新型耐熱鋼焊接接頭早期蠕變損傷機制研究

新型耐熱鋼接頭早期蠕變損傷機制及預(yù)測方法是發(fā)展新一代電站設(shè)備亟需解決的問題，項目研究了焊接接頭局部微觀組織、殘余應(yīng)力場和工作載荷疊加作用下的蠕變損傷和蠕變裂紋行為。提出了適用于連續(xù)冷卻過程計算的改進的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（J-M-A-K）方程，結(jié)合基于模式搜索法的全局優(yōu)化方法，確定改進的J-M-A-K方程的動態(tài)參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，耐熱鋼焊接接頭在熱影響區(qū)最大焊接殘余應(yīng)力的位置可以通過焊材的選擇來控制，高強匹配的填充金屬將拉伸殘余應(yīng)力峰值外推至母材區(qū)域，避開強度較低的熱影響區(qū)。提出了改進的預(yù)壓縮-緊湊拉伸蠕變試樣，通過壓縮-釋放，在半圓形缺口附近預(yù)制了殘余應(yīng)力場，能夠在實驗室環(huán)境下有效地研究三軸殘余應(yīng)力場對蠕變裂紋萌生和擴展性能的影響，闡明了焊接殘余拉應(yīng)力是引起早期蠕變失效的關(guān)鍵因素。設(shè)計了一種通過局部重熔引入焊接殘余應(yīng)力與焊縫顯微結(jié)構(gòu)的蠕變試樣，分析殘余應(yīng)力作用下，不同微觀組織的蠕變裂紋開裂行為和蠕變斷裂模式。引入基于微觀蠕變孔洞長大的多軸延性耗竭蠕變損傷分析，實現(xiàn)管道環(huán)焊縫接頭在實際工作載荷和溫度環(huán)境下的蠕變壽命預(yù)測。 2100433B

新型耐熱鋼接頭早期蠕變損傷機制及預(yù)測方法是發(fā)展新一代電站設(shè)備亟需解決的問題。采用熱-力模擬試驗機制備焊接接頭不同區(qū)域組織的蠕變試樣，通過園棒蠕變試驗和預(yù)應(yīng)變?nèi)渥償嗔言囼?，確定相關(guān)蠕變模型和蠕變開裂應(yīng)變。對蠕變試樣微觀組織進行表征，揭示蠕變損傷與微觀組織，特別是晶界特征的關(guān)系。結(jié)合微觀組織映射和有限元模擬，探討焊接殘余應(yīng)力、晶粒尺寸、晶界特征、析出相大小、形態(tài)等對焊接接頭蠕變損傷的影響，評定對蠕變參數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合焊接模擬件蠕變試驗和開裂應(yīng)變測量，對焊接接頭蠕變損傷模型參數(shù)進行改進。 提出了考慮接頭殘余應(yīng)力的蠕變開裂環(huán)狀試樣的試驗方法。.項目以實驗為基礎(chǔ)，對焊接接頭早期蠕變損傷的機理形成全面認識，結(jié)合試驗評定和數(shù)值計算為新型耐熱鋼焊接接頭與結(jié)構(gòu)設(shè)計和新一代耐熱鋼開發(fā)提供理論和技術(shù)支撐。研究成果具有重要理論意義和應(yīng)用價值。

在19世紀人們開始關(guān)注蠕變現(xiàn)象。1883年法國Vicaf對鋼索進行實驗，并作定量分析。1910年英國Andrade結(jié)合理論研究，提出蠕變的概念。金屬蠕變理論的建立已有70年的歷史。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，蠕變的研究思路主要分成兩類研究方向：一類從微觀層次著手，重點探求蠕變機制以及影響金屬蠕變抗力的因素，屬于金屬物理學(xué)方面的研究工作；另一類是以宏觀實驗為基礎(chǔ)，從蠕變現(xiàn)象的觀察到實驗數(shù)據(jù)的分析研究，建立蠕變規(guī)律的理論，研究構(gòu)件在蠕變狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變計算和壽命的評估方法，屬于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的范疇。在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的平衡方程、幾何方程以及本構(gòu)關(guān)系也適用于蠕變力學(xué)。

蠕變斷裂微觀機理研究

實際結(jié)構(gòu)常處在復(fù)雜的服役環(huán)境中，在機械應(yīng)力和熱應(yīng)力的相互作用下，構(gòu)件多處在多軸蠕變的狀態(tài)。對多軸蠕變的失效機理的研究更具有實際意義，其中基于孔洞長大理論建立了大量的模型，如圖2所示。考慮孔洞長大的不同機理產(chǎn)生了Rice-Tracy模型、Cocks-Ashby模型、Huddleston模型、Hales模型、Spindler模型。在鑄造和機械加工過程中，材料總是會產(chǎn)生一些缺陷，如點缺陷空位、線缺陷位錯、面缺陷晶界和體缺陷孔洞。材料在高溫環(huán)境下的破壞一般是夾雜或者第二相粒子處出現(xiàn)孔洞，并長大、聚合的結(jié)果。孔洞的長大在蠕變過程中又占據(jù)主導(dǎo)地位。

孔洞萌生的機制可以分成三類：未變形第二相粒子穿晶滑移機制、晶粒沿者晶界滑移機制和晶界空位聚集機制?？锥吹某尚温逝c作用在晶界上的正應(yīng)力相關(guān)。由于應(yīng)變不能穿過晶界，導(dǎo)致了在個別位置的應(yīng)力水平比外載荷作用下整體的應(yīng)力大很多。這就意味著，在低應(yīng)力的水平下，晶界處也能形成孔洞。高溫環(huán)境下孔洞萌生原因為空位擴散聚集?？锥撮L大的物理機制可分成三種：

