关于高温蠕变裂纹扩展规律.pdf

武汉水利 电力学院学报年第期 关于高温蠕变裂纹扩展 规律 王文安 建筑力学 教研室断裂力学研究组 本文扼 要地介绍了国内外关于高温构件的蠕变裂纹扩展 断裂的实验 研究与理论研究的 现状 着重论述了对高温构件的蠕变裂纹扩 展速率的描述方法 并提出了今后应着重研究 的课题 高 温蠕变断裂问题 的研究 对于电力工业 中的汽轮机组燃气轮机组 锅炉 机组及其他 热动力装 置的一些重要零部件的合理设计与安全运行 促进电力工业的大发展 均具有重 要意义 一引论 自五十年代以来 被誉为固体力学发展前沿的断裂力学 由于它在发展形成过程中 紧密地 联系着工农业生产和国防工程实际 发展十分迅速 在断裂理论和实验技术方面都 已初具规模 因此 对带裂 纹的构件 在定显地予 计构件的剩余强度 疲 劳裂 纹扩展速 率 耐劳寿命以及确定在腐蚀 条件下构件的承载能力等方 面 断裂力学理论已经显示 出它 的卓越效能 尽管 断裂 力学理论是源出于弹性力学 塑性力学和板壳理论等传统的强度科 学 但是 由于在断裂力学中发现和引进了材 料的 断裂韧性如 工 及 各等 新的力学参数指标 应力强 度因子概念 裂坟扩展力概念 与路经无关的 能量线积分概念 应变 能密度因子概念以及裂坟张开 位移概念等 极大地 促进了固体力学研究 局部区域 应力应 变场 的效 能 在 断裂静力学理论 中 由于线弹性祈裂 力学是建立弹性理论基 础之 上 它认为构 件材料是带裂 纹 的具有理想弹性的变形 固沐 在外邵 因素 例如工作负荷 温度变化或腐蚀 性介质影响等作用下 其裂纹尖端处的材料在按近 平面应变条件下 产生的塑性变形范围 或塑性区域与试样宽度以及裂纹 一民度相 比都是 作常小的 这 时裂纹失稳扩展时的条件 基本上可以由裂 纹尖端处极小的塑性变形区或以外 的广大弹性变形区域里的应力应变状态 所决定 基于这个观点求得了用应 力场强度因子这 个 力学新 参数来描述裂纹尖端附近 的应力应变场状况 的表达式 在垂直于裂纹平而 的拉应力作用下 裂纹扩展是张开 型 此 时渗数用 工 表示 当逐渐达到 苗界值 作为应力场强度断裂判据 它已被 较多的工程实际 证明 对于强度高而 断裂韧性较低 的材料 制作 的带裂纹构件 的低应力脆性 断裂 是能够作出很好 的抗 断裂分析的 通过分析一些高温构件 的断裂事故资料 发现 在高 温蠕变持久应力作用下 一些高强 度低韧性材料制造的高温构件的断裂 是 由于构件上 的裂坟 源扩 展 引起低应力脆性断裂 的 因此 把上述线弹性断裂力学中分析解决问题的思路 运用于高温构件的抗断裂分析 是可行 的 但是 对于 电力工业 巾火电厂汽抡发电机组 的一些重要零部件 例如汽轮机转子轴采 用 犷钢或 叮钢 叶轮采用钢 紧 固件采用 犷 钢等 这类材料 的强度是随着 温度升高而显著下降的 例 如 厂钢和犷 钢 在时的屈服极限分别为汀 烧 和 汀 而 在时的分 别为 和 同时这类材料的断裂 韧性也是随着温度升降而变化的 由于 目前尚末找到试验方法准确地测定其高温断裂韧性 因此 线弹性断裂力学理论在高 温构件设计中的应用就暂时受到了限制 众所周知 高温构件在其断裂前总有较显著的塑性变形 那么将其列 入弹塑性断裂力 学研究范畴 并运用描述裂纹尖端产生大范围屈服条件下 的应力应变场参数的和乙建立 的断裂判据 对高温构件的设计是否可行呢考虑 到由于汽轮机转子轴 叶轮 汽缸 叶 片及紧固件 燃气轮机的热端部件 涡轮盘及燃烧宝等 在运行过程 中必将发 生高温蠕 变 同时这 类高温构件在运行时所承受的负荷并非简单加 我 而是比较复杂的 从一些断 裂事故 的断口状况可以看出 它 并非单纯塑性断裂 而是蠕变断裂 在一些断裂物理文献 中指出 塑性断裂的特征是晶内变形发展为晶内破裂从而 引起断裂 是比较均匀的而高 温蠕变断裂则表现为晶界滑 移引起沿晶界不均 匀的蠕变变形而造成断裂 可见 二者是形 态完全不 同的两种 断裂 因此 