P92焊接接头蠕变疲劳裂纹扩展试验文献综述

文献综述

1.1课题研究背景

现代工业正在向着高速、高温、高压的方向发展，严重威胁着现代工业设备安全的疲劳破坏问题日益突出。据有关统计，在现代工业各个领域中，大约有80%以上的结构强度破坏是由于疲劳破坏造成的[1]。在石油、化工、电力、航空航天等行业中，有许多机械设备，如压力容器、汽轮机、燃气轮机、冶金机械等长期在高温条件下工作，并且随着我国工业技术的迅速发展，这些设备必然会承受越来越高的温度和载荷作用，因此就要求这些设备除具有足够的强度、刚度和使用寿命外，还要有较高的安全性。材料的疲劳是材料在交变载荷作用下逐渐累积损伤、产生裂纹以及裂纹逐步扩展，直至最后破坏的过程。在火电、核电、石油化工、航空、航天等多个行业中，很多工程结构和机械装备长期承受高温和交变载荷作用。这些结构和装备在高温蠕变和疲劳的作用下材料损伤产生裂纹并不断扩展，最后引起泄露或爆炸，导致重大经济损失和人员伤亡等。随着科学技术的发展，越来越多的工程构件在高温环境下工作，且受载复杂，其局部应力往往超过屈服应力，使材料产生塑性变形和蠕变变形。一般而言，高温低周疲劳包含着蠕变和疲劳两种因素，因材料和工作条件的不同，这两种因素有时可以各自独立地发生作用，有时这两者之间还会产生不同程度的交互作用。由于一些设备经常处于反复启动一停车和载荷波动的状态，长期服役情况下这种载荷循环不可避免地导致疲劳裂纹产生，而且一定稳态温度下工作也会导致蠕变裂纹的萌生和扩展，当达到临界状态时很快导致非稳态断裂而失效[2]。

在早期时，高温设备的寿命评定一般只考虑疲劳载荷的影响，随着设备服役参数的提高，我们发现单纯疲劳裂纹扩展规律己不能解决问题，需要考虑保载期间蠕变机制对裂纹扩展的影响，因此高温疲劳和蠕变的研究日益受到科学界和工程界的广泛重视。在工程实际中，要为新的高温设备设计提供理论方法，确保设计是可靠和经济的，使得高技术过程能够得以体现；同时要为在役设备的可靠和集约的运行提供技术保障，后者的实现往往也促进了设计理论的发展。而高温工作组件由于其工作环境的特殊性常常受到人们的重视，涂善东[3]等人的高温结构完整性理论与技术已在现代石油化工、能源、冶金、航空航天以及许多高技术领域得到广泛的应用,它提供了装备设计、制造和使用的科学基础。对于光滑试样疲劳蠕变的交互作用，国内外学者已经进行了大量的研究，有比较完整的论述。而目前我国对高温工作下的组件进行有限元分析模拟蠕变裂纹扩展的情况还比较少，主要还是利用基于试验和经验公式来得到的结果来对实际的情况进行评估。由于高温下构件的疲劳问题，涉及的因素很多，如温度、应力状态、冶金状态、环境腐蚀及加载时间等对它都有影响，并且这种影响往往是错综复杂的，因此至今对此问题的研究还是很不成熟，因而在高温下疲劳裂纹扩展速率的研究具有很大的实用价值。

对于本次课题研究的P92钢，目前国内外对其的研究主要集中于焊接工艺性能方面，比如焊接材料的选择、焊接时间的综合控制等，而对焊接接头方面研究较少，尤其是焊接接头高温蠕变下的失效，包括失效机理、失效形式、失效拓展、失效判断等方面，其中失效机理的讨论也是较为密集的一块。因此众多国内外学者从断裂裂纹的形成机理提出了许多精确的结论，从而对提高焊接接头强度、延长使用寿命等方向作出了建议。而对于裂纹附近的力学分析，例如力学场、温度场、应力应变、裂纹拓展速率、裂纹尖端系数的研究比较局限，尤其是高温蠕变与疲劳交互载荷作用下的材料各种特性研究较少，因此这也对本次课题研究方向也提供了一些思考。

