304不銹鋼構(gòu)件的高溫蠕變特性分析

梁浩宇，段滋華

（太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，太原030024）

在石油、化工及核電等高新技術(shù)行業(yè)中，大量金屬構(gòu)件在高溫、高壓及強(qiáng)腐蝕介質(zhì)條件下服役。一旦承載構(gòu)件意外破壞，將導(dǎo)致災(zāi)難性的后果和造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。因此，耐高溫且防腐蝕的高合金鋼構(gòu)件在這些行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。304不銹鋼是一種通用性的不銹鋼材料，具有優(yōu)良的耐高溫和抗腐蝕性能，使用溫度極限達(dá)650℃，其防銹性能也十分優(yōu)異。因這些承載構(gòu)件長(zhǎng)期受到高溫作用，面臨一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)——高溫蠕變［2］。對(duì)石油、化工等行業(yè)中，在役的壓力容器和高溫高壓管道的失效形式調(diào)查結(jié)果表明，疲勞、蠕變和腐蝕是其失效的主要原因。對(duì)于長(zhǎng)期處于高溫高壓狀態(tài)下的不銹鋼管道設(shè)備，蠕變行為決定了設(shè)備的使用壽命及其安全可靠性，因此蠕變性能的高低成了評(píng)價(jià)其性能的主要依據(jù)之一［3］。

目前，關(guān)于蠕變特性的研究方法主要包括蠕變?cè)囼?yàn)研究和有限元數(shù)值分析兩大類。由于傳統(tǒng)單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法具有局限性，研究者又提出了微小型試樣技術(shù)［4］、“Cryo－Cracking”法［5］等。新的蠕變?cè)囼?yàn)方法解決了單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法用材較多，且對(duì)試樣制備要求嚴(yán)格等問(wèn)題，但仍舊耗時(shí)費(fèi)力。有限元數(shù)值分析方法不僅具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，且耗時(shí)短、費(fèi)用低、實(shí)驗(yàn)精度高，在我國(guó)應(yīng)用有限元分析方法進(jìn)行金屬構(gòu)件高溫蠕變研究取得了一定的進(jìn)展，但304不銹鋼構(gòu)件的高溫蠕變特性還未涉及。因此，筆者選用有限元分析軟件對(duì)304不銹鋼構(gòu)件的高溫蠕變特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，取得了是較為理想的結(jié)果。

1 有限元分析的蠕變模型

蠕變曲線大致可分三個(gè)階段：第一階段是應(yīng)變隨時(shí)間而增加，應(yīng)變速率卻逐漸減小，此過(guò)程可稱為蠕變減速階段；第二階段是應(yīng)變隨時(shí)間勻速增加，而應(yīng)變速率基本保持不變，稱蠕變的穩(wěn)態(tài)階段；第三階段是應(yīng)變速率急劇增加并快速延伸至斷裂，此為蠕變的加速階段。

蠕變是一種跟速度相關(guān)的材料非線性，它指當(dāng)對(duì)材料施加恒定載荷時(shí)，其變形會(huì)隨著時(shí)間的增加持續(xù)增加；但施加位移約束后，應(yīng)力則會(huì)隨著時(shí)間逐漸減小。

1．1 材料的屈服準(zhǔn)則

Von Mises屈服的物理意義是：在一定的變形條件下，當(dāng)材料的單位體積形變產(chǎn)生的彈性位能達(dá)到某一值時(shí)，材料便會(huì)發(fā)生屈服。Von Mises應(yīng)力是基于剪切應(yīng)變能的一種等效應(yīng)力，其值為：

其中：a1，a2，a3分別指第一、二、三主應(yīng)力［6］。

該公式恰好能精確表征材料的高溫蠕變過(guò)程，因此本文選用Von Mises屈服準(zhǔn)則作為材料的蠕變準(zhǔn)則。

1．2 材料的蠕變模型

蠕變方程的函數(shù)表達(dá)式為：

由式（1）可以看出，蠕變速率與應(yīng)力、時(shí)間、溫度具有相關(guān)性。而f1～f3中的參數(shù)則是由材料高溫蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)擬合得到。

