張經(jīng)偉, 梁坤, 昝靜一, 林嘉銘, 劉康林
(福州大學(xué)石油化工學(xué)院, 福建 福州 350108)
過(guò)去幾十年, 由于無(wú)法對(duì)在役設(shè)備進(jìn)行大面積取樣, 給材料性能測(cè)試帶來(lái)了很大的挑戰(zhàn). 為解決該問(wèn)題, 微型試樣測(cè)試技術(shù)在發(fā)電及石油化工等行業(yè)得到了廣泛的發(fā)展[1-2]. 經(jīng)過(guò)許多研究人員的努力, 提出了小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)方法, 該方法采用微型試樣蠕變?cè)囼?yàn)來(lái)表征現(xiàn)役設(shè)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(yàn)(small punch test, SPT)以來(lái), SPT成為一種有前途的采用微型試樣的試驗(yàn)方法, 用于測(cè)試靜態(tài)、 斷裂和蠕變性能[8-10]. SPT是一種機(jī)械的實(shí)驗(yàn)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(duì)現(xiàn)役設(shè)備幾乎無(wú)損的試驗(yàn)[11-14].
隨著SPT的發(fā)展, 已開發(fā)適用于小型設(shè)備的歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)操作規(guī)范, 使用此規(guī)范進(jìn)行沖壓試驗(yàn), 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(shù)的研究都集中在利用完整的SPT試樣獲得材料性能參數(shù)以及關(guān)聯(lián)單軸試驗(yàn)獲得的材料性能參數(shù), 得到對(duì)應(yīng)參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系[4, 15]. 但是對(duì)帶有預(yù)缺口的SPT試樣做小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)研究甚少.
目前, 大部分研究主要采用無(wú)缺口的試樣, 但也有少數(shù)研究者提出不同形式缺口試樣在小沖桿試驗(yàn)中的應(yīng)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(cè)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(cè)定材料斷裂性能的一種替代方法; Turba等[20]提出的在預(yù)期頸縮位置, 深度為試樣厚度一半的圓形缺口試樣, 創(chuàng)建軸對(duì)稱應(yīng)力分布, 從而產(chǎn)生近平面應(yīng)變條件, 為斷裂韌性的估算提供比標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ). 不同缺口都有詳細(xì)的制備技術(shù), 具體步驟參照文獻(xiàn)[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(duì)材料蠕變斷裂的影響. 本研究考察不同缺口長(zhǎng)度對(duì)SPT試樣蠕變斷裂的影響, 并探討不同斷缺口長(zhǎng)度的斷裂機(jī)理.
試驗(yàn)材料為某火電廠高溫蒸汽管道用鋼P(yáng)91材料, 已經(jīng)在600 ℃高溫下服役了近1×105h, 其化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示. 通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的P91材料對(duì)比, 發(fā)現(xiàn)各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合標(biāo)準(zhǔn)要求.
表1 P91鋼化學(xué)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(zhǎng)大, 有明顯的軟化和強(qiáng)度降低現(xiàn)象. 材料硬度值為200.02 HV, 600 ℃下抗拉強(qiáng)度為248.85 MPa,
圖1 P91鋼金相組織Fig.1 P91 steel metallographic structure
不同長(zhǎng)度缺口試樣采用線切割機(jī)制備. 試樣如圖2所示, 試樣直徑d1=10 mm, 制備不同缺口長(zhǎng)度l=4.00、 4.50、 4.75、 5.00、 5.25 mm, 實(shí)際測(cè)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(jìn)行手工磨制, 磨制試樣厚度達(dá)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(jìn)行手工機(jī)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
小沖桿蠕變?cè)囼?yàn)示意圖如圖3所示. 試驗(yàn)裝置在載荷控制模式下對(duì)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(cè)力傳感器控制加載系統(tǒng), 溫控裝置控制試驗(yàn)溫度, 并由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)把所需的試驗(yàn)信息傳遞給計(jì)算機(jī), 然后由計(jì)算機(jī)最終完成儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)的工作. 試樣通過(guò)上下壓模固定, 上下壓模由鎖緊螺母緊固, 試驗(yàn)載荷通過(guò)沖桿施加在陶瓷球上, 陶瓷球與試樣上表面接觸, 載荷通過(guò)陶瓷球再作用于試樣表面. 另外, 在升溫到目標(biāo)值之前, 用氬氣對(duì)試樣室進(jìn)行數(shù)次排空和沖洗并在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保持氬氣流通, 以避免試樣被氧化. 本試驗(yàn)溫度為600 ℃, 公差為±3 ℃, 試驗(yàn)載荷為500 N.
