孫戰(zhàn)立 張 崢

（北京航空航天大學(xué) 北京 100191）

壓力容器、發(fā)電鍋爐等裝備經(jīng)常在石油化工、動力等行業(yè)使用，這些設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)對企業(yè)來說至關(guān)重要。但這些設(shè)備一般都要長期在高溫下工作，工作過程中，除了承受靜載荷之外，一般還要承受各種因素引起的交變載荷，如頻繁的開、關(guān)機，快速較大范圍的溫度的波動以及強迫振動等。這些因素引起的交變載荷加在靜載荷上，使設(shè)備很容易產(chǎn)生疲勞損傷。低周疲勞破壞，一直以來都是壓力容器破壞的主要形式之一[1]。

而且隨著工業(yè)的進步和發(fā)展，壓力容器的工作環(huán)境日益復(fù)雜，使用溫度也越來越高，這也對材料在高溫下的抗疲勞問題，提出了極高的要求[2]。研究壓力容器用鋼在高溫靜載荷、交變載荷作用下的力學(xué)性能，不僅是壓力容器結(jié)構(gòu)和服役設(shè)計的基礎(chǔ)，也是材料通過新的相關(guān)法規(guī)認可實現(xiàn)更深層次的工業(yè)應(yīng)用的基本要求之一，更有助于開發(fā)典型壓力容器用鋼在高溫下的使用潛力，為高溫下的使用提供可靠地依據(jù)，為材料實現(xiàn)更深層次的工業(yè)應(yīng)用打下基礎(chǔ)，也提供了壓力容器設(shè)計及選材不可或缺的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本文選取典型的壓力容器用鋼13MnNiMoR，分別對其進行高溫拉伸實驗、高溫低周疲勞實驗，研究13MnNiMoR在短暫超過其最高設(shè)計許用溫度后的高溫拉伸性能及高溫疲勞性能，分析溫度對高溫拉伸性能和疲勞性能的影響以及在高溫下的失效風(fēng)險，挖掘典型壓力容器用鋼在高溫下的使用潛力，同時也根據(jù)實驗結(jié)果，對JB 4732中相應(yīng)的疲勞設(shè)計曲線是否適用于中高溫進行分析，并對其在高溫下的修正提供一定的意見或想法。

1 實驗方案

試驗所用材料13MnNiMoR是一種低合金高強鋼，屬中溫中壓鍋爐和壓力容器用鋼，板厚31mm，鋼板化學(xué)成分及含量符合標準，鋼板軋制方向已標記。在GB 150—2011《壓力容器》中，規(guī)定了13MnNiMoR在靜載下的最高設(shè)計使用溫度為400℃。在JB 4732—2005《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》中，規(guī)定了在考慮交變載荷時13MnNiMoR的最高設(shè)計使用溫度為375℃，要比靜載荷下的許用溫度低。13MnNiMoR的高溫拉伸實驗和高溫疲勞實驗主要在兩個許用溫度之間進行。

13MnNiMoR的原始金相組織見圖1所示，為細晶結(jié)構(gòu)，是典型的鐵素體加回火貝氏體的混合組織，保留有部分貝氏體晶界。黑色點狀和針狀為滲碳體顆粒，分布越彌散，貝氏體強度越高[3]。黑色塊狀為夾雜，夾雜分布不均，并存在一定帶狀組織。

圖1 13MnNiMoR原始金相組織

1.1 高溫拉伸性能測試

實驗?zāi)康氖峭ㄟ^對13MnNiMoR在許用溫度上限附近進行高溫拉伸性能測試，獲取13MnNiMoR高溫力學(xué)性能，得到材料在不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率。根據(jù)實驗結(jié)果分析溫度對13MnNiMoR的高溫拉伸力學(xué)性能的影響，以進一步判斷13MnNiMoR材料在高溫下靜力學(xué)性能變化情況及使用安全性。

