小沖桿試樣蠕變試驗分析P91鋼缺口敏感度

張經偉， 梁坤， 昝靜一， 林嘉銘， 劉康林

(福州大學石油化工學院， 福建 福州 350108)

0 引言

過去幾十年， 由于無法對在役設備進行大面積取樣， 給材料性能測試帶來了很大的挑戰. 為解決該問題， 微型試樣測試技術在發電及石油化工等行業得到了廣泛的發展[1-2]. 經過許多研究人員的努力， 提出了小沖桿蠕變試驗方法， 該方法采用微型試樣蠕變試驗來表征現役設備中所使用材料的蠕變特性[3-7]. 自1981年由Manahan 等引入小沖桿試驗(small punch test, SPT)以來， SPT成為一種有前途的采用微型試樣的試驗方法， 用于測試靜態、 斷裂和蠕變性能[8-10]. SPT是一種機械的實驗方法， 將厚度為0.5 mm， 公差在±0.005 mm左右的正方形或圓形狀試樣安裝在夾具中， 球形壓頭壓至試樣破裂. 試樣尺寸小意味著SPT可以看作是一種對現役設備幾乎無損的試驗[11-14].

隨著SPT的發展， 已開發適用于小型設備的歐洲標準化委員會(CEN)操作規范， 使用此規范進行沖壓試驗， 以獲得蠕變斷裂、 拉伸和韌性等材料性能[15-18]. 迄今為止， 大多數的研究都集中在利用完整的SPT試樣獲得材料性能參數以及關聯單軸試驗獲得的材料性能參數， 得到對應參數的轉換關系[4, 15]. 但是對帶有預缺口的SPT試樣做小沖桿蠕變試驗研究甚少.

目前， 大部分研究主要采用無缺口的試樣， 但也有少數研究者提出不同形式缺口試樣在小沖桿試驗中的應用. Lacalle等[12]提出缺口方向與試樣直徑方向一致， 缺口深度為試樣厚度的SPT試樣， 測定具有明顯各向異性斷裂行為材料的斷裂韌性； Cuesta等[19]提出缺口方向與試樣直徑方向一致、 缺口深度是SPT試樣厚度一半的試樣可以作為測定材料斷裂性能的一種替代方法； Turba等[20]提出的在預期頸縮位置， 深度為試樣厚度一半的圓形缺口試樣， 創建軸對稱應力分布， 從而產生近平面應變條件， 為斷裂韌性的估算提供比標準幾何形狀更堅實的基礎. 不同缺口都有詳細的制備技術， 具體步驟參照文獻[10]. 以上研究工作主要集中在利用缺口SPT試樣研究材料斷裂性能， 尚未考慮此類型試樣對材料蠕變斷裂的影響. 本研究考察不同缺口長度對SPT試樣蠕變斷裂的影響， 并探討不同斷缺口長度的斷裂機理.

1 材料及試驗過程

1.1 試樣制備

試驗材料為某火電廠高溫蒸汽管道用鋼P91材料， 已經在600 ℃高溫下服役了近1×105h， 其化學元素質量分數如表1所示. 通過與標準的P91材料對比， 發現各元素質量分數符合標準要求.

表1 P91鋼化學成分

P91鋼金相組織如圖1所示， 材料中有析出碳化物顆粒的球化. 隨碳化物顆粒的析出和長大， 有明顯的軟化和強度降低現象. 材料硬度值為200.02 HV， 600 ℃下抗拉強度為248.85 MPa，

圖1 P91鋼金相組織Fig.1 P91 steel metallographic structure

不同長度缺口試樣采用線切割機制備. 試樣如圖2所示， 試樣直徑d1=10 mm， 制備不同缺口長度l=4.00、 4.50、 4.75、 5.00、 5.25 mm， 實際測量值如表2所示， 試樣直徑公差為0.01 mm， 厚度h=1.0 mm， 將試樣的上下兩面分別在400#、 800#、 1 000#、 1 200#、 1 500#、 2 000#不同粒度上的砂紙上依次進行手工磨制， 磨制試樣厚度達到h0=0.5 mm， 厚度公差±0.005 mm， 再使用粒度為W2.5金剛石研磨膏， 進行手工機械拋光， 拋光至鏡面即可.

