崔 璐，宋冬行，張吉鼎

(西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065)

綜述與進展

氧化對耐熱鋼蠕變疲勞壽命影響的研究進展

崔 璐，宋冬行，張吉鼎

(西安石油大學機械工程學院，陜西 西安 710065)

汽輪機轉(zhuǎn)子等高溫部件，長時間受到高溫載荷作用，會產(chǎn)生蠕變疲勞損傷，嚴重危害機組的安全運行。通常，人們認為高溫氧化膜的形成減緩了疲勞裂紋的萌生和擴展，具有良好的保護性。可有些學者卻發(fā)現(xiàn)了相反的結(jié)果，真空或惰性氣體下的蠕變疲勞性能要比空氣中有氧存在時好，高溫下更是如此。本文主要綜述了高溫氧化蠕變疲勞壽命的影響因素，以及高溫氧化環(huán)境下蠕變疲勞損傷的機理。

蠕變疲勞；高溫氧 化；損傷機理

社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對能源的需求量不斷增加，目前我國能源還主要來源于煤炭等礦物質(zhì)燃料的火電廠[1]。由我國國情出發(fā)，發(fā)展超臨界乃至超超臨界機組是我國潔凈煤發(fā)電技術(shù)的必然，也是解決能源短缺和環(huán)境污染等問題最為有效和現(xiàn)實的途徑[2-3]。汽輪機轉(zhuǎn)子是整個機組中最為關鍵的部位，它不僅受到自重、蒸汽壓力和離心力等載荷作用，而且在頻繁啟停機的過程中，易受到高溫變化所引起的瞬態(tài)熱應力和交變熱應力，疲勞蠕變載荷相互疊加作用在轉(zhuǎn)子的關鍵部位，使該部位產(chǎn)生裂紋。疲勞裂紋的萌生和擴展是部件的壽命評估和完整性的決定因素。轉(zhuǎn)子部件一旦發(fā)生斷裂，不僅會造成經(jīng)濟損失還會造成非常大的危害，甚至損毀整個機組。發(fā)展超臨界和超超臨界機組的關鍵在于高溫部件材料的研發(fā)，特別是高溫部件轉(zhuǎn)子鋼的研制，這不僅需要研發(fā)出新的材料，還需要進一步探索復雜工況下材料的損傷機理[4]。

斷裂力學試驗通常在空氣條件下進行，但是在特定情況下，某些構(gòu)件內(nèi)部缺陷不與空氣接觸，在靜態(tài)或循環(huán)載荷下，缺陷部位會出現(xiàn)蠕變疲勞裂紋的萌生和擴展，這些位置通常在材料內(nèi)部和表面下，因此不受環(huán)境介質(zhì)的影響[5]。進一步探索高溫蠕變疲勞的損傷機理，有待于研究材料在真空環(huán)境和有氧環(huán)境中的力學性能和微觀組織結(jié)構(gòu)變化，明確高溫氧化對疲勞裂紋萌生和擴展的影響，以及耐熱鋼的抗氧化性能。本文綜述了高溫氧化對金屬材料蠕變疲勞損傷機理的相關研究情況，為高溫構(gòu)件的實際運行工況提供理論依據(jù)。

1 高溫氧化對蠕變疲勞壽命的影響

關于高溫氧化對蠕變疲勞壽命的影響有不同的說法，有部分學者認為，氧在裂紋的尖端起楔子的作用，加速了疲勞裂紋的擴展。也有人從銳化鈍化機理方面考慮，認為真空中的裂紋更易擴展，因為裂紋尖端在每一個周期內(nèi)都始終保持著鋒利的狀態(tài)，比較容易產(chǎn)生應力集中，而在大氣等有氧環(huán)境下可以形成氧化膜，在裂紋尖端不易產(chǎn)生銳化，使應力集中現(xiàn)象有所緩解，氧化層的形成可以延緩疲勞裂紋的擴展，增大了蠕變疲勞壽命[6]。

一般情況下氧化對合金的影響并不大，但隨著溫度的升高和時間的延長，受到大氣侵蝕和氧化作用的影響就變得較為明顯了。20 世紀 60 年代，人們發(fā)現(xiàn)除金以外的合金元素的循環(huán)疲勞壽命在真空中比在空氣中更長，在高溫下環(huán)境介質(zhì)可嚴重影響蠕變疲勞裂紋的增長速率[7]。真空中的蠕變疲勞性能要比空氣中的高，因為在大氣環(huán)境下，材料會因為高溫氧化而減少有效截面積，在高溫下更是如此。隨著溫度的上升，構(gòu)件表面形成的氧化膜會增厚，氧化物的比重增加使氧化膜的脆性和應力增加，當超過一定的強度時，氧化膜就容易破裂和剝落，在長時間的氧化過程中，瞬態(tài)熱應力和工作熱應力的影響就促進了裂紋的產(chǎn)生[8]。郭建亭等系統(tǒng)研究了K417 合金分別暴露在空氣、熱腐蝕和真空中的損傷機理，發(fā)現(xiàn)相比于真空，空氣環(huán)境中的裂紋形核更加容易[9]。S·弗洛里認為裂紋尖端的氧化物生長所產(chǎn)生的應力也可能加速了裂紋的增長。謝少雄等研究發(fā)現(xiàn)，氧化膜周圍有空洞產(chǎn)生，促進了疲勞裂紋在構(gòu)件表面的形成[10]，空氣中的最小蠕變速率大于真空中，且裂紋數(shù)量比真空 中 的多[11]。此外，與 真空或惰性氣體相比，空氣具有腐蝕性。大多數(shù)情況下，高溫時晶界容易被氧化，為裂紋的產(chǎn)生和擴展提供了新道路，使疲勞壽命大大降低。

