不同工況下20g鋼及焊縫材料的棘輪-疲勞行為

摘 要 對焦炭塔用20g鋼和焊縫材料，分別在20、250、495 ℃下進行單軸拉伸實驗和非對稱應力循環實驗。結果表明，兩種材料的屈服強度隨溫度的升高而降低，焊縫材料的屈服強度和抗拉強度明顯高于20g鋼的。不同溫度下，兩種材料在非對稱應力的加載下，均會產生棘輪行為，循環周次隨平均應力和應力幅值的增大而縮短，棘輪應變速率越快，循環周次越短。在250 ℃下，由于動態應變時效作用，20g鋼和焊縫材料呈現出循環硬化特性，只有在高應力水平下才會出現明顯的棘輪行為，而在低應力水平下則表現出準安定狀態。

關鍵詞 20g鋼 焊縫材料 棘輪行為 疲勞壽命 單軸拉伸實驗 非對稱應力循環實驗

中圖分類號 TQ050.4+1" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）05?0675?07

基金項目：國家重點研發計劃（批準號：2021YFC3001805?03）資助的課題。

作者簡介：杜輝宗（1998-），碩士研究生，從事焦炭塔疲勞分析相關工作。

通訊作者：趙建平（1971-），教授，從事高端承壓設備先進設計與制造的研究，jpzhao@njtech.edu.cn。

引用本文：杜輝宗，趙建平.不同工況下20g鋼及焊縫材料的棘輪-疲勞行為［J］.化工機械，2024，51（5）：675-680；715.

20g鋼作為一種優質低碳鋼，被廣泛應用于鍋爐類壓力容器，其正常狀態下的金相組織包括鐵素體和珠光體。珠光體是由薄片狀的鐵素體和滲碳體相互錯位排列而成。由于這種結構和金相組織的存在，20g鋼在壓力容器應用中能夠表現出非常出色的力學性能［1］。20g鋼還可以作為延遲焦化裝置核心設備焦炭塔的用鋼［2］，焦炭塔工作工況苛刻，其生產工藝流程主要分為蒸汽預熱-油氣預熱-進油結焦-吹汽冷卻-進水冷卻-放水除焦，每一生產周期均需經歷一個冷熱循環過程，工作壓力交替變化，循環操作通常在環境溫度到約495 ℃范圍內進行［3］。

美國石油協會（America Petroleum Institute，API）就焦炭塔在服役中產生的結構失效問題進行了調研，發現焦炭塔會出現塔體鼓凸變形、傾斜變形以及裙座焊縫、塔體環焊縫和接管焊縫開裂等問題［4～6］，嚴重影響了焦炭塔的安全長周期運行。焦炭塔產生的塔體鼓凸變形和焊縫開裂是其主要的破壞形式，筆者認為產生破壞的原因是由于焦炭塔特定的操作工況，材料出現了棘輪行為。目前，已有的針對不同材料棘輪行為的文獻報道認為［7～9］，平均應力和應力幅對棘輪行為具有重要影響，兩者越大，棘輪應變率越大。基于此，筆者對20g鋼和焊縫材料開展不同溫度下的棘輪行為分析。

1 試樣制備與實驗方法

1.1 試樣制備

實驗試樣為50 mm厚的20g鋼板，焊材牌號J507，對完成焊接的鋼板進行與焦炭塔熱處理相同的消應力處理，20g鋼和焊材的化學成分見表1。

實驗試樣按照GB/T 228.1—2021加工成單軸拉伸試樣，按照GB/T 26077—2010和GB/T 3075—2008加工成非對稱循環加載試樣，所有試樣均為圓形截面，尺寸如圖1所示。

1.2 實驗方法

所有實驗均在100 kN的MTS809型材料試驗機上進行，根據焦炭塔操作工況，分別在20、250、495 ℃下對20g鋼和焊縫材料進行單軸拉伸實驗和非對稱循環加載實驗。為保證試樣溫度的均勻性，實驗開始加載前保溫15 min，單軸拉伸實驗的應變速率為0.001 s-1。

非對稱應力循環實驗采用三角波形，應力加載速率為100 MPa/s。分別在25、250、495 ℃下開展不同平均應力不同應力幅值下的應力循環實驗。棘輪應變ε的計算式為：

ε=ε

其中，ε為每個循環周次中的最大應變值。

將每兩個循環周次之間產生的棘輪應變的變化量定義為棘輪應變率，用Δε表示，Δε代表非對稱循環加載過程中棘輪應變累積的速率。由于在實驗前期和后期棘輪應變率不穩定，所以選取循環穩定時的棘輪應變率Δ[ε][·]=dε/dN作為研究指標，其中N為循環次數。得到非對稱應力循環實驗方案見表2。

2 實驗結果與討論

2.1 單軸拉伸實驗

在20、250、495 ℃下對20g鋼和焊縫材料進行單軸拉伸實驗，結果見表3。可以看出，20g鋼和焊縫材料屈服強度隨溫度的升高而降低，焊縫材料的屈服強度和抗拉強度明顯高于20g鋼。250 ℃下20g鋼和焊縫材料的抗拉強度高于常溫，此時，試樣表面會出現一層藍色的氧化膜，稱為藍脆現象。文獻［10］認為，產生藍脆現象是動態應變時效作用的結果，在特定的溫度范圍和加載速率下，應變時效和位錯與碳、氮原子的交互作用強化了基體，產生位錯的阻力隨之增大，位錯難以到達表面形成駐留滑移帶，最終造成強化后的材料不易產生塑性應變［11］。

