摘 要 對(duì)焦炭塔用20g鋼和焊縫材料，分別在20、250、495 ℃下進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)和非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，兩種材料的屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，焊縫材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯高于20g鋼的。不同溫度下，兩種材料在非對(duì)稱應(yīng)力的加載下，均會(huì)產(chǎn)生棘輪行為，循環(huán)周次隨平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的增大而縮短，棘輪應(yīng)變速率越快，循環(huán)周次越短。在250 ℃下，由于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效作用，20g鋼和焊縫材料呈現(xiàn)出循環(huán)硬化特性，只有在高應(yīng)力水平下才會(huì)出現(xiàn)明顯的棘輪行為，而在低應(yīng)力水平下則表現(xiàn)出準(zhǔn)安定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞 20g鋼 焊縫材料 棘輪行為 疲勞壽命 單軸拉伸實(shí)驗(yàn) 非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：2021YFC3001805?03）資助的課題。

作者簡(jiǎn)介：杜輝宗（1998-），碩士研究生，從事焦炭塔疲勞分析相關(guān)工作。

通訊作者：趙建平（1971-），教授，從事高端承壓設(shè)備先進(jìn)設(shè)計(jì)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(jī)械，2024，51（5）：675-680；715.

20g鋼作為一種優(yōu)質(zhì)低碳鋼，被廣泛應(yīng)用于鍋爐類壓力容器，其正常狀態(tài)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(cuò)位排列而成。由于這種結(jié)構(gòu)和金相組織的存在，20g鋼在壓力容器應(yīng)用中能夠表現(xiàn)出非常出色的力學(xué)性能［1］。20g鋼還可以作為延遲焦化裝置核心設(shè)備焦炭塔的用鋼［2］，焦炭塔工作工況苛刻，其生產(chǎn)工藝流程主要分為蒸汽預(yù)熱-油氣預(yù)熱-進(jìn)油結(jié)焦-吹汽冷卻-進(jìn)水冷卻-放水除焦，每一生產(chǎn)周期均需經(jīng)歷一個(gè)冷熱循環(huán)過程，工作壓力交替變化，循環(huán)操作通常在環(huán)境溫度到約495 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行［3］。

美國(guó)石油協(xié)會(huì)（America Petroleum Institute，API）就焦炭塔在服役中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)失效問題進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)焦炭塔會(huì)出現(xiàn)塔體鼓凸變形、傾斜變形以及裙座焊縫、塔體環(huán)焊縫和接管焊縫開裂等問題［4～6］，嚴(yán)重影響了焦炭塔的安全長(zhǎng)周期運(yùn)行。焦炭塔產(chǎn)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(rèn)為產(chǎn)生破壞的原因是由于焦炭塔特定的操作工況，材料出現(xiàn)了棘輪行為。目前，已有的針對(duì)不同材料棘輪行為的文獻(xiàn)報(bào)道認(rèn)為［7～9］，平均應(yīng)力和應(yīng)力幅對(duì)棘輪行為具有重要影響，兩者越大，棘輪應(yīng)變率越大?；诖耍P者對(duì)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(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)試樣為50 mm厚的20g鋼板，焊材牌號(hào)J507，對(duì)完成焊接的鋼板進(jìn)行與焦炭塔熱處理相同的消應(yīng)力處理，20g鋼和焊材的化學(xué)成分見表1。

實(shí)驗(yàn)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(duì)稱循環(huán)加載試樣，所有試樣均為圓形截面，尺寸如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

所有實(shí)驗(yàn)均在100 kN的MTS809型材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)焦炭塔操作工況，分別在20、250、495 ℃下對(duì)20g鋼和焊縫材料進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)和非對(duì)稱循環(huán)加載實(shí)驗(yàn)。為保證試樣溫度的均勻性，實(shí)驗(yàn)開始加載前保溫15 min，單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變速率為0.001 s-1。