2 高溫氧化環(huán)境下蠕變疲勞損傷機理

氧化是高溫環(huán)境下影響金屬疲勞裂紋萌生和擴展的主要因素[12]。相對于純金屬而言，合金的高溫氧化行為較為復雜，還沒有建立普遍應用的理論，主要是由于決定合金氧化的參數(shù)和要素太多，包括合金與氧化膜的性質(zhì)、擴散過程和氧化機理等[13]。

高溫氧化主要表現(xiàn)為表面氧化和晶界氧化的共同作用。裂紋表面所形成的氧化膜會使裂紋閉合提前，降低了裂紋擴展的驅(qū)動力和有效應力強度因子，從而降低裂紋擴展速率。此外，金屬表面形成的致密氧化物對金屬起著保護作用。另一方面，高溫環(huán)境下，氧沿著裂紋尖端的晶界擴散，同晶界上的 Cr、Fe等元素發(fā)生化學反應，生成的氧化物導致晶界脆化，晶界結(jié)合力的降低會使沿著晶界的阻力下降，使裂紋擴展速率增加。因此，高溫氧化對裂紋擴展的速率取決于表面氧化和晶界氧化的共同作用[14-16]。

疲勞裂紋的擴展被認為是在循環(huán)應力作用下裂紋反復分開與閉合的結(jié)果。在真空等無氧環(huán)境下，疲勞裂紋張開時形成的新表面不會生成氧化膜，因此在壓應力循環(huán)半周期里，新形成的裂紋表面很容易完全閉合，而在下一個拉應力循環(huán)半周期里裂紋前端便難以被重新撕開，真空環(huán)境中容易發(fā)生鈍化，在空氣中裂紋尖端相對鋒利，裂紋擴展速率更快[17-20]。

S·弗洛里等研究發(fā)現(xiàn)，在無腐蝕環(huán)境中，疲勞裂紋的擴展完全是穿晶型的，在裂紋斷口上一般可以看見相當明顯的輝紋，并且輝紋間距與裂紋的增長速率相應。而在有氧環(huán)境中裂紋的增長方式為晶間開裂與穿晶型并存，斷口上的輝紋間距大小與增長速率大致相同[21]。林棟梁等通過在不同條件下的實驗分析得出，真空中的蠕變疲勞斷裂主要是由晶界滑動過程中空洞及微裂紋的堆聚所造成的，然而在含氧介質(zhì)的試樣，裂紋首先萌生在表面上，在拉應力作用下晶界滑動過程中又會加速大氣中氧原子沿晶界向內(nèi)擴散，使晶界附近產(chǎn)生貧化區(qū)，局部區(qū)域中形成粗大氧化物及楔塊狀裂紋，使晶界膠結(jié)力下降，這就使得真空中的斷裂塑性高于大氣環(huán)境中。

3 結(jié)語

高溫氧化對耐熱鋼蠕變疲勞壽命的影響是錯綜復雜的。以往所使用的耐熱鋼材料對氧都比較敏感，在高溫下易被氧化，從而降低使用壽命。對蠕變疲勞裂紋的萌生和擴展的研究，缺少在無氧環(huán)境下的對比研究，在真空中試驗，可消除高溫氧化而產(chǎn)生的氧 化 層 對 疲 勞 裂 紋 萌 生 和 擴 展 的 影 響，反 映 出 材 料蠕變和疲勞的純粹交互作用，明確溫度環(huán)境和材料的交互機制。進一步研究氧化損傷機理，提高合金在高溫下的抗氧化性能，尋找和改善合金抗高溫氧化的有效途徑，應致力于研發(fā)抗氧化性能較好的耐熱鋼，消除高溫氧化對蠕變疲勞壽命的影響。

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Research Progress on Effect of Oxidation on Creep Fatigue Life of Heat Resistant Steel

CUI Lu, SONG Dongxing, ZHANG Jidin
(College of Mechanical Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

The high temperature parts such as steam turbine rotor were damaged by creep fatigue under high temperature load for a long time, which seriously endangered the safe operation of the unit. In general, it was believed that the formation of high temperature oxide fi lm slowed down the initiation and expansion of fatigue cracks and had good protection. Some scholars had found the opposite result, in the vacuum or inert gas creep fatigue performance than the existence of oxidation in the air was good, especially at high temperatures. In this paper, the factors inf l uencing the creep fatigue life of high temperature oxidation and the mechanism of creep fatigue damage under high temperature oxidation environment were reviewed.

creep fatigue; high temperature oxidation; damage mechanism

TG 142.73

：A

：1671-9905(2017)06-0031-03

國家自然科學基金（51305348）

宋冬行 (1992-)，男，陜西人，西安石油大學碩士研究生

2017-04-10