20g鋼和焊縫材料的拉伸曲線如圖2所示，可以看出，20g鋼在20、250 ℃下有明顯的屈服平臺，在495 ℃下屈服平臺消失，而焊縫材料在不同溫度下均沒有明顯的屈服平臺。

2.2 非對稱應力循環實驗

2.2.1 20g鋼

對不同工況下不同循環周次，即1周次、2周次、10周次、半壽命和全壽命對應的滯回環進行繪制，如圖3所示。可以看出，20g鋼在非對稱應力的加載下，隨著循環周次的增加，滯回環逐漸向應變正方向移動，具有顯著的棘輪行為，在材料發生疲勞破壞時變得尤為明顯。在發生疲勞破壞時，應變產生大的突變，材料的失效主要歸因于棘輪應變的累積引起的韌性斷裂。

圖4給出了20g鋼在不同工況下的棘輪應變隨循環周次的演化曲線。可以看出，20g鋼的循環周次隨加載條件（平均應力+應力幅值）的增大而降低，導致初始階段和穩定階段的棘輪應變演化速率加快。250 ℃下，產生棘輪行為所需的應力水平較高，峰值應力接近抗拉強度時，才會產生明顯的棘輪應變；在55 MPa±365 MPa加載條件下大約2 000周次后進入準安定狀態，產生的棘輪應變水平較低。

為了探討20g鋼在250 ℃下的棘輪安定問題，增加50 MPa±300 MPa和70 MPa±320 MPa的加載條件，圖5給出了低應水平下20g鋼的棘輪應變隨循環周次的演化曲線，可以看出，在這兩個加載條件下20g鋼的棘輪應變較小，只出現在前幾周次，之后就進入了棘輪安定階段。可見，應力水平越小，進入準安定狀態所需的循環周次越少，材料的失效主要歸因于低周疲勞引起的脆性斷裂。

2.2.2 焊縫材料

圖6為焊縫材料在不同工況下的應力-應變曲線，可以看出，焊縫材料在非對稱應力的加載下，隨著循環周次的增加，滯回環逐漸向應變正方向移動，具有顯著的棘輪行為。從圖6b中可以看出，在250 ℃下焊縫材料的棘輪應變并沒有快速增大，這是由于動態應變時效作用的影響，材料在循環穩定后，累積的塑性變形趨于穩定，在后續載荷作用下產生了彈性響應，進入彈性安定，在高應力水平下才會產生棘輪行為，且產生棘輪的應力范圍較20g鋼的小，因此焊縫材料更容易進入安定狀態。由圖7可以看出，循環周次隨平均應力和應力幅值的增大而縮短，即棘輪應變演化的速率越快，循環周次越短。

3 結論

3.1 焊縫材料的拉伸性能明顯高于20g鋼的，20g鋼和焊縫材料在250 ℃時，由于動態應變時效作用會出現藍脆現象，造成20g鋼的單軸拉伸彈性模量、屈服強度與20 ℃時相近，而抗拉強度超過20 ℃時的，495 ℃時彈性模量、屈服強度、抗拉強度顯著下降。

3.2 在非對稱應力循環載荷控制下，20、495 ℃下20g鋼和焊縫材料均表現出明顯的棘輪行為，隨著平均應力和應力幅值的增大，棘輪應變速率增大，循環周次縮短。在250 ℃下，兩種材料在動態應變時效作用下呈現出循環硬化特性，棘輪應變演變呈現出準安定狀態，在較高應力水平下才會產生較大的棘輪應變。

參 考 文 獻

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［11］ " "陳凌.典型壓力容器用鋼中高溫環境低周疲勞和疲勞-蠕變交互作用的行為及壽命評估技術研究［D］.杭州：浙江大學，2007.

（收稿日期：2023-10-27，修回日期：2024-09-16）

Rachet?Fatigue Behavior of 20g Steel and Weld Materials at Different Temperatures

DU Hui?zong1，2， ZHAO Jian?ping1，2

（1. School of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University； 2. Jiangsu Key Lab of Design and Manufacture of Extreme Pressure Equipment）

Abstract" "Both uniaxial tensile test and asymmetric stress cycle test were carried out for 20g steel and weld material of the coke tower at 20， 250 and 495 ℃， respectively. The results show that， the yield strength of the two materials decreases with the increase of temperature， and the yield strength and tensile strength of the weld material are significantly higher than 20g steel. Under asymmetric stress loading at different temperatures， the ratchet behavior will occur in both materials and the cycle times become short with the increase of both average stress and stress amplitude. The faster ratchet strain rate brings about shorter cycle times. At 250 °C， both 20g steel and weld material show cyclic hardening characteristics due to dynamic strain aging， and the obvious ratchet behavior only happens at high stress levels and quasi?stable state occurs at low stress levels.

Key words" "20g steel， weld material， ratchet behavior， fatigue life， uniaxial tensile test， asymmetric stress cycle test