0Cr18Ni10Ti不銹鋼高溫蠕變-棘輪交互作用試驗研究

陳佳，劉宇軒，李建，闞前華

（1.西南交通大學力學與航空航天學院，成都 611756；2.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621999）

引言

0Cr18Ni10Ti 不銹鋼屬于Cr-Ni 奧氏體不銹鋼系列[1]，它不僅具有優良的抗氧化性和耐腐蝕性能，還具有優異的高溫力學性能，在核電領域中得到廣泛應用[2-3]。然而，在服役期內，反應堆工程管道不僅要承受水和蒸汽的壓力變換引起的循環變形，還會因為長期在350 ℃高溫下服役產生與時間相關的蠕變損傷，兩者的交互作用更會加劇結構件的失效。因此，考慮在350 ℃條件下0Cr18Ni10Ti不銹鋼蠕變-棘輪交互作用對材料變形行為的影響非常符合工程實際，以更好地確保相關設備安全穩定地運行。目前，在對0Cr18Ni10Ti 不銹鋼的研究中，學者們探究了試驗溫度、化學成分和熱處理工藝等因素對其基本力學性能的影響[4-6]，在一定程度上優化了材料的綜合性能。但相關研究大多集中于高溫氧化性能、抗腐蝕性能和焊接性能[7-9]，對于高溫下0Cr18Ni10Ti 不銹鋼的蠕變性能和棘輪行為的研究十分匱乏，蠕變-棘輪交互作用的研究更是鮮見報道。然而，對于其他金屬材料，循環變形行為的相關研究在近年來已經取得了較大進展[10-14]。例如，Chen等[15]對GH4169 高溫合金在峰值應變處引入了不同的保持時間，發現在保持階段應力水平緩慢下降，且保持時間為120 s 時出現了應力響應飽和現象。Kang等[16-17]和闞前華等[18]對304 系列不銹鋼在高溫下的時相關棘輪行為進行了大量的實驗和理論研究，結果表明不銹鋼在高溫下具有顯著的時相關特性，棘輪應變與加載速率、保持時間、溫度具有強相關性，同時也受到高溫下顯著動態應變時效的影響。然而，不同的金屬材料蠕變性能和棘輪行為會有一定的差異，針對0Cr18Ni10Ti 不銹鋼的蠕變-棘輪交互試驗有待開展進一步的研究。

考慮到棘輪變形對反應堆結構件的巨大危害和實際工程中設備的服役條件及溫度，對0Cr18Ni10Ti不銹鋼在350 ℃下開展不同加載速率的單軸拉伸試驗、無保持時間的循環加載試驗以及具有不同保持類型和保持時間的蠕變-循環交互試驗，探究保持類型和保持時間對其循環特性和棘輪行為的影響，進一步討論蠕變-棘輪交互作用對材料變形的影響，可為0Cr18Ni10Ti 不銹鋼本構模型的建立提供借鑒，也可為0Cr18Ni10Ti 不銹鋼制造反應堆設備的設計提供參考。

1 試驗材料和方法

試驗材料采用直徑為25 mm 的棒狀熱軋固溶0Cr18Ni10Ti 材料，主要化學成分為Fe，其余化學成分見表1。合金鍛件經1100 ℃水淬1 h、825 ℃爐冷4 h 和705 ℃爐冷4 h 熱處理工藝后，依據GB/T 15248—2008 標準將材料加工成標距段為30 mm 的標準螺紋試樣，工作段直徑為10 mm。為了防止機械劃痕導致試樣過早萌生裂紋，加工完成后對試樣表面進行打磨和拋光，試樣尺寸如圖1 所示（圖中單位為mm）。

圖1 試樣尺寸

表1 0Cr18Ni10Ti不銹鋼的化學成分 %

根據GB/T 4338—2006 標準依次開展應變率為0.0005、0.0010、0.0050 s-1的單軸拉伸試驗，獲取0Cr18Ni10Ti 不銹鋼在350 ℃下的基本力學性能和應力-應變曲線；根據GB/T 15248—2008 標準依次開展應變和應力加載下的循環試驗，其中應變幅為0.6%，應變加載速率為0.0005 s-1，應力幅為(25 ±275) MPa，應力加載速率為100 MPa/s，獲取材料在350 ℃下的應力-應變曲線、應力幅值-循環周次曲線、棘輪應變-循環周次曲線；在循環試驗的基礎上分別在最大拉伸或/且壓縮應變、應力處引入30、120、300 s 的保持時間，獲取該不銹鋼蠕變-棘輪交互作用下的循環特性和相應曲線，討論不同保持類型和保持時間對循環特性和棘輪行為的影響。以應變控制的試驗為例，加載波形如圖2所示，試驗均循環200 周次。每個工況重復2 次，文中給出的是平均后的曲線。

