中间退火使疲劳损伤钢延寿的微观力学解释

在恒应变控制下测试调质合金钢试样 90 %存活率的疲劳寿命Nf,然后将其他试样分别疲劳损伤到 0 .1Nf、0 .2 5Nf、0 .5Nf、0 .8Nf周次后进行中间退火 ,再继续测试剩余疲劳寿命。结果表明中间退火可以延长疲劳寿命。微观检验表明 :调质钢是由弥散碳化物质点和铁素体组成的两相组织 ,碳化物是裂纹源。借助于静载荷下解理断裂的微观力学模型和公式 ,可以解释微观参数对在碳化物或碳化物与基体界面萌生微观裂纹和向基体延伸的影响 ,但必须考虑随着疲劳损伤而发生的微观参数的变化。用此微观力学模型和公式也可以解释中间退火延寿机理。中间退火消除了胞状结构 ,使杆状碳化物转变成球状碳化物 ,减少了应力集中、扩散了晶区的有害元素 ,恢复和提高了萌生裂纹的表面能 ,恢复了材料的有效门槛值ΔKth·eff,减慢了由微观裂纹向宏观短裂纹扩展速率 。

试论含焊接缺陷输油管的失效过程及其安全性

正常工艺生产的输油管（不含穿透性缺陷）具有足够的断裂韧性值，但在水压试验时，却全部发生了爆裂．分析表明破坏过程是管中非穿透缺陷由于周围材料流变而变成穿透裂纹，使管子失效，所以失效抗力仅取决于管材及焊缝强度．当穿透裂纹撕裂到临界尺寸时，管子爆裂才发生．仅在这时，断裂韧性和强度才对爆裂应力有影响．因为用在输送线上管子的初始缺陷是非穿透性的，所以提高材料强度减少焊缝缺陷是增加失效应力的有效措施．

疲劳损伤钢件延寿机理及效果

在恒应变ε=±0.5%和ε=±0.8%控制下,对淬火和600℃回火的40Cr钢试样进行疲劳循环加载,求得存活率为90%时的寿命Nf,将另一组试样疲劳加载到少于Nf的不同周次,在保护介质下550℃加热2小时(称为修复退火)后,测残余疲劳寿命。当损伤主要是微观结构变化时,退火效果随损伤周次增加而提高。其原因是存在试样中的应变能在修复退火中作为附加的驱动力,促使微观组织向均匀和稳态转变,延缓了碳化物界面裂纹的形成。但当损伤促使微观裂纹形成时,退火不能使其愈合,修复效果降低,所以有一个最佳的修复退火时机。此时进行修复退火,使疲劳总寿命提高2倍。但对高周次疲劳损伤,进行修复退火不能愈合裂纹和延长寿命。对它进行中温热静等压(hotisostaticpressure,HIP)处理,可提高总寿命2.4倍。中温热静等压使试样表面硬度、残余压应力都增加,可减缓微裂纹的萌生和扩展。试样的电阻率变化能够检测微观结构疲劳损伤程度和修复效果。

油(气)管用钢板的包辛格效应

研究了输油(气)管用X70、X80钢板在不同的应变类型(轴向加载和弯曲加载)、不同预应变量和不同反向应变量下所导致的应变抗力的减小(称为包辛格效应,简称BE),并探讨了影响钢板BE的主要因素。结果表明:强度较高的X80钢比强度较低的X70钢有较大的BE,说明材料的形变硬化能力影响到BE的大小;预应变量和反向应变的大小都对BE有显著的影响。弯曲加载方式引起试样横截面上弹、塑性应变分布的不均匀性,在反向应变时产生的宏观残余应力对BE也有不可忽视的影响。