實驗是在INSTRON 8801試驗機上進行的，試驗遵循中華人民共和國國家標準GB/T 228—2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T 4338—2006《金屬高溫拉伸試驗方法》進行。試樣尺寸如圖2所示，從鋼板上取樣時試樣長軸垂直于鋼板的軋制方向。

圖2 拉伸試樣形狀和尺寸

試驗溫度分別為375℃、400℃、425℃，每個溫度下重復(fù)做3根試件，計9根。橫梁位移速率控制在1mm/min。試樣加溫的升溫速度為5~10℃/min ，無應(yīng)力狀態(tài)升溫到設(shè)定溫后，保溫10min，直到爐內(nèi)三個熱電偶檢測的溫度均到設(shè)定溫度后開始進行拉伸實驗。由于在各個溫度點下的恒溫時間較短， 故未充分考慮蠕變的影響。

為盡量避免應(yīng)力集中和表面粗糙度對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，實驗前對拉伸試樣標距段采用5000#德國勇士砂紙進行了打磨拋光。

1.2 高溫疲勞性能測試

本實驗的目的是通過對13MnNiMoR在不同溫度下的疲勞試驗，獲得13MnNiMoR在高溫下的疲勞壽命、疲勞性能變化趨勢，建立相應(yīng)溫度下的應(yīng)力壽命曲線，通過比較不同溫度下的應(yīng)力壽命曲線變化趨勢，分析溫度對13MnNiMoR疲勞性能的影響規(guī)律，以進一步判斷該種材料在高溫交變載荷下的疲勞失效風(fēng)險與使用安全性。

實驗是在INSTRON 8801試驗機上進行的，疲勞試樣形狀和尺寸根據(jù)GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗方法》進行設(shè)計，實驗過程也嚴格依照該標準進行，具體尺寸如圖3所示，為減小應(yīng)力集中和表面粗糙程度對試驗結(jié)果離散性的影響，試件表面拋光。實驗過程中通過立式三段式爐進行加熱，爐內(nèi)有上中下三個熱電偶實時監(jiān)測爐內(nèi)溫度，到溫后保溫10min再開始進行試驗。

圖3 疲勞試樣的形狀和尺寸

本文基于升降法開展13MnNiMoR高溫下的低周疲勞性能測試，試驗溫度分別為375℃、400℃、425℃，每個溫度組選四個不同應(yīng)力水平進行測試。試驗應(yīng)力水平由高溫拉伸試驗決定，一般首先從相應(yīng)溫度下的屈服強度開始往上做，根據(jù)首根的實驗結(jié)果進行調(diào)整，每個應(yīng)力水平獲得至少兩個有效的疲勞壽命。

控制方式：應(yīng)力控制下的低周疲勞試驗更接近于工程實際中壓力容器的使用情況。另外，當溫度較高時，普通的引伸計不再適用，此時需要使用石英棒制成的高溫引伸計，而且需要將引伸計引導(dǎo)到爐子以外。實際應(yīng)變控制高溫低周疲勞實驗較為困難，尤其是對于大變形加速階段。因此，在本文中，高溫低周疲勞試驗采用的是應(yīng)力控制的控制方式。

應(yīng)力比：壓力容器用鋼均為塑性非常好的高強度鋼，在拉應(yīng)力下，能發(fā)生較大的塑性變形而不被破壞，而且經(jīng)常會發(fā)生棘輪效應(yīng)和動態(tài)應(yīng)變強化，而導(dǎo)致疲勞壽命異常。因此，試驗中采用應(yīng)力比為-1，進行拉壓疲勞，可以在一定程度上避免棘輪效應(yīng)和動態(tài)應(yīng)變強化，得到的結(jié)果比較能代表此溫度下的疲勞壽命，較為精確。而且，一般的低周疲勞實驗，應(yīng)力比為-1時，得到的疲勞極限值最小，因此，本文中采用應(yīng)力比-1，也更能反映材料疲勞性能的極限值。

