2%，时效温度350 ℃条件下应变时效后的P92钢为例，对其在应力控制模式下的高温疲劳性能进行研究。由图10可以看出，在应力控制条件下，除了应力幅为300 MPa外，其他应力幅下P92钢的塑性应变幅均随着循环次数的增加而增大，循环塑性应变积累增加，即P92钢出现循环蠕变现象。不同应力下循环初期均出现平均应变幅为负的现象，表明P92钢受到循环压缩作用。取1/2Nf处的塑性应变幅和弹性应变幅，绘制应变幅-循环反向次数曲线。由图11可以看出，应变时效处理后P92钢在高温应力控制条件下的应变与疲劳寿命关系不遵循Manson-Coffin方程。

图10 应变时效处理后P92钢在应力控制下的塑性应变幅-循环次数曲线以及平均应变幅-循环次数曲线Fig.10 Plastic strain amplitude-number of cycle curves (a) and average strain amplitude-number of cycle curves (b) of P92 steel under stress control after strain aging

图11 应变时效处理后P92钢在应力控制下的应变幅-循环反向次数曲线Fig.11 Strain amplitude-cyclic reverse number curves of P92 steel under stress control after strain aging

图12 未经应变时效和应变时效处理P92钢在320，350 MPa应力幅下的塑性应变幅-循环次数曲线Fig.12 Plastic strain amplitude-number of cycle curves under 320, 350 MPa stress amplitudes of P92 steel without and with strain aging

3 结 论

(1) 在550 ℃应变控制条件下，P92钢的应变与疲劳寿命关系符合Manson-Coffin方程，在低应变幅(低于0.7%)下P92钢表现出先循环硬化后循环软化的现象。

(2) 在550 ℃对称应力控制条件下，P92钢的应变与疲劳寿命关系不遵循Manson-Coffin方程，高应力幅(350 MPa)下P92钢出现先循环硬化后循环软化的现象。

(3) 应变时效处理提高了P92钢的屈服强度，但对抗拉强度的影响较小，应变时效处理P92钢的高温拉伸应力-应变曲线出现PLC屈服现象；在应力控制条件下，除了应力幅为300 MPa外，其他应力幅下P92钢的塑性应变幅均随着循环次数的增加而增大，出现循环蠕变现象；应变时效处理P92钢在高温应力控制条件下的应变与寿命关系不遵循Manson-Coffin方程，且应变时效处理大幅降低P92钢的低周疲劳寿命。