溫度與應(yīng)變的關(guān)系為：

應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

時(shí)間與應(yīng)變的關(guān)系為：ξcr＝Dtm。

其中：Q為熱激活能；T為熱力學(xué)溫度；R為氣體常數(shù)；σ為應(yīng)力；t為時(shí)間。將這些函數(shù)與式（1）聯(lián)立并求解，得到了材料蠕變的一般表達(dá)式：

如果材料各向同性，則（2）式可簡(jiǎn)化為：

將上式對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，得到了材料蠕變的時(shí)間硬化關(guān)系式：

在ANSYS軟件中，為分析材料蠕變建立了兩種模型，即顯式蠕變和隱式蠕變模型。筆者選取具有較高精度且更快處理速度的隱式蠕變模型作為計(jì)算模型，其表達(dá)式為：

2 單軸蠕變數(shù)值模擬

蠕變?cè)囼?yàn)方法之一是采用單軸拉伸試驗(yàn)［7］。在某一恒定溫度下，將一組試樣分別置于不同應(yīng)力下進(jìn)行試驗(yàn)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出材料的蠕變曲線。

本文將擬合得到的304不銹鋼時(shí)間硬化蠕變模型輸入ANSYS中，模擬了材料的高溫蠕變過(guò)程。通過(guò)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較，來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的可靠性。

2．1 模型建立

經(jīng)過(guò)對(duì)600℃溫度下，三種不同應(yīng)力的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了304不銹鋼材料擬合后的時(shí)間硬化隱式蠕變方程：

試件長(zhǎng)100mm，寬10mm，厚3mm，見(jiàn)圖1。為了計(jì)算方便，故將模型簡(jiǎn)化，只考慮軸向均勻載荷，不考慮試件端部幾何形狀的影響，取試件中部1／4為計(jì)算模型，選用PLANE183（8節(jié)點(diǎn)）單元進(jìn)行數(shù)值模擬［8］。網(wǎng)格劃分后對(duì)模型施加位移約束和恒載荷拉應(yīng)力。

圖1 矩形蠕變?cè)嚰?/p>

2．2 數(shù)值模擬結(jié)果

將模型計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與單軸蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，吻合度較好。如圖2所示。證明了該模型具有可行性。

圖2 304鋼單軸蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、模擬結(jié)果（600℃）

隨著應(yīng)力的增大，材料的蠕變速率也隨之增大；蠕變的前兩個(gè)階段時(shí)間非常短，很快便進(jìn)入了蠕變的加速階段。

因此，蠕變極限對(duì)于高溫環(huán)境下服役的304不銹鋼構(gòu)件就顯得尤為重要，筆者通過(guò)數(shù)值模擬的方法，求解得到了不同溫度下304不銹鋼鋼管的蠕變極限。

3 模擬求解304不銹鋼鋼管的蠕變極限

目前測(cè)定某溫度下蠕變極限的通用方法是：1）作出規(guī)定時(shí)間和應(yīng)變的關(guān)系曲線（選取不少于4～6組應(yīng)力，每組試樣至少3根）；

2）根據(jù)得到的各組不同應(yīng)力下的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在比例或?qū)?shù)坐標(biāo)紙上繪出應(yīng)力與規(guī)定時(shí)間內(nèi)應(yīng)變的關(guān)系曲線；

3）用內(nèi)插法在圖中求出蠕變極限。

由于蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程繁雜、費(fèi)用很高，且耗時(shí)甚長(zhǎng)，因此，利用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)得到材料蠕變極限就變得十分困難。而利用有限元數(shù)值模擬求解材料的蠕變極限，不僅時(shí)間短，費(fèi)用低，且精確度很高。

3．1 模型建立

304不銹鋼鋼管的規(guī)格為?57mm×3mm，取鋼管橫截面1／4為計(jì)算模型；溫度分別為450，600℃；試驗(yàn)時(shí)間為10 000h；規(guī)定應(yīng)變?yōu)?%的總變形量。