載荷波形：正弦波。加載頻率：10Hz。

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 高溫拉伸性能測試結(jié)果分析與討論

從13MnNiMoR鋼板上取材加工拉伸試樣進行高溫拉伸實驗，取樣及實驗方案遵循1．1小節(jié)方法，試驗溫度分別為375℃、400℃、425℃。通過拉伸實驗，測得的13MnNiMoR光滑試樣的高溫力學(xué)性能參量見表1，圖4為13MnNiMoR拉伸試樣在不同溫度下的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，從圖4中看出，受溫度的影響，13MnNiMoR鋼的拉伸形變行為發(fā)生明顯變化，在高溫下的抗拉強度、延伸率、斷面收縮率與室溫下都有所不同。

圖4 13MnNiMoR拉伸試樣不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線

表1 13MnNiMoR拉伸試樣不同溫度下的拉伸性能

對實驗后的數(shù)據(jù)處理，得到13MnNiMoR拉伸試樣抗拉強度隨溫度的變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知，13MnNiMoR拉伸試樣在實驗溫度范圍內(nèi)，所得的抗拉強度隨溫度的升高先升高，后下降，在375℃時取峰值。抗拉強度從375℃到400℃下降6%，從400℃到425℃下降6．8%，在375℃-425℃范圍內(nèi)，隨溫度升高抗拉強度基本上呈均勻下降趨勢。

圖5 13MnNiMoR拉伸試樣抗拉強度隨溫度的變化

根據(jù)拉伸實驗結(jié)果，抗拉強度在靜載荷作用下的最高許用溫度即400℃時，相比交變載荷作用下的最高許用溫度即375℃時下降6%左右?？估瓘姸茸兓淮?，未出現(xiàn)急劇變化現(xiàn)象。

375℃時測得的抗拉強度比室溫略高，可能是因為時效硬化所造成的。375℃后，抗拉強度隨溫度升高而下降，原因可能如下：隨著溫度的升高，一方面，位錯的動態(tài)回復(fù)增強，導(dǎo)致位錯活性降低，在應(yīng)力作用下，位錯的形成率低；另一方面，高溫下金屬原子擴散能力增強，柯氏氣團對位錯的扎釘作用減弱，位錯的滑移能力增強，從而使強度降低。

對實驗后的數(shù)據(jù)處理，得到13MnNiMoR拉伸試樣的延伸率和斷面收縮率隨溫度的變化規(guī)律如圖6、圖7所示，由圖可知，13MnNiMoR拉伸試樣延伸率和斷面收縮率在試驗溫度范圍內(nèi)均隨溫度先下降，后上升，在400℃左右，出現(xiàn)最低值。13MnNiMoR拉伸試樣延伸率從375℃到400℃，平均下降11．8%，從400℃到425℃，平均上升6．0%；13MnNiMoR拉伸試樣斷面收縮率從375℃到400℃，平均下降3．5%，從400℃到425℃，平均上升2．7%。

結(jié)果表明13MnNiMoR材料在400℃以下的溫度區(qū)間，產(chǎn)生了不同程度的脆化，400℃以后，13MnNiMoR拉伸試樣的塑性隨溫度升高而升高。影響金屬材料塑性的因素有很多，溫度對其也有很大的影響。在實際生產(chǎn)中，經(jīng)常會遇到因溫度選取不當而造成的構(gòu)件損壞[4]。對于大部分金屬材料，隨著溫度的升高，其塑性并非一直上升。當溫度升高時，也會出現(xiàn)低溫、中溫、高溫脆性。對于出現(xiàn)低溫、中溫、高溫脆性的原因可能是何氏氣團扎釘位錯，阻礙位錯運動，塑性隨之下降。