圖3 SPT示意圖Fig.3 Diagram of SPT
依據(jù)金屬材料的小沖桿實(shí)驗(yàn)方法CWA15627中B部分所描述利用掃描電子顯微鏡測(cè)量缺口試樣破裂后斷口的厚度, 取斷口厚度多次測(cè)量的平均值為斷口厚度, 確定每個(gè)試樣的有效斷裂應(yīng)變[21]為:
(1)
式中:εf表示有效斷裂應(yīng)變;h0為試樣原始厚度, mm;hf為試樣破裂后的厚度, mm.
不同缺口長(zhǎng)度的SPT試樣的時(shí)間-撓度曲線如圖4(a)所示, 為方便對(duì)比, 圖中加入了一個(gè)無(wú)缺口試樣結(jié)果. 從圖中可以看出無(wú)缺口試樣斷裂時(shí)間為104.5 h, 不同長(zhǎng)度缺口的試樣斷裂時(shí)間如表3所示. 由于無(wú)缺口試樣的斷裂時(shí)間相比有缺口的試樣斷裂時(shí)間較長(zhǎng), 為方便比較不同缺口長(zhǎng)度試樣的斷裂情況, 將其結(jié)果單獨(dú)顯示于圖4(b)中.
圖4 SPT試樣(600 ℃, 500 N)撓度與時(shí)間曲線Fig.4 Relationship between deflection and time of different notched lengths in SPT specimen (600 ℃, 500 N)
對(duì)圖4(b)曲線進(jìn)行求導(dǎo)獲得撓度率曲線, 如圖5所示. 不同缺口試樣的撓度率-時(shí)間曲線主要分4個(gè)階段, 分別是: ① 瞬時(shí)變形階段, 試驗(yàn)剛開始加載2 h, 試驗(yàn)載荷加載至目標(biāo)的過(guò)程中, 試樣主要發(fā)生彈性變形, 撓度率隨著試驗(yàn)載荷的增大而增大, 不同長(zhǎng)度缺口試樣的瞬時(shí)撓度值有明顯不同, 如圖6所示, 由于在該階段試樣主要發(fā)生彈性變形, 因此此時(shí)的瞬時(shí)撓度值的大小主要與試樣的剛度有關(guān), 不同缺口長(zhǎng)度使得試樣剛度不同, 進(jìn)而產(chǎn)生的瞬時(shí)撓度有所差異; ② 蠕變變形速率減小階段, 載荷達(dá)到目標(biāo)后, 保持恒定載荷后, 試樣主要發(fā)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(shí)間的推移, 試樣進(jìn)入穩(wěn)定的蠕變階段, 撓度率保持恒定, 該階段占整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間的主要部分, 不同試樣的撓度率會(huì)逐漸降低達(dá)到一個(gè)最小值(最小撓度率), 該值越大, 試樣斷裂時(shí)間越?。?④ 蠕變變形速率增加階段, 隨著損傷的積累, 試樣開始產(chǎn)生裂紋等缺陷, 撓度率快速增大直到試樣發(fā)生斷裂.
圖5 不同長(zhǎng)度缺口SPT試樣撓度率-時(shí)間曲線Fig.5 Relationship between deflection rate and time of different notched lengths in SPT specimen
圖6 不同長(zhǎng)度缺口SPT試樣的撓度-時(shí)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(zhǎng)度缺口試樣撓度-撓度率曲線存在一個(gè)最小值, 該曲線局部放大如圖7所示, 不同長(zhǎng)度缺口試樣的最小撓度率大小及對(duì)應(yīng)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(shí)間最小相對(duì)應(yīng). 不同長(zhǎng)度缺口試樣的斷裂撓度與缺口長(zhǎng)度關(guān)系如圖8所示, 對(duì)于SPT中有較短的蠕變壽命的缺口長(zhǎng)度l=4.50 mm的試樣發(fā)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(shí)間最短相對(duì)應(yīng).