選用PLANE183（8節(jié)點(diǎn)）單元進(jìn)行數(shù)值模擬。模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3所示。模型兩端分別施加對(duì)稱的位移約束，在管材內(nèi)表面施加均勻的內(nèi)壓載荷。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

3．2 ANSYS模擬結(jié)果及分析

由兩種不同溫度下管材的位移云圖（如圖4）可以看出，鋼管的內(nèi)表面是蠕變最嚴(yán)重的部位，沿半徑向外蠕變逐漸減小。因此，求解蠕變極限時(shí)應(yīng)以管材內(nèi)表面的變形量為準(zhǔn)。

規(guī)定的總應(yīng)變?yōu)?%，換算成管材內(nèi)表面的變形量應(yīng)為25．5mm×1%＝0．255mm。圖5中a線是450℃時(shí)、4．85MPa下鋼管10 000h產(chǎn)生的總變形量，其值為0．255 671mm。計(jì)算后可知，模擬求解得到的蠕變極限誤差為0．002 63%，滿足要求。圖5中b線是600℃時(shí)、3．78MPa下鋼管10 000h產(chǎn)生的總變形量，其值為0．256 474mm，誤差為0．005 78%，同樣滿足要求。由此可知，304不銹鋼鋼管450℃，經(jīng)過(guò)10 000h產(chǎn)生1%的總應(yīng)變時(shí)的蠕變極限為4．85MPa；600℃，經(jīng)過(guò)10 000h產(chǎn)生1%的總應(yīng)變時(shí)的蠕變極限為3．78MPa。

圖4 不同溫度下管材的位移云圖

圖5 不同溫度下管材內(nèi)壁隨時(shí)間的變形曲線

對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析可知，304不銹鋼管在高溫下的蠕變極限數(shù)值較小；且隨著溫度的升高，304不銹鋼鋼管的蠕變極限呈逐漸減小的趨勢(shì)。因此，在工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)格外注意高溫蠕變對(duì)304不銹鋼鋼管變形產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

高溫構(gòu)件的蠕變特性是影響其壽命的主要因素。由于制造蠕變?cè)嚰^(guò)程繁雜、費(fèi)用很高，且試驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，極大地制約了試驗(yàn)的可行性。因此，利用有限元分析軟件，對(duì)高溫構(gòu)件的高溫蠕變特性進(jìn)行數(shù)值模擬，是較為理想的方法。本文通過(guò)對(duì)304不銹鋼蠕變曲線的分析，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可行性。將此方法推廣到求解構(gòu)件的蠕變極限上，可節(jié)省大量的時(shí)間與經(jīng)費(fèi)，為304不銹鋼構(gòu)件在高溫環(huán)境中的使用提供了依據(jù)。

［1］ 尤英俊，凌翔，涂善東．小沖孔試樣高溫蠕變損傷的有限元分析［J］．機(jī)械強(qiáng)度，2004，26（2）：183－187．

［2］ 李煜．復(fù)合鋼板壓力容器焊縫高溫蠕變研究［D］．太原：太原理工大學(xué)，2009．

［3］ 曾立英，楊冠軍，洪權(quán)，等．Ti－600合金的高溫蠕變行為［J］．材料熱處理學(xué)報(bào)，2011，32（2）：81－85．

［4］ 凌翔，劉桂忠，涂善東．應(yīng)用微型試驗(yàn)法評(píng)價(jià)INCONEL718合金時(shí)效處理后性能的劣化［J］．實(shí)驗(yàn)力學(xué)，1997，12（4）：587－592．

［5］ 屈金山，車小麗，劉力菱．Cryo－Cracking方法及其在焊接接頭蠕變斷裂失效分析中的應(yīng)用［J］．熱加工工藝，2001，（4）：18－21．

［6］ 王平，崔建忠．金屬塑性成形力學(xué)［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2006．

［7］ 國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局．GB／T 2039－199金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997：417－423．

［8］ 劉學(xué)，段向兵，閻平，等．P91鋼高溫蠕變的數(shù)值研究［J］．電力建設(shè)，2009，30（5）：52－55．