非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)采用三角波形，應(yīng)力加載速率為100 MPa/s。分別在25、250、495 ℃下開展不同平均應(yīng)力不同應(yīng)力幅值下的應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)。棘輪應(yīng)變?chǔ)诺挠?jì)算式為：

ε=ε

其中，ε為每個(gè)循環(huán)周次中的最大應(yīng)變值。

將每?jī)蓚€(gè)循環(huán)周次之間產(chǎn)生的棘輪應(yīng)變的變化量定義為棘輪應(yīng)變率，用Δε表示，Δε代表非對(duì)稱循環(huán)加載過程中棘輪應(yīng)變累積的速率。由于在實(shí)驗(yàn)前期和后期棘輪應(yīng)變率不穩(wěn)定，所以選取循環(huán)穩(wěn)定時(shí)的棘輪應(yīng)變率Δ[ε][·]=dε/dN作為研究指標(biāo)，其中N為循環(huán)次數(shù)。得到非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)方案見表2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 單軸拉伸實(shí)驗(yàn)

在20、250、495 ℃下對(duì)20g鋼和焊縫材料進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表3。可以看出，20g鋼和焊縫材料屈服強(qiáng)度隨溫度的升高而降低，焊縫材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度明顯高于20g鋼。250 ℃下20g鋼和焊縫材料的抗拉強(qiáng)度高于常溫，此時(shí)，試樣表面會(huì)出現(xiàn)一層藍(lán)色的氧化膜，稱為藍(lán)脆現(xiàn)象。文獻(xiàn)［10］認(rèn)為，產(chǎn)生藍(lán)脆現(xiàn)象是動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效作用的結(jié)果，在特定的溫度范圍和加載速率下，應(yīng)變時(shí)效和位錯(cuò)與碳、氮原子的交互作用強(qiáng)化了基體，產(chǎn)生位錯(cuò)的阻力隨之增大，位錯(cuò)難以到達(dá)表面形成駐留滑移帶，最終造成強(qiáng)化后的材料不易產(chǎn)生塑性應(yīng)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(tái)，在495 ℃下屈服平臺(tái)消失，而焊縫材料在不同溫度下均沒有明顯的屈服平臺(tái)。

2.2 非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 20g鋼

對(duì)不同工況下不同循環(huán)周次，即1周次、2周次、10周次、半壽命和全壽命對(duì)應(yīng)的滯回環(huán)進(jìn)行繪制，如圖3所示。可以看出，20g鋼在非對(duì)稱應(yīng)力的加載下，隨著循環(huán)周次的增加，滯回環(huán)逐漸向應(yīng)變正方向移動(dòng)，具有顯著的棘輪行為，在材料發(fā)生疲勞破壞時(shí)變得尤為明顯。在發(fā)生疲勞破壞時(shí)，應(yīng)變產(chǎn)生大的突變，材料的失效主要?dú)w因于棘輪應(yīng)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(yīng)變隨循環(huán)周次的演化曲線?？梢钥闯觯?0g鋼的循環(huán)周次隨加載條件（平均應(yīng)力+應(yīng)力幅值）的增大而降低，導(dǎo)致初始階段和穩(wěn)定階段的棘輪應(yīng)變演化速率加快。250 ℃下，產(chǎn)生棘輪行為所需的應(yīng)力水平較高，峰值應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生明顯的棘輪應(yīng)變；在55 MPa±365 MPa加載條件下大約2 000周次后進(jìn)入準(zhǔn)安定狀態(tài)，產(chǎn)生的棘輪應(yīng)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(yīng)水平下20g鋼的棘輪應(yīng)變隨循環(huán)周次的演化曲線，可以看出，在這兩個(gè)加載條件下20g鋼的棘輪應(yīng)變較小，只出現(xiàn)在前幾周次，之后就進(jìn)入了棘輪安定階段。可見，應(yīng)力水平越小，進(jìn)入準(zhǔn)安定狀態(tài)所需的循環(huán)周次越少，材料的失效主要?dú)w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(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以看出，焊縫材料在非對(duì)稱應(yīng)力的加載下，隨著循環(huán)周次的增加，滯回環(huán)逐漸向應(yīng)變正方向移動(dòng)，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(yīng)變并沒有快速增大，這是由于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效作用的影響，材料在循環(huán)穩(wěn)定后，累積的塑性變形趨于穩(wěn)定，在后續(xù)載荷作用下產(chǎn)生了彈性響應(yīng)，進(jìn)入彈性安定，在高應(yīng)力水平下才會(huì)產(chǎn)生棘輪行為，且產(chǎn)生棘輪的應(yīng)力范圍較20g鋼的小，因此焊縫材料更容易進(jìn)入安定狀態(tài)。由圖7可以看出，循環(huán)周次隨平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的增大而縮短，即棘輪應(yīng)變演化的速率越快，循環(huán)周次越短。