随着温度的升高 热力学过程对于构件上裂纹源 的形成和 扩展都将起 到显著 作用 所以说 基于塑性变形全量理论建立的断裂判据和各断裂判据 能较好的解决塑性断裂 问题 那么 在分析高温蠕变断裂问题 时 就必须在塑性变形全量 理论基础上 同时考虑到热力学过程 的影响 这将是一个边缘学科领域中的研究课题 由上可知 在 当前 对于高温构件蠕变断裂 的研究 现有断裂力学理论都不能直接应 用 因此 要从理论上研究解决是困难的 但是 在实际 工程 中不断发生的蠕变断裂事 故例 如郑州电厂四号汽轮机第十级叶轮 的断裂飞逸 济南黄台电厂一号汽轮机第十六级 叶轮在进汽端受力侧产生轴向裂纹长度达毫米 而径向深度达毫米 山东炜庄 电厂 七号汽轮机第九级叶轮产生贯穿裂 纹径 向深度达刊毫米 以及电厂 中常用的犷 钢高温螺检断裂和锅炉导管用 厂钢管的爆裂等 总是屡有所见 迫切地提出了 必须研究解决能够防止高温构件发生蠕变断裂判据 的要求 那么 切实可行 的办法 就是 依靠 由现代新技术装备起来 的实验手段去进行深索 近几年来 高温蠕变条件下 的断裂力 学研究 着重于探讨静蠕变 动蠕变 高温应 劳和高温冲击疲 劳状态下裂纹开裂扩展的条 件 蠕变裂纹扩展速率 与断裂力学各参数之间的关系 文 献 已较详细 的作了论述 下 面 我们结合一些热强钢的试验资料 着重综述国内外将断裂力学的一些慨念应用于高温构件 的蠕变裂纹扩展规律的研究现状 二高温蠕变裂纹扩展断裂过程的分析 在实际工程中 例 如火电厂的高温高压下的燕 汽俐管 在 长时间的运 行下 它的直径 会不断胀大 管壁会不断变薄 当管壁减 薄到临界状态时会突然发生管壁爆裂 这 种 在一定 的工作温度和 工作应力作用下金 属材料随着时间的推移而缓慢地产生不能 恢复的塑性变形称为蠕变 它 是 由于金属 内部晶粒之间缓慢地滑 移 引起 的 金 属之 所以产生并积累塑 性变形 是 由于在一定 温度如超过金 属再结晶温度及 应力 例 如超 过金属弹性的极限长期作用 下 它承受 的应力促使产生塑性变形并使 其强化 而高温就使已强化的金属产生再 遥度 伟教 龙力 二角毅 企吐仁 一垦 也投 互二 一一一一一 一一一 厂一 一一一一一一一一一一 一 已应力 月 一 乡习 巴一熟旅钢记滑试样峰交曲线 冬 妥 适度亡 律数 立力 魂奴 住 裂纹 长 友 价 一上 初 推攻 口岁一 习毛 图二 如虽扔带有切 口侧认羊 啤变裂倾 丈扩展过杜必托 别 税父 长 岌 叹八 奎采 茹肠 计 温度七 二至勿飞 待锐 从夕 了译 创 咖硼 位移 夕 徽 朱 结晶 促使强化消失强 化消失后 的金属在应力继 续作用下又产生塑 性变形 并使金属再次强化 而高 温就使再次强 化的金属 产生 再结 晶 促使金属强化再次 消失这样 循环往复地交替发展下去 就构成 金属不断产生并积累起不能恢复的 塑性变形 这 就是金属蠕变 的外部 条件与内部晶体变 化之间的内在联 系 基 于这种观点来研究在高温持 久应力作用下带裂纹 的高温构件 由于蠕变将会促使裂纹怎样扩展并 导致断裂呢通过热 强 钢例 如 八 犷 光滑试样及切口裂 纹试样 的蠕变试验 分别获得如图 一和图二那样的比较典型 的 蠕变曲线 它们 都大致分三个阶 段 曲线的形状是很相似 的 在图 二中还示出了裂 纹长度及其扩展快 慢随时间变化的情况 一般说来裂 纹长 度愈小其蠕变裂纹扩展也愈缓 慢 蠕变断裂 时间也就 愈长 反 之 裂 纹长 度较大时则蠕变裂 纹扩 展 就逐渐迅速增快 蠕变断裂时间 二孺育戴蕊丫 图三 位移丫和裂纹长 度 与时可 的关杀曲线 也 就显著缩短 有 的研究者认为 可以近似地将图二中第二阶段到第三阶段的转折点确 定为裂纹尖端 在高温蠕 变情况下的起始开裂点 文献 用一 不 锈热强 钢获得的 蠕变裂纹试验结果如图三所示 从第二阶段到第三阶段的转折点与由试样断口微观 分析发现的从沿晶界滑移到穿晶变形发展为晶内破裂从而引起断裂的过渡阶段是基本一 致 的 