1.2国内外研究现状

在高压蒸汽锅炉、汽轮机、燃气轮机、柴油机、航空发动机以及化工炼油设备中，很多机件长期在高温下服役。在高温短时载荷作用下，金属材料的塑性增加，但在高温长时载荷作用下，塑性却显著降低，缺口敏感性增加，往往呈现脆性断裂现象。随着试验温度的升高，金属的断裂由常温下的穿晶断裂过渡到沿晶断裂。一般认为，这是由于在晶界上形成裂纹并逐渐扩展而引起的。实验观察表明，在不同的应力与温度条件下，晶界裂纹的形成方式有两种，一种是在三晶粒交会处形成的楔形裂纹，另一种是在晶界上由空洞形成的晶界裂纹。由于蠕变通常发生在材料内部，且随着时间的延长而缓慢进行，因此蠕变裂纹的产生也具有突发性，往往产生的后果也难以预测，所以对高温工作材料的蠕变研究也显得非常重要。一般对高温构件的焊接接头研究，国内外众多学者也采取了众多方法，提出了许多的结论，这对实际工程运用有着深远的影响[4]。

1.2.1基本力学性能研究

屈服强度，抗拉强度，冲击韧性，延展性等这些基本力学性能受到温度的影响变化巨大，一般在高温和低温下材料性能会发生明显的转折。尤其是蠕变-疲劳交互载荷作用下的断裂失效研究，其中蠕变疲劳曲线是研究较为集中的一块，一般在基于传统蠕变加速、匀速、再加速三阶段的过程下提出的一些修正曲线，将裂纹起裂与裂纹拓展时间更加具体化。还有分析坡口形状尺寸、接头多元材料的差异、热处理、时效变化对裂纹产生及拓展的影响。

戴长清，田富强，轩福[5]等人研究了T92/P92钢在高温长时服役条件下的力学性能变化的研究，并分析、总结了T92/P92钢高温长时作用下的蠕变力学特性以及各国学者对T92/P92钢蠕变性能研究的发现和进展。而力学性能主要包括屈服强度、抗拉强度、端面收缩率和伸长率等，提出蠕变寿命与应力的关系、不同温度下最小蠕变速率与应力的关系、特定温度下蠕变速率与时间及应力应变的关系，从而对T92/P92钢蠕变力学性能有了一个较为综合的宏观认识。

赵强，彭先宽，丛相州，安威[6]等人主要研究了P92钢的强化机制和退化机制，从材料组织内部本身进行研究。在不同温度和压力条件下完成P92钢的蠕变及持久试验，研究了P92钢在高温条件下高应力阶段的蠕变及持久特性，建立了P92钢Larson-Miller持久外推曲线。利用蠕变特性中的参数推断其蠕变及断裂机制,同时利用微观组织的观察研究P92钢的强化机制及强化相的特点。得出来诸多晶粒组织、固溶碳化物含量对损伤机制的影响，弥散强化的结论。

王淦刚，赵军，赵建仓，杨晓东[7]等人针对超超临界(USC)机组主蒸汽管道用大径厚壁新型铁素体P92钢管，主要分析了P92钢焊接接头的力学性能，介绍了其焊接接头性能试验结果及其在邹县电厂的应用情况，为P92钢的焊接工艺评定及其工程焊接工艺规程的制订奠定了技术基础。采用伯乐蒂森和奥林康焊接材料焊接的P92钢试件各项力学检验数据满足1000MW级USC机组的使用要求。焊接工艺评定试验研究结果应用于邹县电厂7号机组P92钢受监焊口工程的焊接，取得了良好的技术和经济效果。

1.2.2蠕变-疲劳失效理论研究

对大多数金属材料来说，室温下蠕变变形很小，而高温下则必须考虑蠕变的影响，同时材料在高温下的机械性能随着温度的变化有明显的变化，构件的应力也因温度与时间的影响而重新分配，因此在考虑高温下的疲劳特别是高温低周疲劳时，必须同时考虑蠕变-疲劳的交互作用。另外，随着科学技术的飞速发展，从化工设备、动力机械、发电机设备、航空航天及核动力技术的发展需要，有关这方面的研究正方兴未艾，国内外学术界都在争先恐后的开展工作。这门学科已经成为宏观力学理论如弹性力学、塑性力学、蠕变力学、断裂力学、损伤力学等与金属微观结构学新兴学科，尤其是多维应力状态下影响的因素更多更复杂，而且有许多现象用单维应力状态下理论是无法解释的。因此，对高温一蠕变一疲劳交互作用的研究无论从理论上还是工程实际中都有重要意义。高温领域的温度问题与常温下不同的主要原因在于，材料或构件是在高温下产生蠕变现象。蠕变现象的发生是温度、应力和时间三者共同作用的结果，温度和应力的作用方式可以是恒定的，也可以是变动的，而交变应力作用下的蠕变即为蠕变疲劳交互作用问题。对一般的蠕变疲劳交互作用问题来说，其强度特性不能截然地分为取决于时间和循环的两种特性，且不能像通常所说的蠕变和疲劳那样以完全不同的破坏机理加以区别。因此，蠕变-疲劳交互作用下疲劳寿命的预测和疲劳裂纹扩展规律的建立，必须根据某种观点将两者特点相结合起来的理论进行[8]。

