1、 第 卷第 期压 力 容 器 年 月：试 验 研 究热机疲劳加载后 拉伸性能与剩余疲劳寿命预测方法张 毅，张 威，尹 鹏，周昌玉（南京工业大学 机械与动力工程学院，南京）摘 要：研究热机疲劳载荷下不同疲劳周次和应变幅值对 后续拉伸性能的影响，使用金相显微镜和扫描电子显微镜对断口以及断口附近表面形貌进行分析，并使用透射电镜观察不同疲劳周次下的位错结构，最后基于拉伸性能提出剩余疲劳寿命预测方法。结果表明，热机疲劳周次和应变幅值对拉伸性能的影响趋势明显不同，热机疲劳周次对拉伸性能的影响显著大于应变幅值的影响。热机疲劳周次和应变幅值的增加导致试样表面出现明显的宏观裂纹，材料韧性下降，在热机疲劳周次达到
2、 之后，试样的断裂模式由单纯的韧性断裂转变为混合断裂，热机疲劳过程中的位错结构演化是导致材料强度增加的主要原因。基于均匀延伸率、延伸率、均匀拉伸塑性应变能以及拉伸塑性应变能对剩余疲劳寿命进行预测，其中基于均匀拉伸塑性应变能的预测结果最为准确。关键词：奥氏体不锈钢；热机疲劳；拉伸性能；断裂机理；寿命预测中图分类号：；文献标志码：，（，）：，：；收稿日期：修稿日期：基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（）张 毅，等：热机疲劳加载后 拉伸性能与剩余疲劳寿命预测方法 引言伴随着“双碳”目标的提出以及化石能源现有储量难以支持可持续发展的问题，我国能源体系逐渐向低碳、绿色方向发展。核电具有高效、清洁、安
3、全，具有资源消耗少、环境影响小和供应能力强等优点，其在电力体系中的作用从原来的弥补电力缺口向新型电力市场主力能源转型。奥氏体不锈钢由于其优异的高温疲劳强度和抗氧化、腐蚀性能，被广泛应用于核电高温压力容器和管道系统中。核电机组在服役中，材料力学性能退化是高温部件的一个常见问题。在动态或交变载荷条件下工作的工程结构和部件，其力学性能往往随着疲劳周次的增长而不断下降。因此，高温部件在使用条件下的剩余寿命研究通常涉及材料累积疲劳损伤程度的评估，这种评估一般通过定量测量服役过程中材料的力学性能（如屈服强度、抗拉强度和硬度等）来进行。等试验发现，施加疲劳载荷会使 钢屈服强度和抗拉强度增大，而延性和韧性降低
4、。等则发现疲劳对材料力学性能的劣化影响与疲劳载荷初始阶段观察到的材料硬化有关。等 研究了低周疲劳载荷对 铝合金和 钢拉伸性能的影响，发现随着疲劳周次的增加，两种材料的屈服强度显著降低。等 发现随着疲劳周次的增加，的屈服强度和极限抗拉强度开始急剧增加，随后达到饱和，然后逐渐降低。等进一步发现疲劳加载后拉伸性能的变化取决于疲劳载荷的幅值和周次，当疲劳周次达到 时会出现断裂模式由延性向脆性转变。等比较了疲劳加载后（）和 钢的拉伸性能，发现随着疲劳周次的增加，（）的屈服强度呈指数增加，而 钢的屈服强度呈指数降低，并且（）的伸长率下降，钢伸长率基本不变。等比较了应变幅值以及疲劳周次对 钢拉伸性能影响，发
5、现屈服强度和极限抗拉强度随着疲劳周次的增加而降低，在 之前屈服强度和极限抗拉强度快速降低，并且应变幅值越高，下降速度越快。等研究了疲劳载荷对 结构钢后续拉伸性能的影响，发现随着疲劳损伤的增加，材料的强度和延性逐渐降低，并且材料会发生突然的劣化。等分析了疲劳载荷对 高强度钢力学性能的影响，发现 钢后续拉伸过程中没有屈服阶段，循环载荷会导致后续的屈服强度、延伸率和抗拉强度显著下降，弹性模量则几乎不变。然而，目前的研究多集中于低周疲劳和蠕变疲劳加载后的力学性能评价。在核电运行过程中，核电机组高温承压装备通常承受温度和机械载荷的联动循环作用，如压力容器和管道受到热冲击、热分层和热瞬态的作用，即热机疲劳