服役损伤对汽轮机末级叶片断裂性能的影响

对服役１０年的汽轮机末级叶片材料进行了力学性能实验，并与未服役的新叶片材料进行对比。结果表明服役材料弹性模量Ｅ、断裂韧度Ｊ０．２及ＪＲ阻力曲线以及冲击韧度ＡＫ都有所下降，而静拉伸的伸长率及断面收缩率有所升高。以上变化主要反映在裂纹萌生阶段，微观分析表明服役材料在服役载荷作用下有些夹杂或第二相与基体脱离形成了微空洞损伤，服役材料的微观应力减小及位错组态变化都是导致上述性能变化的原因。

疲劳损伤件中间退火修复后的微观变化

对 40 Cr钢经淬火和高温回火的试样在恒应变ε=± 0 . 5 %下进行了疲劳寿命测定 ,并与相同加载条件下 ,不同疲劳损伤程度而经过中间退火修复后的疲劳寿命进行了对比 ,发现经过中间退火修复后 ,极限强度下降不超过 7% ,但疲劳总寿命是原来未经退火修复的二倍。

疲劳损伤钢件修复的最佳时机

为了研究影响疲劳损伤中间退火修复效果的诸因素 ,找出最佳修复时机的变化规律 ,在恒应变± 0 .5 %和± 0 .8%控制下 ,对 40Cr调质钢进行疲劳循环加载 ,求得存活率为 90 %时的寿命Nf。将试样疲劳加载到少于Nf 的不同周次后 ,再进行中间退火修复。发现中间退火可以延长损伤件的疲劳寿命。本次试验条件下能使疲劳寿命提高到原始试样的二倍。修复效果与损伤周次和承受的循环应变大小有关。用高灵敏度电阻仪和TEM对疲劳损伤过程与修复后材料的微观结构进行测试和观察。发现中间退火不能使损伤的材料恢复到原始材料状态。疲劳加载对材料的微观变化有两个相反的影响 ,疲劳损伤导致形成微观裂纹 ,但疲劳加载在材料中累积的应变能在中间退火过程中 ,作为附加驱动力 ,促使材料更加均匀、稳定 ,从而减少了形成微裂纹的条件。当循环应变增加 ,获得最佳修复效果的损伤周次减少。

裂纹起始扩展阻力J_i与基本力学性能的关系

韧性裂纹开始扩展的J积分值对于韧性断裂的工程构件是一个重要的材料性能指标。统计了三个钢种两种焊缝 2 0 0多个J积分值。发现当裂纹生长量Δa <0 .6mm时 ,Δa与J积分值存在线性关系 ,可以用J =J0 +K(Δa)表示 ,式中K =di dΔa(Δa =a0 +da) ,a0 是J—Δa曲线与钝化线的交点。当da =0时的J值以Ji 表示 ,它表示了韧性裂纹开始扩展时的J积分值。实验证明 ,只有Ji 与静拉伸发生颈缩时的颈缩比功有良好的线性相关性 ,从而由Ji 换算得KⅠC也应与颈缩比功线性相关 (相关系数 >99% ) ,而与静力韧度无关。而韧性裂纹开始扩展以后 ,各个扩展量下的JR 值与静力韧度、颈缩比功无任何相关性。从J积分的条件、裂纹尖端的特征、断裂的微观机理对试验结果进行了分析。从工程应用角度出发 ,说明Ji 与屈服强度与强度极限之比 (称屈强比 )无关 ,低屈强比不是保证缺陷 (或微裂纹 )抵抗其扩展的有效方法 ,有效的方法是提高强度的同时 ,不降低均匀塑性变形能力Ψb,这可以通过提高冶金质量如细化晶粒来实现。

疲劳损伤和中间退火修复对疲劳裂纹扩展速率的影响

用电火花予制裂纹的40Cr钢试样与经受不同周次塑性应变的试样在相同的弹性应力加载条件下测得的裂纹扩展速率da/dn进了对比.结果表明:随着预先疲劳损伤周次的增加,da/dn也增大,中间退火后可以明显降低da/dn.TEM和SEM分析表明改变da/dn大小的主要原因是损伤和修复影响碳化物在晶界区的沉淀、形态和断口形貌.