圖6 13MnNiMoR拉伸試樣延伸率隨溫度的變化

圖7 13MnNiMoR拉伸試樣斷面收縮率隨溫度的變化

圖8為各個溫度下13MnNiMoR拉伸試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線屈服階段的細節(jié)，通過對比比較明顯的可以看出，隨著溫度升高，材料的屈服強度逐漸下降。常溫下13MnNiMoR鋼的拉伸曲線有明顯到的屈服平臺，上下屈服點都清晰可見，溫度上升到400℃時，屈服平臺開始變得不那么明顯，長度變小，轉(zhuǎn)變急促；425℃時，材料完全沒有了屈服平臺，屈服效應(yīng)消失，整個曲線平滑上升。

13MnNiMoR拉伸試樣屈服現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是晶體內(nèi)部位錯運動導(dǎo)致晶粒變形，進而引起變形帶的擴展。應(yīng)變速率ε與晶體內(nèi)的可動位錯密度，位錯運動速度v及位錯矢量b的關(guān)系符合式（1）：

圖8 13MnNiMoR拉伸試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線屈服階段細節(jié)

本試驗試樣通過拉伸速率對拉伸過程進行控制，拉伸速率保持恒定。晶體內(nèi)的可動位錯密度較低，維持恒定夾頭速率需要較大的位錯運動速率，位錯運動速率與應(yīng)力τ成正比，如式(2)所示：

更大的位錯運動速率對應(yīng)著更大的應(yīng)力值，對應(yīng)著屈服平臺的應(yīng)力峰。位錯從不可動狀態(tài)到可動狀態(tài)需要克服晶格阻力和溶質(zhì)原子的扎釘作用，從能量的角度便是需要克服一個能壘。晶格阻力便是派納力，派納力對溫度極其敏感。克服這個能壘的能量來源在常溫下只是外力作用，但是在高溫環(huán)境下，材料內(nèi)部的原子運動加劇，原子間結(jié)合力減弱，派納力下降，同時對位錯起扎釘作用的溶質(zhì)原子受溫度影響發(fā)生擴散遷移。此時大量的被扎釘?shù)牟豢蓜游诲e變成可動位錯，扎釘作用被削弱，溫度越高，扎釘作用被削弱的越明顯，初始可動位錯密度大大增加，所以鋼拉伸時，測試溫度越高，屈服應(yīng)力峰值呈線性下降趨勢。13MnNiMoR拉伸試樣屈服平臺長度在室溫-400℃之間逐漸減小，在425℃屈服平臺完全消失，表明溫度升高，13MnNiMoR拉伸試樣屈服階段的塑性變形由不均勻向均勻轉(zhuǎn)變。

2.2 高溫疲勞性能測試結(jié)果分析與討論

從13MnNiMoR鋼板上取材加工疲勞試樣進行高溫低周疲勞實驗，取樣及實驗方案遵循1．2章節(jié)方法，遵循以上方法，獲得的13MnMiMoR在375℃、400℃、425℃下的疲勞壽命見表2。由于每個應(yīng)力下只獲得兩組有效壽命，疲勞壽命的分散性可能較大，測得的應(yīng)力壽命曲線僅供疲勞設(shè)計參考，用于大致評估材料的疲勞性能。

表2 13MnNiMoR試樣不同溫度、不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命

對13MnNiMoR疲勞試樣不同溫度下實驗后的疲勞壽命進行處理，得到13MnNiMoR疲勞試樣在不同溫度下的散點圖及其擬合后得到的應(yīng)力壽命曲線如圖9所示。

圖 9 13MnNiMoR試樣不同溫度下的應(yīng)力壽命圖

對13MnNiMoR疲勞試樣在不同溫度下測得的應(yīng)力壽命曲線左右對比分析，可以看出，在同一應(yīng)力下，相比于425℃和400℃的結(jié)果，375℃時材料的疲勞壽命總體趨勢偏右，而且偏右的幅度比400℃到425℃度時更加大，說明在應(yīng)力作用下，溫度升高會降低材料的疲勞壽命，疲勞壽命從375℃到400℃比從400℃到425℃降低的幅度要大。