6、载荷，但关于热机疲劳加载后的拉伸性能研究还未见报道，这对于了解热机疲劳作用下核电机组的力学性能退化是一大挑战。因此探究热机疲劳载荷对 奥氏体不锈钢拉伸性能的影响，并建立相应的剩余疲劳寿命预测方法，对于保障我国核电机组长周期运行具有重要的意义。本文针对 开展不同应变幅值和不同疲劳周次的热机疲劳中断试验以及后续拉伸试验，并通过拉伸断口和微观组织分析，研究其拉伸性能变化规律以及失效机理；此外基于拉伸试验所得延伸率、均匀延伸率、拉伸塑性应变能等参数，分别建立基于不同拉伸性能的剩余疲劳寿命预测方法。试验方法 材料及试样尺寸试验材料为外径 ，壁厚 的 不锈钢无缝钢管，其化学成分见表，热处理工艺为 固溶处理
7、，随后水冷。表 不锈钢的化学成分 元素含量 在 不锈钢管上加工如图（）所示实心圆棒样，试样总长度 ，标距段长度 ，.，.，直径 。图 热机疲劳以及拉伸试样尺寸和试验过程示意 试验方法首先采用 试验机进行热机疲劳试验，直至试样断裂，进而确定疲劳寿命。随后对新试样进行热机疲劳中断试验以及后续拉伸试验，热机疲劳试验加载波形为三角波，相位角采用同相位，控制方式为机械应变控制，温度范围为 ，应变速率为 ，应变幅值分别为 ，。为了研究疲劳周次的影响，应变幅值为 时，分别进行疲劳周次为 ，的热机疲劳中断试验。为了研究应变幅值的影响，分别进行应变幅值为 ，疲劳周次为 的热机疲劳中断试验。疲劳中断试验后，对疲劳
8、中断试样进行高温拉伸试验，拉伸速率为 ，温度为 。具体试验过程如图（）所示。拉伸断裂后，采用超景深三维光学显微镜（）观察拉伸试样表面形貌，采用 型扫描电子显微镜（）观察拉伸断口。为了研究不同加载条件下的微观结构演化，分别开展应变幅值为 ，疲劳周次为，的热机疲劳中断试验，进行透射电镜（）微观结构观察。制样方法如下：首先在标距段用线切割切取出 的薄片；随后将薄片用金刚石砂纸机械抛光至 ；接着在恒定电压 下，在 的溶液中，通过电化学抛光方法进行减薄，以获得一个可观察的区域。结果与讨论 热机疲劳加载后的拉伸性能 拉伸工程应力 应变曲线图 示出不同疲劳周次以及不同应变幅值的热机疲劳加载后拉伸工程应力 应
9、变曲线，可以看出，相较于未经受热机疲劳载荷的试样，热机疲劳加载后的屈服强度显著提高。而图（）中疲劳周次的进一步增加并没有给屈服强度带来明显的改变，此外，断裂应变随着疲劳周次的增加而减小，从而导致工程应力 应变曲线形状的改变；从图（）中可以看出，应变幅值的增加会导致屈服强度进一步增加，同样断裂应变随着应变幅值的增加而减小。从图 中还可以发现所有的拉伸应力 应变曲线都呈现明显的锯齿状，这表明在当前的应变速率以及温度范围内发生了动态应变时效，锯齿的数量与动态应变时效强度相关，以下对锯齿数以及锯齿最大应力降进行统计分析。（）不同疲劳周次 （）不同应变幅值图 疲劳加载后的拉伸工程应力 应变曲线 张 毅，
10、等：热机疲劳加载后 拉伸性能与剩余疲劳寿命预测方法 拉伸性能定义示意图为了定量研究拉伸性能的变化趋势，图 示出了拉伸性能的定义示意图。由于 未发生明显的屈服平台，因此以发生微量塑性变形（应变为 ）时的应力作为屈服强度，应力 应变曲线在弹性阶段的斜率代表弹性模量，将材料在拉伸曲线中的最大承载能力定义为极限抗拉强度，此部分的延伸率为均匀延伸率，拉伸试样断裂后标距段的总变形与原标距长度之比的百分数定义为延伸率，如图（）所示。图（）示出了真实应力 应变曲线中的拉伸塑性应变能，并将弹性阶段之后的真实应力 应变曲线部分的面积分别定义为均匀拉伸塑形应变能和拉伸塑性应变能。（）工程应力 应变曲线中的强度和伸长
11、率 （）真实应力 应变曲线中的拉伸塑性应变能图 拉伸性能定义示意 热机疲劳周次对拉伸性能的影响图（）示出 应变幅值不同疲劳周次后的弹性模量变化规律，可以看出随着疲劳周次的增加，弹性模量在 时快速上升，随后逐渐饱和，在 后缓慢下降。图（）示出不同热机疲劳周次后，屈服强度和极限抗拉强度的演化规律，在 下，屈服强度显著增大，但在后，屈服强度基本保持不变，而极限抗拉强度受疲劳周次的影响较小，几乎是一条直线。图（）示出不同热机疲劳周次后延伸率和均匀延伸率的变化趋势，可以看出，随着热机疲劳周次的增加，两者均呈现出快速下降的趋势。（）弹性模量 （）屈服强度和极限抗拉强度 （）延伸率和均匀延伸率图 应变幅值的