圖7 不同長(zhǎng)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(zhǎng)度的關(guān)系Fig.8 Relationship between fracture deflection and notch length
表3 最小撓度率及斷裂時(shí)間
在蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中, 試樣承載過(guò)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(shí)間的進(jìn)行逐漸減小, SPT試樣斷裂時(shí)發(fā)生圖中B部分的試樣與壓球接觸邊緣處, 此處應(yīng)力應(yīng)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(zhǎng)度l=4.50 mm的試樣未在缺口長(zhǎng)度方向開裂, 而在缺口兩側(cè)處沿圓周向開裂, 缺口長(zhǎng)度l=4.00、 4.75、 5.00 mm的試樣同樣未在缺口長(zhǎng)度方向開裂, 缺口直邊部分出現(xiàn)裂紋, 以上試樣均產(chǎn)生粘連的圓形帽, 而缺口長(zhǎng)度l=5.25 mm的試樣斷裂時(shí)其裂紋沿缺口長(zhǎng)度方向開裂, 未產(chǎn)生粘連的圓形帽, 斷裂后在缺口直邊部分發(fā)現(xiàn)裂紋. 在相同載荷條件下, 缺口長(zhǎng)度l=5.25 mm的試樣在缺口長(zhǎng)度所受應(yīng)力小于試樣與壓球接觸邊緣處應(yīng)力, 在其沿缺口長(zhǎng)度方向開裂時(shí), 因所受應(yīng)力小, 所以得到比較長(zhǎng)的斷裂時(shí)間. 這與圖10中試樣斷口觀察到的現(xiàn)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(chǎn)生主環(huán)向裂紋, 這表明該材料具有很高的延展性, 不同缺口長(zhǎng)度試樣的斷裂表面均表現(xiàn)為沿晶間斷裂的跡象. 斷裂表面出現(xiàn)細(xì)小的徑向裂紋, 這表明當(dāng)壓球完全穿透試樣時(shí), 試樣由于蠕變延性耗盡而發(fā)生斷裂.
采用電子掃描電鏡多次測(cè)量斷口相鄰區(qū)域的厚度取平均值, 不同長(zhǎng)度缺口試樣斷裂后的斷口厚度如表4所示. 通過(guò)公式(1)計(jì)算獲得不同長(zhǎng)度缺口試樣的等效斷裂應(yīng)變?nèi)鐖D11所示, 從圖中可以看出, 等效斷裂應(yīng)變的變化趨勢(shì)與不同缺口試樣壽命趨勢(shì)(表3)一致, 這表明試樣斷裂時(shí)主要是由于延性耗竭發(fā)生斷裂.
表4 不同缺口長(zhǎng)度試樣的斷口厚度
圖11 缺口長(zhǎng)度與等效斷裂應(yīng)變關(guān)系Fig.11 Relationship between notch length and equivalent fracture strain
以已服役的P91鋼材料為研究對(duì)象, 分析不同長(zhǎng)度缺口對(duì)試樣蠕變斷裂壽命及斷裂方式的影響, 主要結(jié)論如下.
1) 相比未開缺口試樣, 有缺口試樣的斷裂時(shí)間較短, 且缺口長(zhǎng)度對(duì)斷裂時(shí)間的影響與缺口長(zhǎng)度有關(guān),l=4.50 mm缺口試樣蠕變斷裂時(shí)間最短,l=5.25 mm缺口試樣蠕變斷裂時(shí)間最長(zhǎng).
2) 不同長(zhǎng)度缺口試樣的斷裂方式不同, 主要與裂紋起裂位置有關(guān).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(zhǎng)度方向開裂, 而l=4.00、 4.75、 5.00 mm的試樣均表現(xiàn)出在缺口直邊部分出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致斷裂.