圖2 加載波形示意圖

采用CRIMS-RPL100 蠕變疲勞試驗機（長春中機試驗裝備股份有限公司）對0Cr18Ni10Ti 不銹鋼開展單軸拉伸、循環試驗和蠕變-循環交互試驗，試驗溫度為350 ℃，利用溫控系統進行三段式升溫，試驗前保溫30 min，通過電腦控制系統進行加卸載操作并采集數據，試驗結束后進行數據處理，繪制相應的結果曲線。在應變控制下軸向應力幅σa如式(1)所示：

其中σmax和σmin分別為每個循環中的最大和最小應力值。在應力控制下軸向應變幅即棘輪應變εr如式(2)所示：

其中εmax和εmin分別為每個循環中的最大和最小應變值。

需要說明的是，在處理具有保持時間的試驗數據時，式(1)、式(2)均采用保持時間結束后的應力值或應變值進行計算，以便于討論保持時間對循環特性的影響。

2 試驗結果與討論

2.1 單軸拉伸和循環特性

0Cr18Ni10Ti 不銹鋼在350 ℃下單軸拉伸的應力-應變曲線如圖3所示，提取不同加載速率的力學性能參數見表2。

圖3 單軸拉伸應力-應變曲線

表2 350 ℃時不同加載速率下0Cr18Ni10Ti力學性能

從圖3 中可以看出，圖示范圍內應變加載速率的改變對0Cr18Ni10Ti 不銹鋼單軸拉伸的基本力學性能影響較小，但材料在350 ℃下屈服后可能出現鋸齒流動（本質為不連續塑性流動），且應變加載速率緩慢時這種現象更加明顯，該鋸齒形變形稱之為動態應變時效[19]。這是由于動態應變時效可能會導致一個較高的變形抗力，進而影響材料的單軸拉伸和循環變形特性[20-21]。從圖3中還可以看出，應變率較低時，鋸齒現象更加明顯，也產生了略高的應力響應，鋸齒形變在屈服后產生，對抗拉強度有一定的影響，在表2中的具體數據得以體現。

0Cr18Ni10Ti 不銹鋼循環特性如圖4 所示。圖4(a)和4(b)分別給出了應變控制下循環應力-應變曲線和應力幅值隨循環周次的演化曲線，由圖可知，0Cr18Ni10Ti不銹鋼在350 ℃下表現出先快速循環硬化再循環穩定的現象。隨著循環周次的增加，應力響應先快速增加再緩慢增加，增大速率不斷減小，50 周次左右達到循環穩定階段。在應變循環中，動態應變時態仍然存在，隨著循環周次的增加，應力響應逐漸穩定，應變范圍內的鋸齒現象略有減弱。

圖4 0Cr18Ni10Ti不銹鋼循環特性

圖4(c)和4(d)分別為應力控制下的循環應力-應變曲線和棘輪應變隨循環周次的演化曲線，由圖可知，0Cr18Ni10Ti不銹鋼在350 ℃下的滯回環隨著循環周次增加向平均應力的方向演化，且滯回環先減小隨后趨于穩定，這表明耗散能密度在循環初期較大；棘輪應變初期演化較快，循環50 周次左右棘輪應變演化速率趨于平穩，表明棘輪應變的演化速率隨著循環周次的增加而逐漸減小并達到穩定。

2.2 峰值應變保持對循環特征的影響

通過在循環加載中設置不同的保持波形和保持時間，討論應變保持對循環特性的影響。不同保持波形和保持時間的應力幅值隨循環周次演化曲線如圖5 所示。從圖5(a)可見，不同峰/谷值應變保持波形下的循環特征均表現為先快速循環硬化，隨后50 周次左右趨于循環穩定，說明峰/谷值應變保持波形并未改變0Cr18Ni10Ti 不銹鋼的循環軟硬化特性。此外，峰/谷值應變的保持導致了應力幅值的降低。與無應變保持下循環穩定時的應力響應相比，循環穩定時的峰值保持和谷值保持的平均應力幅值分別從262.8 MP減小到251.8 MP和248.9 MPa，下降幅度分別為4.2%和5.3%?？梢?，峰值和谷值應變保持相同時間后的應力幅值差異較小。峰谷值應變同時保持的應力幅值低于單向保持的應力幅值，循環穩定時的平衡值約為232.8 MPa，其下降幅度為11.4%，這表明拉、壓方向的應變保持引起了相同水平的應力松弛。從圖5(b)可知，不同峰值應變保持時間下材料仍表現出初始快速硬化隨后趨于穩定的循環特性，保持時間越長越能快速達到循環穩定；隨著峰值應變保持時間的增加，應力幅值下降愈加明顯。與無峰值保持時間的工況相比，不同峰值保持時間下循環穩定的平均應力值下降為248.9、232.9、229.3 MPa，下 降幅 度分別為5.3%、11.4%和12.7%，保持時間120 s內下降顯著，隨著保持時間的增加下降趨勢逐漸減緩。以上結果表明0Cr18Ni10Ti 不銹鋼在高溫應變循環加載下引入保持時間均會導致應力松弛的產生，且保持時間越長松弛程度越顯著，即應力幅值逐漸下降，這與文獻[15]實驗結果一致。因此，在材料的應用中應予以考慮此種情況。