對測得的13MnNiMoR疲勞試樣不同溫度下的三條應(yīng)力壽命曲線上下對比分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大時，不同溫度下的疲勞壽命差異較小，分散性較??；在應(yīng)力較小時，不同溫度下的疲勞壽命差異較大，分散性較大，溫度對疲勞壽命的影響在小應(yīng)力時更加明顯。

對比分析測得的13MnNiMoR在不同溫度下的三條應(yīng)力壽命曲線的斜率，發(fā)現(xiàn)425℃時的應(yīng)力壽命曲線斜率絕對值最大，表明此時疲勞壽命隨應(yīng)力的變化急劇變化；其次是400℃時的曲線的斜率；375℃時應(yīng)力壽命曲線斜率絕對值最小，此時疲勞壽命隨應(yīng)力的變化幅度最為平緩。這表明溫度升高，疲勞壽命對應(yīng)力越來越敏感，疲勞壽命隨應(yīng)力的變化越來越快。

2.3 根據(jù)實驗結(jié)果對JB 4732中疲勞設(shè)計曲線修正的建議和想法

世界上很多國家都已制訂了壓力容器疲勞設(shè)計規(guī)則。最早出現(xiàn)的是在1965年美國機械工程師學(xué)會(ASME)鍋爐及壓力容器規(guī)范第Ⅲ卷核動力裝置部件(簡稱ASME-Ⅲ)中及1968年版的第Ⅷ卷壓力容器第二冊另一規(guī)程(簡稱ASME-Ⅷ-2)中，其設(shè)計方法是以Langer的研究成果為基礎(chǔ)的，用多個母材制光滑小試件，在恒應(yīng)變控制單軸向?qū)ΨQ循環(huán)條件下進行疲勞試驗，測得該材料疲勞失效的平均壽命曲線。我國制定的《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》（JB 4732—2005）中的疲勞分析的內(nèi)容與ASME也是基本一致，中國JB 4732規(guī)范中，移植了ASME中五條設(shè)計疲勞曲線中的四條。

對高溫下所測得13MnNiMoR的疲勞壽命，結(jié)合JB 4732標準中規(guī)范的相應(yīng)疲勞壽命的數(shù)值，繪制到同一表中，得到13MnNiMoR材料不同溫度下的應(yīng)力壽命曲線及JB 4732疲勞設(shè)計曲線，如圖10所示。

對13MnNiMoR材料不同溫度下的應(yīng)力壽命曲線與JB 4732疲勞設(shè)計曲線左右對比分析，發(fā)現(xiàn)同一應(yīng)力下，在應(yīng)力較小時，相比于JB 4732標準中規(guī)定的壽命數(shù)值，實驗所測得的疲勞壽命總體趨勢都偏右，溫度越低，偏右程越大，這說明在小應(yīng)力作用下，溫度升高會降低材料的疲勞壽命，但總體上測得的疲勞壽命均在標準中規(guī)定的數(shù)值上面，有一定的安全裕量。

圖10 13MnNiMoR試樣不同溫度下的應(yīng)力壽命曲線與JB 4732種疲勞設(shè)計曲線的比較

同一應(yīng)力下，應(yīng)力較大時，實驗所測得的應(yīng)力壽命曲線與JB4732標準中規(guī)定的壽命數(shù)值有交叉，部分在標準曲線的左方，這說明應(yīng)力較大時，實驗測得的疲勞壽命會有低于標準值的風(fēng)險，此時應(yīng)該注意由此帶來的安全隱患。這也表明，JB 4732中的疲勞設(shè)計曲線在高溫下的適用性有所受限，尤其在應(yīng)力較大時。