圖2 小沖桿缺口試樣圖Fig.2 Schematic diagram of notch in SPT specimen

表2 試樣初始缺口尺寸

1.2 試驗過程

小沖桿蠕變試驗示意圖如圖3所示. 試驗裝置在載荷控制模式下對試樣施加載荷， 光柵位移傳感器記錄試樣中心的撓度變化， 高精度測力傳感器控制加載系統， 溫控裝置控制試驗溫度， 并由數據采集系統把所需的試驗信息傳遞給計算機， 然后由計算機最終完成儲存試驗數據的工作. 試樣通過上下壓模固定， 上下壓模由鎖緊螺母緊固， 試驗載荷通過沖桿施加在陶瓷球上， 陶瓷球與試樣上表面接觸， 載荷通過陶瓷球再作用于試樣表面. 另外， 在升溫到目標值之前， 用氬氣對試樣室進行數次排空和沖洗并在整個試驗過程中保持氬氣流通， 以避免試樣被氧化. 本試驗溫度為600 ℃， 公差為±3 ℃， 試驗載荷為500 N.

圖3 SPT示意圖Fig.3 Diagram of SPT

依據金屬材料的小沖桿實驗方法CWA15627中B部分所描述利用掃描電子顯微鏡測量缺口試樣破裂后斷口的厚度， 取斷口厚度多次測量的平均值為斷口厚度， 確定每個試樣的有效斷裂應變[21]為：

(1)

式中：εf表示有效斷裂應變；h0為試樣原始厚度， mm；hf為試樣破裂后的厚度， mm.

2 結果與討論

2.1 缺口敏感度分析

不同缺口長度的SPT試樣的時間-撓度曲線如圖4(a)所示， 為方便對比， 圖中加入了一個無缺口試樣結果. 從圖中可以看出無缺口試樣斷裂時間為104.5 h， 不同長度缺口的試樣斷裂時間如表3所示. 由于無缺口試樣的斷裂時間相比有缺口的試樣斷裂時間較長， 為方便比較不同缺口長度試樣的斷裂情況， 將其結果單獨顯示于圖4(b)中.

圖4 SPT試樣(600 ℃， 500 N)撓度與時間曲線Fig.4 Relationship between deflection and time of different notched lengths in SPT specimen (600 ℃, 500 N)

對圖4(b)曲線進行求導獲得撓度率曲線， 如圖5所示. 不同缺口試樣的撓度率-時間曲線主要分4個階段， 分別是： ① 瞬時變形階段， 試驗剛開始加載2 h， 試驗載荷加載至目標的過程中， 試樣主要發生彈性變形， 撓度率隨著試驗載荷的增大而增大， 不同長度缺口試樣的瞬時撓度值有明顯不同， 如圖6所示， 由于在該階段試樣主要發生彈性變形， 因此此時的瞬時撓度值的大小主要與試樣的剛度有關， 不同缺口長度使得試樣剛度不同， 進而產生的瞬時撓度有所差異； ② 蠕變變形速率減小階段， 載荷達到目標后， 保持恒定載荷后， 試樣主要發生塑性變形， 因載荷恒定撓度率直線下降； ③ 蠕變變形速率幾乎恒定階段， 隨著時間的推移， 試樣進入穩定的蠕變階段， 撓度率保持恒定， 該階段占整個試驗時間的主要部分， 不同試樣的撓度率會逐漸降低達到一個最小值(最小撓度率)， 該值越大， 試樣斷裂時間越小； ④ 蠕變變形速率增加階段， 隨著損傷的積累， 試樣開始產生裂紋等缺陷， 撓度率快速增大直到試樣發生斷裂.