通过对高温部件焊缝进行失效分析，可得出以下规律：大部分焊缝的失效为蠕变失效，因为很明显地出现了蠕变空洞；裂纹产生于焊缝金属中、热影响区过热的粗晶区内以及相变重结晶区和不完全重结晶区的交界区域；焊缝金属强度较低或热导性较差是焊缝金属中产生裂纹的主要原因；由于应力破坏而产生的环向应力、系统弯曲应力或局部应力亦可造成热影响区产生蠕变裂纹；蠕变裂纹孔洞的排列方向总是与拉伸载荷的方向一致；夹杂物的存在对失效破坏的形成有影响，为孔洞在夹杂物处形成提供了条件[9-10]。

1.2.3蠕变-疲劳裂纹形成机理研究

通过改进K-R蠕变损伤本构方程，主要分为材料组织变化及力学场模拟两大块内容。从材料角度来讲，研究金属材料中晶体组织变化，碳化物的形成与析出，孔洞的扩大等方面；从力学模拟来讲，将实验研究所得数据与模拟有限元力学场相结合得出重要结论，主要包括蠕变性能失配和接头多材料区尺寸对裂尖前蠕变断裂力学参数、裂纹附近应力/应变分布、损伤场和裂纹起裂的影响规律。

赵雷[11]研究了焊接接头的蠕变失效机理，通过实验分析和模型的建立，提出了改进的R-K方程，并从材料显微组织的角度出发，对蠕变损伤机理进行有限元分析。提出了蠕变裂纹形成的过程，焊接接头在低应力范围内产生的是细晶区IV型开裂，蠕变孔洞形成及扩展伴随碳化物沉积、粗化、积聚的过程，以及蠕变孔洞的数目不断增加尺寸逐渐增大，逐渐连成微裂纹形成宏观裂纹，造成P92钢焊接接头的IV型开裂的原因。

王根士，栗卓新[12]等人综述了P92钢焊接接头性能及其焊接材料的研究进展。对蠕变性能的研究工作主要集中在蠕变断裂的产生机理、蠕变强度的提高措施、蠕变断裂的评估方式,疲劳性能的研究集中在硬度、温度对疲劳裂纹的影响。简单总结了韧性的改善途径。指出开发P92钢焊接材料的重点是同时保证焊接接头的蠕变性能和韧性。最后展望了P92钢焊接的研究方向和前景。

赵强，彭先宽，王然[13]等人利用P92钢在595、610、640、670℃的高应力试验条件下的蠕变试验数据，得出其Norton应力指数，依据Norton应力指数的大小判定其蠕变机理为位错蠕变。同时结合1种新的蠕变变形及断裂模型，引入将蠕变损伤看作1个内在的阶段变量的蠕变损伤容许量系数，根据蠕变损伤容许量λ=2.94，判断其蠕变变形和断裂是位错运动控制的。微观组织的观察也表明，蠕变后的试样中位错密度大大降低，高密度位错是P92钢持久强度高的原因，伴随着位错密度的下降，P92钢持久强度降低直至断裂。

1.2.4蠕变-疲劳裂纹扩展研究

这是高温构件的主要研究方向，主要是研究焊接接头蠕变裂纹附近应力场，温度场变化引起的裂纹扩展情况。一般应用有限元蠕变分析损伤模型，并预测焊接接头多材料区不同位置裂纹的蠕变损伤和断裂行为。由于P92焊接接头裂纹主要为Ⅳ型裂纹，且裂纹集中于热影响区，以细晶区为主，所以研究范围也集中于靠近临界热影响区的细晶区,即加热峰值温度在AC3附近。通过实验以及有限元力学模拟，对裂纹扩展速率，扩展曲线，扩展寿命进行研究，并得出一些函数关系或定性关系。

安俊超[14]抓住了蠕变裂纹扩展速率这一重点，采用了实验的方法，制备了焊接接头各个热影响区的模拟试样，并与实际的焊接接头组织进行了对比。通过采用柔度法和电位法测量了裂纹的长度，由此观察蠕变裂纹随时间变化带来的比较明显的组织变化，得出扩展速率的一些特点，据此对比分析出各个影响区的裂纹的扩展情况，得出最终的结论。