對實驗測得的13MnNiMoR材料在不同溫度下的應(yīng)力壽命曲線與JB 4732疲勞設(shè)計曲線上下對比分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大時，不同溫度下的疲勞壽命差異較小，分散性較小；當應(yīng)力較小時，不同溫度下的疲勞壽命差異較大，分散性較大，這表明應(yīng)力較小時溫度對疲勞壽命的影響程度更明顯。

對比分析實驗測得的13MnNiMoR材料在不同溫度下的應(yīng)力壽命曲線以及JB 4732疲勞設(shè)計曲線的斜率，發(fā)現(xiàn)13MnNiMoR所測得的應(yīng)力壽命曲線斜率（絕對值）隨溫度升高而增大，但都小于疲勞設(shè)計曲線的斜率，這表明溫度越高，疲勞壽命對應(yīng)力越來越敏感。

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，JB 4732中的抗疲勞設(shè)計曲線，在高溫下適用性有所受限，尤其是在應(yīng)力較大時，實驗得到的應(yīng)力壽命曲線與JB4732疲勞設(shè)計曲線有一定的重合，甚至在JB 4732曲線的左方，實驗測得的疲勞壽命會有低于標準值的風(fēng)險。小應(yīng)力時，實驗測得曲線基本都在JB 4732中的抗疲勞設(shè)計曲線在右方，有一定的安全裕量。因此，當考慮到溫度的影響對JB 4732疲勞設(shè)計曲線進行修正時，大應(yīng)力與小應(yīng)力時，可以分開考慮。

3 結(jié)束語

通過對13MnNiMoR材料在不同溫度下進行高溫拉伸性能測試、高溫低周疲勞性能測試，得到如下結(jié)論：

1）在試驗溫度375℃至425℃范圍內(nèi)，13MnNiMoR拉伸試樣抗拉強度隨溫度基本上呈均勻下降趨勢，未出現(xiàn)急劇惡化現(xiàn)象。13MnNiMoR拉伸試樣延伸率和斷面收縮率在試驗溫度范圍內(nèi)隨溫度先下降，后上升，在400℃左右，出現(xiàn)最低值。在短暫超過許用溫度后，靜力學(xué)性能變化不大，均未出現(xiàn)急劇惡化現(xiàn)象。

2）通過高溫低周疲勞實驗，得到13MnNiMoR在375℃、400℃、425℃下的高溫疲勞性能，并建立了相應(yīng)溫度下的應(yīng)力壽命曲線。對應(yīng)力壽命曲線左右對比分析，發(fā)現(xiàn)在同一應(yīng)力下，相比于425℃和400℃的結(jié)果，375℃時材料的疲勞壽命總體趨勢偏右，而且偏右的幅度比400℃到425℃度時更加大，說明在應(yīng)力作用下，溫度升高會降低材料的疲勞壽命。對應(yīng)力壽命曲線上下對比分析，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力較大時，不同溫度下的疲勞壽命差異較小；應(yīng)力較小時，不同溫度下的疲勞壽命差異較大，溫度對疲勞壽命的影響程度在小應(yīng)力時顯得更加明顯。

3）通過對比分析實驗測得的13MnNiMoR不同溫度下的三條應(yīng)力壽命曲線與JB 4732中的疲勞設(shè)計曲線，可以發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力較大時實驗得到的應(yīng)力壽命曲線與JB 4732疲勞設(shè)計曲線有一定的重合，甚至在標準中規(guī)范曲線左側(cè)，實驗測得的疲勞壽命會有低于標準值的風(fēng)險；在小應(yīng)力時，實驗測得曲線基本都在JB 4732中的疲勞設(shè)計曲線在右方，有一定的安全裕量。這表明JB 4732中的疲勞設(shè)計曲線，在高溫下適用性有所受限，尤其是在應(yīng)力較大時，因此，當考慮到溫度的影響對JB 4732疲勞設(shè)計曲線進行修正時，大應(yīng)力與小應(yīng)力時，可以分開考慮。