12、不同疲劳周次后的拉伸性能 热机疲劳应变幅值对拉伸性能的影响图（）示出 疲劳周次不同应变幅值加载后的弹性模量，可以发现应变幅值对弹性模量的影响并不明显，这与低周疲劳载荷下应变幅值的影响明显不同。图（）示出不同应变幅值下的屈服强度和极限抗拉强度，可以看 出，随 着 应 变 幅 值 的 增 加，屈 服 强 度 从 增加到 ，而极限抗拉强度则几乎保持不变，表明应变幅值对极限抗拉强度的影响同样较小。图（）示出不同应变幅值下的 .，.，均匀延伸率和延伸率，随着应变幅值的增加，延伸率 与 均 匀 延 伸 率 也 呈 下 降 趋 势，但 对 比图（）和图（）可以发现，应变幅值的影响明显低于疲劳周次的影响。（）
13、弹性模量 （）屈服强度和极限抗拉强度 （）延伸率和均匀延伸率图 疲劳周次的不同应变幅值后的拉伸性能 拉伸塑性应变能变化规律已有研究结果表明，拉伸塑性应变能代表材料在变形过程中吸收能量的能力，即抵抗破坏的能力。图 示出了热机疲劳周次和应变幅值对拉伸塑性应变能的影响规律，可以看出，疲劳周次与应变幅值的变化对拉伸塑性应变能的影响是相似的，随着疲劳周次与应变幅值的增加，均匀拉伸塑性应变能和拉伸塑性应变能均呈现下降趋势，但应变幅值的影响同样低于疲劳周次的影响。（）应变幅值不同疲劳周次 （）疲劳周次不同应变幅值图 拉伸塑性应变能 动态应变时效图 的拉伸曲线表明，在拉伸过程中出现了明显的动态应变时效，为了说
14、明热机疲劳周次和应变幅值对动态应变时效的影响，图 统计了不同疲劳周次以及不同应变幅值加载后的动态应变时效次数以及最大应力降。从图（）可以看出，当疲劳周次在 以及 的增加过程中，动态应变次数迅速减少，而当疲劳周次从 增长到 的过程中，动态应变时效次数基本保持不变。与动态应变时效次数变化趋势不同，最大应力降在 疲劳周次时增加，而在 时下降。从图（）中可以看出，在 疲劳周次下，随着应变幅值的增加，动态应变时效次数以及最大应力降均缓慢下降并趋于平缓。在拉伸过程中动态应变时效的形成原因是，和 置换原子气团与运动位错交互作用而产生的，而在疲劳加载阶段，大量位错缠结堆积在晶粒边界，而晶粒内的可移动位错密度相
15、对较低，并且原子气团对层错能的削弱作用使得位错倾向于通过交滑移解锁，因此热机疲劳加载后的动态应变时效次数减少。应变幅值的增加使交滑移增加，交滑移导张 毅，等：热机疲劳加载后 拉伸性能与剩余疲劳寿命预测方法致位错湮灭，位错密度降低使得动态应变时效降低。（）应变幅值不同疲劳周次 （）疲劳周次不同应变幅值图 动态应变时效次数以及最大应力降 断口形貌观察为了研究热机疲劳加载后的拉伸断裂机理，图 示出 应变幅值不同疲劳周次后的拉伸试样断口附近表面形貌，可以看出与未经受疲劳直接拉伸的试样（见图（）相比，热机疲劳加载后 拉伸试样的表面粗糙度明显增加（见图（），并且当疲劳周次达到 时，在试样表面观察到明显的宏
16、观裂纹（见图（），随着疲劳周次的进一步增加，裂纹的尺寸以及数量也相应的增加（见图（）（），其对应的拉伸延伸率以及均匀延伸率也在不断下降（见图（），而屈服强度以及极限抗拉强度则并没有受到表面裂纹的影响（见图（），这表明拉伸强度的增加并不是由表面裂纹导致的。图 应变幅值的不同疲劳周次后的拉伸试样断口附近的表面形貌 图 进一步给出了 应变幅值不同疲劳周次后拉伸断口 形貌。从图（）可以看出，未经受热机疲劳加载直接拉伸的试样，断口中存在许多大尺寸韧窝，并且起裂位置在断口的中心附近，这表明未经疲劳的拉伸试样属于典型的韧性断裂。随着疲劳周次从增加到时（如图（）（）所示），可以看到大尺寸韧窝的数量明显减少，并且出现了连续密集的小尺寸韧窝，这表明材料韧性下降，并且起裂位置逐渐向边缘移动。当疲劳周次达到 时（如图（）所示），在低倍显微镜下可以看到明显的疲劳源区，在高倍显微镜下可以看到韧窝平均尺寸变小，这表明热机疲劳载荷对材料的韧性起到了明显的削弱作用，尤其是当疲劳周次达到 后，热机疲劳载荷的影响十分显著，试样的断裂模式由单纯的韧性断裂转变为混合型断裂。图 示出 疲劳周次不同应变幅值加载后拉伸试样断口附近的