在文 献仁中介绍了用转子钢以一组单边切口平板拉伸 蠕变试样 在不同的应力作用下所求得 的裂纹长度随时间变化的曲线如图四所示 沁 在文献 中介绍了对运 行七万二千小时后的 犷转子钢中心切口平板 拉伸试样测得的试验结果如图五所示 综 丁 裂 戈 民 性久 八 西 来 合上述图示试验结果可以看出 高温蠕变 裂纹扩展的过程大致 是金属 内部晶粒之 间的缓慢滑 移在经历相当长一段 时间后 逐渐发展为裂 纹成该 开始微观裂 纹扩展 阶段 并逐渐发展成宏观裂纹扩展阶段 最 后才因决稳扩展而 导致断裂 这个过程总 要经历很长 的一段时 间 一些试验 资料 表 明 随着试验应力的降低 不仅裂纹成 核的 时间增长 而且微观裂纹扩展也变得很缓 慢 这 是高 温蠕变裂纹扩展 的特点 由试 验获得的高温蠕变裂纹扩展 的这个特点 就为在工程上对高温构件断裂时 间使 用寿命的计算堤供了基础有裂 退度公二万 川泳 誓夕劝呱 川分 吕 一 碧 八 呱 石一下石 图叱 一 一 一 弓 一一一一卜 一一门 一的 以均 吕岁 司七 乞 以 洲 琳刁 的蛛主裂纹扩展曲巧尸 纹或其他缺陷的高温构件断裂 时 的总时间应 包括从晶粒之 间缓慢 滑 移 裂纹成核到微观裂纹扩展 裂纹起始开裂 时 间 和宏观 裂纹扩展到 断裂 的时 间 随着试验应力降低 蠕变裂纹成 核的时间廷长 微观裂纹扩展变 得很缓慢 因而整个的断裂时间 也大大 增加 基于这个特点就可 以设想如果使应 力 降低到某一 水 平值 就可使裂纹成孩到微裂 纹即将扩展 的时期廷长到恰好确 保裂纹几乎不扩展 即 乏毫 米时 用工具显微镜能观测到 假若 通过试验求得这个高 温持 通度可 乞 了 川险 二 歹 叼批 吕 介 从凡 何 朽加 裂灸 旋岌 了绍 协 咖 亡 仪 遣米 口 之不 图五 亨习乞小日生 运打七万 二千小时声嘴 口从钢的嘛豆毅纹灯展曲珑 久界限应力值 就可以在高温钩件的设计中预先估计其安全寿命 以取代传统设计中盲目 采用的 强度储备 方法 三高温蠕变裂纹起始开裂点的确定 目前 在带裂纹试祥的蠕变裂纹扩展断裂试验研究中 用来描述蠕变裂蠕扩展断裂过 程的主要特征参量是蠕变裂纹起始开裂时间 蠕变裂纹扩展速率粤 在 一比 叼上万 可件罗 儿 上了 胡人以叭 匕产州 一 四 人 夕 践 一一 认 这 里先探讨一下关于蠕变裂 纹起始开裂 时间的确定问题 从图三至图五中可以看出 如果 在原始裂纹扩展方向的前沿处由于高温蠕变而萌生出新裂纹 需 要经历一段 时间后才达到 开 裂时间 文献 提出 的对缺口材 料试 样的蠕变裂纹起始开裂时间的估算公式为 一 式中的 为试样原始缺口形状的弹性应力系数 为试释持久强度曲线 的斜率 为 裂纹试样在裂纹尖端处裂纹开裂时间为在一定应力作用下光滑试样持久断裂时间 例 如对招钢 实验结果为 二 二 高应力侧 二 低应力 侧 由此可知蠕变裂纹起 始开裂时 间与光滑试样持久强度断裂时间具有密切联系 在 文 献 中对于 厂 钢在下用单边 缺口平板拉伸试 样获得的试验结果表明 随着工作应力的降低 蠕变裂纹起始开裂时间将与 初始裂坟尖端 的 应力强度因子呈下 述经验关系 这 里还须指出 关于确定蠕变裂纹起始开 裂 时间的理 论研究和实验研究的资料都比较少 探讨建立具 有更普 遍意义的表达 式 特别是建立与 厂 乙 等之间的关系式 将具有 很大的实用意义 是值得今后大 力作进一 步研究 的 四 蠕变裂纹扩展速率的描述 在研究高温构件蠕变裂纹扩展断裂问题时 都非常重视探 讨蠕变裂纹扩展速率这个特 征参数 它 究竟 与断裂力学有关参量之间有什么关系 也就是需要选择适当的断裂力学参 量来描述蠕变裂 纹扩展规律 这 里就现今提出 的几种见解综述如下 关于用应力强度因子描述姗变裂 纹扩展 速率问题 附 与 次为 由在一定 的工作温度和工 作应力作用下 带 有裂纹试样做的蠕变试验求得的蠕变 裂纹扩展 曲线即裂纹扩展长度 应变 与时间 二 的关系曲线中 在稳定扩展 的第二。