电站大锻件转子钢25Cr2Ni4MoV疲劳门槛值的研究

讨论了疲劳门槛值ΔK_(th)作为一个设计准则或验收标准在电站大锻件上使用的重要性.但由于测试ΔK_(th)是一个费时耗资的实验,因此研究“冶金因素对转子钢疲劳门槛值的影响”意义在于累计数据、总结规律,找出适用于转子钢的经验公式,以便可以不用测试ΔK_(th),而从其它力学性能中求得。通过对25Cr2Ni4MoV 钢ΔK_(th)的测试研究,证明对于冶金质量较高的转子钢经过调质处理后,化学成份、冶金因素等对ΔK_(th)的影响是不明显的,可以用我们通过大量实验分析而总结出的经验公式初步估算:ΔK_(th)=10.3—0.0033σ_b(MPa m^(1/2))。

包申格效应对板料与成品管屈服强度与屈强比的影响

探讨微合金化高强度控轧钢板在制管过程中由于塑性弯曲变形所引起的包申格效应,以及这种效应对屈服强度和屈强比的影响。试验发现包申格效应导致屈服强度降低,应变硬化指数明显分为两个阶段。板与管相比,屈强比无明显改变。这些结果对管道建设业主和制板钢厂均有参考价值。

输油管线的安全评价与寿命预测

对含焊接缺陷的某输油管线爆管取样进行了试验和分析。在此基础上，对工作压力周围的压力波动和停输两种载荷条件下管道的疲劳寿命采用Paris疲劳裂纹扩展模型进行了预测，结果表明管道至少可安全运行8～16年。

失效叶片显微结构和力学性能研究

研究了低压汽轮机末级叶片２Ｃｒ１３不锈钢长期服役失效后显微结构和力学性能的变化，与未服役的叶片相比，显微组织中位错密度升高，部分区域位错胞状组织形成，碳化物粒子粗化，低温冲击断口上发现服役叶片中有显微孔洞和裂纹形成．显微结构的变化导致了服役叶片力学性能的改变，屈服强度、循环屈服强度、抗拉强度均有下降，弹性模量略有下降．疲劳性能测试结果表明，疲劳门槛值下降，疲劳裂纹扩展速率增加，而疲劳极限和材料的本质门槛值基本没有变化．这与叶片表面缺陷被加工掉有一定的关系．材料的消振性实验表明，由于显微空洞的形成使材料的消振性在服役后反而升高了．

不同类型过载下Ⅰ型疲劳裂纹的扩展行为

研究了Ⅱ、Ⅲ型过载对Ⅰ型疲劳裂纹扩展行为的影响并与Ⅰ型过载进行比较.结果表明:单周Ⅱ、Ⅲ型过载也延迟了其后的Ⅰ型疲劳裂纹扩展,但作用程度小于Ⅰ型过载;过载延迟效应随过载时基础载荷的降低和过载比的加大而增强,在近门槛区过载表现为疲劳裂纹扩展停止、疲劳门槛提高,在高基础载荷过载时疲劳裂纹则延缓、减速扩展.过载延迟行为主要由裂尖尾迹塑性诱导裂纹闭合和裂尖附近残余压应力状态引起.

不同温度下两种管材应力应变特性的研究

通过对国产X60螺旋埋弧焊管(SSAW)和进口X52直缝电阻焊管(ERW)的温度拉伸试验,研究了两种钢管母材和焊缝的应力应变特性。试验结果表明,两种焊管的屈服强度和抗拉强度随温度的降低而提高,断后伸长率、最大均匀变形断面收缩率、断后断面收缩率以及屈强比随温度降低而降低;两种焊管母材应力应变曲线特征为连续屈服,而焊缝为非连续屈服,存在明显物理屈服现象;X60 SSAW焊管母材与焊缝强度基本相当,X52 ERW焊管母材与焊缝区域存在着较大的强度差异。研究结果表明,在油气管道设计和安全评价时,应充分考虑焊管材料在不同温度下的应力应变行为及母材与焊缝应力应变特性差异。

