论文总字数：14403字

摘 要

对9%Cr钢的焊接接头进行不同疲劳载荷损伤下的蠕变试验，研究疲劳载荷历史后焊接接头蠕变性能变化规律，并分析疲劳载荷对蠕变性能的损伤机理。结果表明：疲劳载荷对焊接接头的蠕变寿命有明显劣化作用；疲劳周次和应变幅值的增加会导致蠕变寿命的降低，而当疲劳寿命周次增加至70%或当应变幅值增加到0.4%后，疲劳载荷对焊接接头蠕变寿命损伤达到饱和；保载时间600 s范围内，保载时间的增加对蠕变寿命没有明显影响；焊接接头严重的蠕变性能退化归因于不同区域组织承受的非线性疲劳损伤。

关键词：9%Cr钢；焊接接头 ；疲劳载荷历史；蠕变

Influence of fatigue load history on creep performance of welded joints

Abstract

Creep tests were conducted on prior fatigue exposure specimens of 9%Cr steel welded joint to investigate the evolution of creep properties and its damage mechanism under fatigue loading history. Results reveal that both creep life of welded joint degrade after fatigue loading. The increase in strain amplitude and fatigue cycle induces reduction in creep life. Nevertheless, the fatigue damage comes to the maximum after 70% lifetime fraction or after 0.4% strain amplitude, respectively. The increase of hold time within 600 s hardly causes obvious damage on creep life. The nolinear fatigue damage of different region in welded joint is responsible for the severer degradation of creep properties of welded joint.

Keywords：9%Cr steel ；welded joint ； Fatigue load history ； creep

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 含疲劳载荷损伤的蠕变性能研究进展 1

1.3 本文研究内容 2

第二章 试验内容与方法 3

2.1 材料的准备及试验加工 3

2.2 焊接接头疲劳试验方案 4

2.3 焊接接头蠕变试验方案 6

第三章 试验结果与讨论 8

3.1疲劳周次的影响 8

3.2疲劳应变幅值的影响 9

3.3蠕变疲劳保载时间的影响 11

3.4疲劳载荷对焊接接头蠕变性能损伤机理 13

第四章 结论 19

第五章 经济性评价 20

参考文献 21

致 谢 23

第一章 绪论

1.1 引言

在高温部件的设计制造过程中，焊接是不可或缺的制造手段，但焊接接头微观组织的多样性及其组织和性能上不均匀性使其成为高温部件性能的薄弱部位，也是最易失效的位置。在高温服役条件下，焊接接头主要的失效形式即为蠕变断裂^[1],在其长期蠕变过程中，随着蠕变时间和应变的累积，其微观组织会逐渐发生演变，导致焊接接头发生劣化，从而产生蠕变断裂，最终造成高温部件的失效。因此，在高温部件设计制造过程中，均会采用蠕变性能优异的材料，以保证其能够稳定服役。但在高温部件的服役过程中，往往也要承受不同程度的疲劳载荷，以超超临界发电机组（USC）为例，其特有的频繁开停车、调峰等服役环境，会使高温部件尤其是其焊接接头承受不同程度的疲劳载荷损伤，加剧材料微观组织的劣化，造成高温部件过早失效。

因此，研究疲劳载荷后焊接接头的蠕变性能及其损伤机理对保证例如USC机组等需要承受疲劳载荷高温部件的长时、安全、稳定运行具有重要意义。

1.2 含疲劳载荷损伤的蠕变性能研究进展

蠕变是高温结构破坏最主要的形式^[1]，为了保证高温部件能够在需要承受疲劳载荷的服役环境下稳定运行，对含疲劳载荷损伤的蠕变性能的研究必不可少，事实上，这类研究也从未停止。Fookes^[2]、Joseph^[3]、Takahashi^[4]等人在对316不锈钢的研究中发现，疲劳载荷在降低材料蠕变速率的基础上，会降低材料的蠕变寿命，但同时会使蠕变韧性增加。Mayama^[5]等人在对材料疲劳过程中的微观组织观察过程中发现，疲劳过程中材料蠕变性能改变的根本原因是位错结构的演变。Joseph^[6]等人研究发现，316H不锈钢经过低周疲劳载荷后，其蠕变曲线中第一阶段明显减少，且更早进入第三阶段，疲劳载荷引起的微观组织变化是导致其蠕变性能变化的根本原因。Dubey^[7]等人对低周疲劳载荷后12%Cr钢的蠕变性能进行研究，指出低周疲劳载荷引起的亚晶粒长大导致了蠕变性能下降。但是现有研究对疲劳载荷在蠕变各阶段的影响机理尚未澄清，而且现有研究在疲劳载荷形式上只采用了单一幅值的低周疲劳载荷，不同应变幅值以及蠕变疲劳交互的疲劳载荷形式尚未见报道。另外，焊接接头由于复杂的微观组织不连续性，不同区域的微观组织演化受到相邻区域的制约以及复杂应力状态的影响。因此，不同疲劳载荷引起的微观组织不均匀演化对焊接接头后续蠕变损伤行为的影响还有待深入研究。

1.3 本文研究内容

本文对9%Cr钢的焊接接头进行不同疲劳载荷后的蠕变试验，探讨疲劳载荷对9%Cr钢焊接接头蠕变性能的影响规律，并从断口形貌和微观组织等角度分析疲劳载荷对9%Cr钢焊接接头的损伤机理，在此基础上，分析了疲劳载荷损伤与剩余蠕变寿命的关系

第二章 试验内容与方法

2.1 材料的准备及试验加工

为了研究疲劳历史载荷对焊接接头蠕变性能的影响，需要对焊接接头进行相关试验研究。选用规格为Φ335×54mm的P92钢管作为母材进行焊接，分别选用MTS 616焊条和CROMOCORD 92焊条作为焊材，依据DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》制作焊接接头焊缝坡口，为了减少多轴应力的影响，采用单边双V型坡口，具体尺寸如图1所示。按照DL/T869-2012《火力发电厂焊接技术规程》制定焊接工艺，在南京某电力公司完成焊接过程，焊接完成后采用超声波探伤，以确保焊接接头的质量符合试验要求。母材和焊接材料的化学成分如表1所示，加工方法如图1所示，这样加工的优点是试样标距段内同时含有母材、焊材、热影响区，且每个区域均承受单轴载荷，避免了多轴载荷对焊接接头蠕变性能的影响。试样具体尺寸如图2所示，其中标距段长25mm，直径为8mm，这是基于ASTM标准进行改进的疲劳试样。为了减少试样表面划痕损伤对试验结果造成的影响，在进行疲劳试验前，需要对所有试样进行精抛处理。

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