圖5 應力幅值隨循環周次的演化曲線

2.3 蠕變對棘輪行為的影響

通過在循環加載中設置不同的保持波形和保持時間，探究蠕變對0Cr18Ni10Ti 不銹鋼棘輪應變演化速率的影響。不同保持波形和保持時間下的棘輪應變隨循環周次的演化曲線如圖6 所示。從圖6(a)可見，初始棘輪應變從小到大分別為谷值應力保持、無保持、峰谷值應力保持、峰值應力保持，這表明初始的棘輪應變向著平均應力方向（谷值方向與平均應力方向相反、峰值方向與平均應力方向一致）上的應力保持而增大。同時不同的保持波形下，棘輪應變仍表現出初始快速增長、隨后穩定演化的規律，表明保持波形并未改變棘輪應變的演化規律。棘輪穩定演化階段的演化速率也受到保持波形的影響，向著平均應力方向上的保持而增大，這表明谷值應力的保持有利于降低棘輪應變的演化。與無保持波形的工況相比，第200 周次的谷值保持棘輪應變從0.224 下降到0.090，下降幅度為59.8%；峰值保持和峰谷值保持的棘輪應變上升至0.314 和0.271，上升幅度分別為40.2%、21.0%?？梢?，峰谷值同時保持時棘輪應變處于峰值保持和谷值保持之間，這是由于峰值和谷值應力保持時，峰谷方向產生的蠕變應變正負相反的緣故。

圖6 棘輪應變隨循環周次的演化曲線

從圖6(b)可見，隨著峰值應力保持時間的增加，初始棘輪應變增加，穩定演化階段的棘輪應變演化速率也逐漸增大。與無保持的工況相比，峰值保持30、120、300 s 在200 周次的棘輪應變依次增加到0.314、0.338、0.345，增加幅度為40.2%、50.9% 和54.0%，峰值保持時間在30 s 時增加激烈，隨著保持時間的增加棘輪應變增加趨勢逐漸減緩?？梢?，隨著保持時間的增加，棘輪應變的增加程度逐漸減緩，這與蠕變行為的變形特征（初始快速蠕變和隨后穩定蠕變）密切相關。以上現象表明0Cr18Ni10Ti不銹鋼在高溫下應力循環中進行應力保持改變了棘輪應變的演化速率，谷值應力保持會抑制棘輪應變的演化，峰值應力保持會加速棘輪應變的演化，且峰值應力保持時間越長棘輪應變增長速率越大，這與文獻[17]實驗結果一致。因此，在材料的應用中應予以考慮此種情況。

總的來說，在峰谷值應力/應變保持的實驗中，應變循環是對稱加載，應力幅值的對稱性會受到材料的各向異性和保持類型的影響，本研究未涉及材料各向異性特性的影響。由于應變保持會產生應力松弛，因此峰谷值應變保持對應力幅值的影響與松弛特性正相關。應力循環是非對稱加載，與無保持時間下棘輪應變沿著平均應力的方向演化不同，有保持時間下的棘輪應變演化除了受到材料各向異性特性的影響外，還受到應力保持類型的影響，峰/谷值保持的方向對棘輪應變會產生正/負的影響，從而使得圖6(a)中谷值保持時棘輪應變低于無保持的情形，圖6(b)中峰值應力保持加劇了棘輪應變的演化，保持時間越長越明顯。以上分析表明與平均應力方向一致的蠕變會加劇棘輪應變的演化，與平均應力方向相反的蠕變會抑制棘輪應變的發展，兩者交互作用共同影響結構件的變形。因此，蠕變-棘輪交互作用在后續本構模型的建立中應予以考慮。同時，也應設計更加細致的試驗，用于量化蠕變-棘輪交互作用下棘輪應變的演化。

3 結論

1）保持波形和保持時間未改變0Cr18Ni10Ti 不銹鋼在350 ℃下的循環特性，影響了循環應力幅值和棘輪應變演化，蠕變-棘輪交互作用共同影響材料高溫的棘輪行為。

2）應力幅值受到峰谷值應變保持的顯著影響，下降幅度為11.4%；應力幅值在峰值保持時間為30、120 和300 s 的下降 幅度依次為5.3%、11.4% 和12.7%。

3）峰值/谷值應力保持加劇/抑制了棘輪應變的演化，棘輪應變在峰值保持時間為30、120 和300 s的增幅依次為40.2%、50.9%和54.0%。