圖5 不同長度缺口SPT試樣撓度率-時間曲線Fig.5 Relationship between deflection rate and time of different notched lengths in SPT specimen

圖6 不同長度缺口SPT試樣的撓度-時間曲線Fig.6 Relationship between deflection and time of different notched lengths in SPT specimen

從圖5中可以看出， 不同長度缺口試樣撓度-撓度率曲線存在一個最小值， 該曲線局部放大如圖7所示， 不同長度缺口試樣的最小撓度率大小及對應的試樣缺口尺寸如表3所示， 從中可以看出l=4.50 mm試樣的最小撓度率最大， 這與該試樣的斷裂時間最小相對應. 不同長度缺口試樣的斷裂撓度與缺口長度關系如圖8所示， 對于SPT中有較短的蠕變壽命的缺口長度l=4.50 mm的試樣發生破裂后， 其斷裂后的撓度值相比其他試樣較小， 這與該試樣斷裂時間最短相對應.

圖7 不同長度缺口試樣SPT撓度與撓度率曲線圖Fig.7 Relationship between deflection and deflection rate of different notched lengths in SPT specimen

圖8 斷裂撓度與缺口長度的關系Fig.8 Relationship between fracture deflection and notch length

表3 最小撓度率及斷裂時間

2.2 不同缺口試樣斷裂機理分析

在蠕變試驗過程中， 試樣承載過程示意如圖9所示[22]， 圖中A、 C部分試樣厚度變化較小， 圖中B部分試樣厚度隨著蠕變時間的進行逐漸減小， SPT試樣斷裂時發生圖中B部分的試樣與壓球接觸邊緣處， 此處應力應變最大. 不同試樣的斷口形貌如圖10所示， 從圖中可以看出缺口長度l=4.50 mm的試樣未在缺口長度方向開裂， 而在缺口兩側處沿圓周向開裂， 缺口長度l=4.00、 4.75、 5.00 mm的試樣同樣未在缺口長度方向開裂， 缺口直邊部分出現裂紋， 以上試樣均產生粘連的圓形帽， 而缺口長度l=5.25 mm的試樣斷裂時其裂紋沿缺口長度方向開裂， 未產生粘連的圓形帽， 斷裂后在缺口直邊部分發現裂紋. 在相同載荷條件下， 缺口長度l=5.25 mm的試樣在缺口長度所受應力小于試樣與壓球接觸邊緣處應力， 在其沿缺口長度方向開裂時， 因所受應力小， 所以得到比較長的斷裂時間. 這與圖10中試樣斷口觀察到的現象一致.

圖9 SPT錐體模型示意圖[22]Fig.9 Schematic diagram of cone model in SPT[22]

圖10 缺口試樣的斷裂模式及斷口形貌Fig.10 Fracture mode and fracture morphology of notched specimens

此外， 上述試樣斷口具有帽狀外觀， 產生主環向裂紋， 這表明該材料具有很高的延展性， 不同缺口長度試樣的斷裂表面均表現為沿晶間斷裂的跡象. 斷裂表面出現細小的徑向裂紋， 這表明當壓球完全穿透試樣時， 試樣由于蠕變延性耗盡而發生斷裂.

采用電子掃描電鏡多次測量斷口相鄰區域的厚度取平均值， 不同長度缺口試樣斷裂后的斷口厚度如表4所示. 通過公式(1)計算獲得不同長度缺口試樣的等效斷裂應變如圖11所示， 從圖中可以看出， 等效斷裂應變的變化趨勢與不同缺口試樣壽命趨勢(表3)一致， 這表明試樣斷裂時主要是由于延性耗竭發生斷裂.

表4 不同缺口長度試樣的斷口厚度

圖11 缺口長度與等效斷裂應變關系Fig.11 Relationship between notch length and equivalent fracture strain

3 結語

以已服役的P91鋼材料為研究對象， 分析不同長度缺口對試樣蠕變斷裂壽命及斷裂方式的影響， 主要結論如下.

1) 相比未開缺口試樣， 有缺口試樣的斷裂時間較短， 且缺口長度對斷裂時間的影響與缺口長度有關，l=4.50 mm缺口試樣蠕變斷裂時間最短，l=5.25 mm缺口試樣蠕變斷裂時間最長.

2) 不同長度缺口試樣的斷裂方式不同， 主要與裂紋起裂位置有關.l=4.50 mm的試樣裂紋沿圓周向開裂，l=5.25 mm的試樣裂紋沿缺口長度方向開裂， 而l=4.00、 4.75、 5.00 mm的試樣均表現出在缺口直邊部分出現裂紋導致斷裂.