3 結(jié)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(shí)，由于動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效作用會(huì)出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象，造成20g鋼的單軸拉伸彈性模量、屈服強(qiáng)度與20 ℃時(shí)相近，而抗拉強(qiáng)度超過20 ℃時(shí)的，495 ℃時(shí)彈性模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度顯著下降。

3.2 在非對(duì)稱應(yīng)力循環(huán)載荷控制下，20、495 ℃下20g鋼和焊縫材料均表現(xiàn)出明顯的棘輪行為，隨著平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值的增大，棘輪應(yīng)變速率增大，循環(huán)周次縮短。在250 ℃下，兩種材料在動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)效作用下呈現(xiàn)出循環(huán)硬化特性，棘輪應(yīng)變演變呈現(xiàn)出準(zhǔn)安定狀態(tài)，在較高應(yīng)力水平下才會(huì)產(chǎn)生較大的棘輪應(yīng)變。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ 張晉坤，蘇輝，劉明武.20g鋼珠光體球化過程的分析［J］.熱加工工藝，2015，44（18）：71-73；77.

［2］ 丁磊.焦炭塔塔體材質(zhì)20g鋼的物性研究與塔體變形機(jī)理分析［D］.廣州：暨南大學(xué)，2007.

［3］ 吳娜.焦炭塔循環(huán)載荷下的疲勞分析［D］.青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2009.

［4］ American Petroleum Institute.Design，F(xiàn)abrication，Operational Effects，Inspection，Assessment，and Repair of Coke Drums and Peripheral Components in Delayed Coking Units—FIRST EDITION：API TR 934?G［S］.Washington D.C.：API Publishing Services，2016.

［5］ CHURCH J M， LIM L B，BREAR J M， et al. Crack growth modelling and probabilistic life assessment of coke drums operating under fatigue conditions［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2001，78（11/12）：1011-1020.

［6］ OHATA M，KAWAI N，TAGAWA T，et al.Investigation of Bulging Behavior of Coke Drum：Feasible Study on Causes of Bulging［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，2014，136（3）：1-9.

［7］ ZHOU W， ZHOU G Y， XIONG X， et al. Uniaxial ratcheting behavior and microstructure evolution of 316H stainless steel under the random cyclic loads［J］.Materials Characterization，2023，203：1-14.

［8］ MAITY S R，KUMAR S，PATNAIK L.Effect of Mean Stress on Ratcheting of Austenitic Stainless Steel （AISI 304） at Room Temperature［J］.The Physics of Metals and Metallography，2022，123（14）：1509-1517.

［9］ KANG G Z，KAN Q H，ZHANG J，et al.Time?dependent ratchetting experiments of SS304 stainless steel［J］.International Journal of Plasticity，2006，22（5）：858-894.

［10］ " "范志超.壓力容器用鋼16MnR中溫應(yīng)力控制下的低周疲勞行為及壽命評(píng)估技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2003.

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