应力状态、温度和腐蚀介质对X52 ERW输送管断裂韧性的影响

从国产X52直缝电阻焊输送管上取三点弯曲试样对焊缝进行了J积分试验。结果表明，无侧槽试样具有高的断裂韧性和裂纹扩展阻力，相比之下，带侧槽试样断裂韧性和裂纹扩展阻力大幅度降低。若进一步降低试验温度和／或在腐蚀介质中浸泡，断裂韧性呈下降趋势，但降低幅度不大。各钢管断裂韧性的差异与焊缝组织结构有关。建议以带侧槽试样的断裂韧性J0.2作为薄壁管道设计与安全评价的工程判据。

电阻法检测疲劳损伤及预测修复效果探讨

40Cr调质试样在低周恒应变、高周恒应力拉拉疲劳试验过程中 ,选择若干个特定循环周次 ,采用间隙回火或中温热等静压 ,并用QJ5 5型电流比较仪式电桥法 ,分别进行了电阻测量。发现电阻变化与疲劳损伤过程有很好的对应关系 ,对疲劳损伤修复延寿途径选择及其效果预测也有较好的参考价值。

双频复合疲劳的裂纹萌生及扩展

针对典型承受高、低周双频复合载荷的水轮机叶片、电机转子用钢进行了低周疲劳、高低周双频复合疲劳的裂纹萌生及扩展规律的探讨。在频率比确定的条件下,载荷比是影响双频疲劳裂纹萌生及扩展的一个重要因素。随着载荷比的升高,疲劳裂纹萌生寿命大大缩短,裂纹扩展速率加快,疲劳断口呈现明显的周期特征。高、低周双频复合疲劳载荷各自的独特作用以及高、低周载荷在裂纹尖端引起的塑性区的交互作用是造成疲劳断口独特形貌的主要原因。

用夏比冲击试验评估低周疲劳损伤程度

损伤力学给予我们评估材料的损伤程度及预测剩余寿命以有力的理论依据和手段。但是 ,评估材料损伤程度的损伤参量的确定却是比较困难的。人们对疲劳过程中材料的微观组织结构变化已进行了大量的表象的研究 ,但是这些变化与材料损伤程度之间的关系却是不很明确的 ,特别是由驻留滑移带转化为微观裂纹这一阶段。作者采用不同程度的低周疲劳后再进行冲击试验的方法 ,可以从冲击试验的载荷 挠度曲线及扫描电镜断口照片上清晰地看到随着低周疲劳损伤程度的增加 ,沿晶断裂及二次裂纹的百分数增加 ,并且由此导致了撕裂功的增加。所以 ,对于低周疲劳损伤程度的评估 ,可以用冲击韧性试验再配合以扫描电镜断口分析的方法来获得。

油气输送管材料阻力曲线试验研究

针对油气输送管壁薄、高韧性的特点 ,从管体上取样进行了J积分测试 ,以寻找一种有效控制管道断裂的控制指标。试验按照GB2 0 38标准要求 ,采用三点弯曲试样 ,分别对进口X52ERW焊管母材、焊缝以及国产X60SSAW焊管母材、焊缝、热影响区进行系列温度J积分试验。结果表明 ,温度变化对两种焊管各区J积分测试值影响不大。前者的韧脆转化温度约为 - 60℃ ,后者的韧脆转化温度低于 - 60℃。给出了两种焊管母材的焊区JR 阻力曲线的回归方程。对ERW和SSAW焊管各区JR 值进行对比分析表明 ,焊缝JR 值高于母材。在管道设计与安全评价中 ,采用焊管各区JR 断裂韧性和阻力曲线下回归方程和 (或 )母材JR 阻力曲线 。