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摘 要

本文对P92钢试样进行不同幅值和保载时间的低周疲劳试验及蠕变-疲劳交互试验，研究应变幅值与应变保载对材料疲劳寿命的影响，并观察其在不同试验条件下的断裂特性，进而掌握P92钢的在蠕变-疲劳交互载荷条件下的损伤行为。结果表明：（1）材料循环寿命随应变幅值的增大而逐渐减小直至应变幅值大于0.6% 时，疲劳寿命趋于稳定状态；（2）保载时间的增加使材料的蠕变疲劳损伤累积从而导致材料循环寿命逐渐降低直至达到稳定状态；（3）在相同保载时间条件下，相比于拉伸应变保载，引入压缩保载会更加明显地加剧材料的损伤行为；

关键词：马氏体耐热钢 低周疲劳 蠕变疲劳交互作用 损伤行为

Damage behavior of high Cr martensitic heat-resistant steel under the creep-fatigue interaction

Abstract

In this paper, P92 steel samples were subjected to low-cycle fatigue tests and creep-fatigue interaction tests with different strain-amplitudes and holding times, to study the effects of strain amplitude and strain loading on the material's fatigue life. The result shows: (1) The cycle life of the material gradually decreases with the increase of the strain amplitude until the strain amplitude is greater than 0.6%; (2) The increase of the holding time causes the accumulation of creep fatigue damage of the material, which leads to the decrease of the cycle life until it reaches a stable state; (3) Under the same holding time, compared with the tensile strain loading, the introduction of compression loading will significantly aggravate the damage behavior of the material;

Key Words: Martensitic heat-resistant steel; Low-cycle fatigue; Creep-fatigue interaction; Damage behavior

目 录

摘 要 I

ABSRACT II

第一章 引言 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容 3

第二章 试验内容与试验方法 4

2.1材料准备，试样图纸设计及试样制备 4

2.2高温低周疲劳试验 5

2.3蠕变疲劳交互试验 7

第三章 试验结果与讨论 8

3.1低周疲劳试验下应变幅值对疲劳寿命影响 8

3.2保载时间对蠕变疲劳交互损伤行为的影响 9

3.3微观组织演化 12

3.4研究结果 13

第四章 断口形貌分析 15

4.1低周疲劳载荷条件下试样断口形貌 15

4.2蠕变疲劳交互作用下试样断口形貌 17

4.3断裂原因分析 19

4.4研究结果 20

第五章 结论 22

第六章 经济性分析 23

参考文献 24

致谢 26

引言

1.1研究背景及意义

到目前为止，随着我国经济的快速稳定发展以及工业技术的不断革新，高温装备在航空、电力、核电等关键领域的应用越来越广泛，其中超超临界(USC)机组的研发是 我国热发电技术的主要研究领域。为满足超超临界(USC)机组的选材要求，确保关键设备在高温高压工况下的安全稳定运行，耐热钢迎来了从早期低碳钢、低合金钢到高合金耐热钢的发展。高Cr马氏体耐热钢采用了固溶强化、位错 强化、细晶强化、弥散强化等复合强化机制。此外其在传统耐热钢基础上，进行多元合金化处理，优化生产工艺，使材料的综合性能得到更好的提升。新型高Cr马氏体耐热钢的应用不仅提高了火电机组的能源利用率与发电效率，同时减少了CO₂的排放。除此之外，材料的焊接、锻造 等工艺性能得到了明显改善，在降低成本的同时提高了发电效率及安全可靠性。

众所周知，在发展超超临界(USC)机组这一不可避免的趋势下，发电效率的提高通常是通过提高蒸汽参数来实现的。然而，服役期间蒸汽 参数的提高对设备用材的综合性能提出了更为严格的要求，尤其是抗高温蠕变性能。由于Cr元素不仅可以提高耐热钢的抗氧化能力与耐腐蚀性，还增加钢的热强性，起到良好的固溶强化作用，因此Cr含量为9%~12%的高Cr马氏体耐热钢的研究与开发备受关注。此外，铬元素与碳元素间有较好的亲和力，形成各种碳化物析出相，起到稳固晶界的作用。P92钢的开发就是为了满足超超临界(USC)机组用材的苛刻条件。P92钢的主要化学成分为9Cr-1.8W-0.5Mo-V-Nb，其合金化设计特点是在T/P91钢的基础上增加B元素及W元素含量，从而使合金元素间的固溶 强化效果更加显著，此外利用W元素和Mo 元素复合强化机制形成的复杂AB₂型Laves相^[1]，使P92钢在高温下获得了较高的微观组织稳定性与持久强度。通过上述强化机制，高Cr马氏体耐热钢—P92钢以其很高的强韧性、高热导率、低热胀系数、良好的抗高温蠕变性能得到广泛关注并成为火电及核电等关键领域的核心高温装备用材的首要选择或更新换代材料^[2]。在此类高温高压工况下，P92钢的主要失效形式为高温蠕变断裂失效^[3]，同时由于高温装备在频繁的开停车过程中承受着蠕变-疲劳交互的循环载荷损伤作用，对高温装备在稳定工况下的性能产生影响，潜在危险性极大。一旦发生事故将会造成巨大经济损失。因此研究蠕变-疲劳交互作用下高Cr马氏体耐热钢的蠕变-疲劳行为及损伤机理对保障设备的安全、稳定及长寿命运行具有重要的实际意义。

1.2国内外研究现状

目前，世界上许多国家对P92钢的蠕变-疲劳行为进行了相关研究。由于峰值应力的存在，应力控制下的蠕变-疲劳交互作用存在三个区域：C区（蠕变损伤主导区）、F区（疲劳损伤主导区）及CF区（蠕变-疲劳交互作用区）。微观组织观察结果表明：P92钢的主要强化机制为位错强化及弥散强化^[4]，板条状回火马氏体内部存在高密度的位错 , 第二相粒子及蠕变强化相MX型碳氮化物的存在使得P92钢具有较高的蠕变强度。蠕变过程中，材料蠕变强度随位错密度的降低及Laves相的形成而下降，导致蠕变加速及最终断裂。位错运动是影响蠕变过程及导致蠕变加速和最终断裂的主要因素，Laves相的析出是影响蠕变稳定性的主要因素^[5]。

关于P92钢的蠕变-疲劳寿命预测以及蠕变-疲劳损伤也已经有相关研究，P92钢的蠕变-疲劳寿命随保载时间的引入而下降，且寿命随着保载时间的增加趋于稳定。此外，相比于同时引入拉伸保载和压缩保载，在只引入拉伸保载或压缩保载时蠕变-疲劳寿命要下降的多。应力松弛也是影响蠕变-疲劳寿命的一个重要因素，因此可通过拉伸保载时间内的应力松弛现象对P92钢准确地进行蠕变-疲劳寿命预测。目前对蠕变-疲劳寿命进行预测的方法主要有三种：预测精度最高的是应变能密度耗竭法，其次是延性耗竭法，最后是寿命分数法^[6]。

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