肖明[15]主要是从裂纹附近，尤其是尖端部分的力学场进行研究，所以就将断裂损伤与力学场应力应变结合起来，从建立力学模型的过程分析裂纹的扩展机理。文章大体上利用有限元模型，讨论了焊接接头材料蠕变性能失配对蠕变损伤及裂纹起裂的影响，多材料区（主要是细晶区、粗晶区、母材界面、裂纹中心区域）尺寸对局部蠕变变形及损伤的影响。最后得出不同焊缝尺寸、不同焊接材料及不同焊接工艺参数对裂纹形成的影响，定性分析了裂纹扩展的一些关键性因素，提出了宝贵的意见，具有一定的实际工程意义。

纪冬梅，轩福贞，涂善东，姚秀平[16]综述了国内外关于P91钢的蠕变-疲劳试验，以及前人在试验数据基础上开展的蠕变-疲劳交互作用研究和蠕变-疲劳寿命预测模型研究。综述前人的研究成果，得到了以下结论:应变控制的蠕变-疲劳试验，试验过程中保载时间会发生变化；应变控制的蠕变-疲劳试验认为蠕变与疲劳互相促进作用，应力控制的蠕变-疲劳试验认为疲劳抑制了蠕变；修正的延性耗损模型较适用于预测P91钢的蠕变-疲劳寿命；试验条件相同的情况下，对于CF(Creep-fatigue)试验与RF(RelaxationFatigue)试验，CF寿命明显小于RF寿命；利用ASME规范预测的寿命偏于保守，利用RCC－MR/DDS规范预测的寿命稍高于试验值。

周玮生,，TakayukiKitamura，RyuichiOhtani[17]主要研究了预蠕变损伤对高温疲劳宏观裂纹扩展的影响。通过对不锈钢钢管试样，试样标准详见国家标准[18]，进行预蠕变处理，考察了试样内部因预蠕变疲劳而产生的大量的粒界微小裂纹对高温疲劳宏观裂纹扩展的情况，发现预蠕变损伤加速了蠕变裂纹扩展。

张国栋，薛飞，王兆希，赵彦芬，张路，蒙新明[19]等人在546℃下，对电厂用关键材料P91钢进行应力控制的蠕变疲劳交互作用下试验。分别讨论平均应力和应力幅对断裂时间的影响，分析断口形貌与韧窝脱粒成分，断口裂纹金相，获得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，由于微观裂纹的闭合，P91钢蠕变疲劳交互作用寿命随着下保载的时间增加而增加。通过断口金相分析，试样断口裂纹均为穿晶断裂。对断口韧窝的脱粒成分研究，脱粒为氧化物。研究结果为P91钢蠕变疲劳断裂机制分析提供理论和实验基础。

饶思贤，彭辉，周煜，潘紫微，岑豫皖[20]：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。

1.3研究意义

在石化、化工、电力等多个行业中很多机械装备长期承受高温和交变载荷作用，造成材料损伤产生裂纹并不断扩展，最后引起泄露或爆炸，导致重大经济损失和人员伤亡等。各国学者已进行了较多的高温疲劳构件的剩余寿命评估技术的研究，取得了不少研究成果，但在疲劳和蠕变共同作用下的裂纹扩展规律还没有很好的解决。本次课题是对P92钢这类在高温下工作的钢材料进行蠕变疲劳交互载荷作用下的裂纹扩展情况的研究，这对预测焊接接头裂纹生长及扩展，避免因IV型断裂引起的失效，保障火电厂蒸汽管道的平稳安全进行有着重要的意义。

P92钢作为超超临界机组(USC)[21]应用的新型耐热钢材料，常用于高温、高压主蒸汽管道等部件,其焊接接头性能的优劣直接关系到机组的安全可靠运行。高温蒸汽管道制造往往采用焊接工艺，而焊接接头失效的事故常有报道。因此P92钢焊接接头在高温下的蠕变损伤情况是本次课题的主要研究方向。焊接接头是P92钢管道的薄弱环节，是决定能否安全运行的关键因素。目前国内对于超临界机组P92钢焊接的研究多在基建安装阶段的焊接工艺层面上，对P92钢管焊接含陷焊接接头对其运行安全性的影响等方面研究缺乏。P92钢管道焊接接头为研究对象针对含裂纹缺陷高温结构开展蠕变裂纹扩展、疲劳裂纹扩展和蠕变疲劳裂纹扩展研究为试验研究性课题。

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