(1)擴散主導(dǎo)孔洞長大機制。該機制下孔洞的長大速率與擴散相關(guān)。在低應(yīng)力或孔洞直徑較小情況下，擴散機制為主要因素。

(2)塑形主導(dǎo)孔洞長大機制。隨著孔洞尺寸的增大，擴散作用減弱，塑形控制作用成為主要的因素。高應(yīng)力狀態(tài)時，孔洞鄰近材料進入塑性變形導(dǎo)致孔洞增大。因此，塑形主導(dǎo)孔洞機制比擴散主導(dǎo)機制更具有工程價值。

(3)約束主導(dǎo)孔洞長大機制?？锥丛龃髮?dǎo)致個別位置應(yīng)變率大于鄰近材料的應(yīng)變率，應(yīng)力將狀態(tài)發(fā)生變化，直到孔洞增大產(chǎn)生的應(yīng)變率等于外載荷導(dǎo)致的較遠處的應(yīng)變率。孔洞聚合物理機制分為孔洞相互接觸機制和孔洞片機制。孔洞接觸機制是指孔洞間的韌帶頸縮到一點?？锥雌瑱C理是指孔洞間的韌帶上產(chǎn)生大量次級孔洞，從而實現(xiàn)了主孔洞的連接?？锥淳酆线^程將導(dǎo)致材料的最終失效，影響材料微裂紋的萌生與擴展。

對材料損傷破壞的研究反映出綜合分析宏觀和細觀力學(xué)性能的必要性。對于蠕變損傷進一步研究過程中，通常使用損傷參量來預(yù)測材料的剩余壽命。

蠕變斷裂連續(xù)介質(zhì)研究

在二維理論研究方面，1980年Riedel和Rice指出，對于冪硬化蠕變材料，裂紋端部的應(yīng)力、應(yīng)變奇異性及其分布規(guī)律符合HRR型。提出了蠕變斷裂的RR解，通過使用單參數(shù)C(t)積分來描述二維理想平面應(yīng)力和平面應(yīng)變的裂尖場。與彈塑形經(jīng)典的HRR解不同之處在于，C(t)積分替換了彈塑性下的J積分，而應(yīng)變和位移替換成與時間相關(guān)的應(yīng)變率和位移率。

在理想的平面應(yīng)力和平面應(yīng)變狀態(tài)下，蠕變RR解的主導(dǎo)區(qū)是局限的。考慮面內(nèi)約束的理論僅是限定在二維框架下。而實際工程構(gòu)件的結(jié)構(gòu)多樣以及受力復(fù)雜，將受力狀態(tài)簡單的歸為平面應(yīng)力或平面應(yīng)變是不準(zhǔn)確的。

蠕變裂紋擴展過程有兩種對抗機制。一種是材料裂紋端部的發(fā)生鈍化表示蠕變變形，裂紋端部因鈍化變形影響降低了應(yīng)力水平，從而降低了蠕變裂紋擴展速度；另一種是導(dǎo)致孔洞和微觀裂紋形成的蠕變損傷積累，損傷積累又會促使裂紋的擴展。裂紋是否擴展由兩種機制共同作用決定，當(dāng)兩者作用相當(dāng)時呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)裂紋擴展 。

金屬材料在蠕變過程中可發(fā)生不同形式的斷裂，按照斷裂時塑性變形量大小的順序，可以講蠕變斷裂分為如下類型：

蠕變沿晶蠕變斷裂

沿晶蠕變斷裂是常用高溫金屬材料（如耐熱鋼、高溫合金等）蠕變斷裂的一種主要形式。主要是因為在高溫、低應(yīng)力較長時間作用下，隨著蠕變不斷進行，晶界滑動和晶界擴散比較充分，促進了空洞、裂紋沿晶界形成和發(fā)展。

蠕變穿晶蠕變斷裂

穿晶蠕變斷裂主要發(fā)生在高應(yīng)力條件下。其斷裂機制與室溫條件下的韌性斷裂類似，是空洞在晶粒中夾雜物處形成，并隨蠕變進行而長大、匯合的過程。

蠕變延縮性斷裂

延縮性斷裂主要發(fā)生在高溫（T > 0.6 Tm ）條件下。這種斷裂過程總伴隨著動態(tài)再結(jié)晶，在晶粒內(nèi)不斷產(chǎn)生細小的新晶粒。由于晶界面積不斷增大，空位將均勻分布，從而阻礙空洞的形成和長大。因此，動態(tài)再結(jié)晶抑制沿晶斷裂。晶粒大小與應(yīng)變量成反比。

目前，蠕變理論、蠕變斷裂的微觀機制以及蠕變和工程構(gòu)件其他失效形式的相互作用的研究仍不成熟，有待今后繼續(xù)深入 。

溫度較高時原子的活動能力提高，使得產(chǎn)生塑性變形的位錯滑移更為容易，所以，在較高溫下低于屈服極限的應(yīng)力就足以造成材料塑性變形。隨著材料的塑性變形，加工硬化亦隨之產(chǎn)生，材料開始強化，變形抗力加大，所以：

第一階段：變形速率隨時間而下降。

第二階段：是穩(wěn)態(tài)階段。此時，變形產(chǎn)生的加工硬化和回復(fù)、再結(jié)晶同時進行，材料未進一步硬化，所以變形速率基本保持恒定。

第三階段：愈來愈大的塑性變形便在晶界形成微孔和裂紋，試件也開始產(chǎn)生縮頸，試件實際受力面積減小而真實應(yīng)力加大，因此在塑性變形速率加快，最后導(dǎo)致試件斷裂。