13脆性材料的缺口敏感性

1、錄目一、綜述二、試驗(yàn)材料三、缺口敏感性四、結(jié)果討論一、綜述所謂脆性材料是指在使用時(shí)或使用過程中的某一階段處于材料的脆性轉(zhuǎn)變 溫度以下的材料。脆性材料的性能特點(diǎn)是：脆性大，突發(fā)事故多；極限變形 小，能量吸收少；損傷容限小，對缺陷敏感；可靠性問題嚴(yán)重；評價(jià)技術(shù)善。以上特點(diǎn)，對于脆性材料的破壞可能有許多不確定性因素。在電力生產(chǎn)中，有時(shí)會出現(xiàn)材料在沒有明顯沖擊的條件下出現(xiàn)的脆性 斷裂，對于這種類型的斷裂，就需確定材料的變形能力及缺口敏感 性。對于金屬材料來說，缺口總是降低塑性，增大脆性。金屬材料缺口而造成三向應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力一應(yīng)變集中，由此而使材料產(chǎn)生變脆的傾向，這種效果稱為缺口敏感性。學(xué)性能試驗(yàn)采用缺

2、口試樣力學(xué)性能試驗(yàn)來評價(jià)材料的缺口敏感性。常用的缺口試樣力有缺口靜拉伸和缺口偏斜拉伸、缺口靜彎曲等。通常，用光滑試樣的抗拉強(qiáng)度b和缺口試樣的抗拉強(qiáng)度bH的比值作為缺口敏感性的指標(biāo)，即。當(dāng)qe1時(shí)，說明缺口處還未明顯發(fā)生塑性變形擴(kuò)展就早期斷裂，表示缺口敏感。qe越大，缺口敏感性也越大。，缺口敏感性越大，材料的斷裂韌性也越低。缺口彎曲試驗(yàn)也可以顯示材料的缺口敏感性。由于缺口和彎曲引起的不均勻性疊加，所以缺口彎曲較缺口拉伸應(yīng)力一應(yīng)變分布不均勻性要大。這種時(shí)的殘余撓度或彎曲破斷點(diǎn)（裂紋出現(xiàn)）的位置評定材料的缺口敏感性。根據(jù)斷裂材料的缺口敏感性除和材料本身性能、應(yīng)力狀態(tài)（加載方式）有，尚與缺口形狀、和試

3、驗(yàn)溫度有關(guān)。缺口尖端曲率半徑越小，缺口越深，材料對缺口的敏感性也越大。缺口類型相同，增加試樣截面。缺口敏感性也增加，這是由于較大，試驗(yàn)彈性能儲存較高所致。降低溫度，尤其對bcc（體心立方晶格）金屬，缺口敏感劇增大。因此，應(yīng)在相同條件下，對比不同材料的缺口敏感性。二、試驗(yàn)材料本文所用試驗(yàn)材料為：HR3C、20Cr1Mo1VNiTiB。1.HR3C試驗(yàn)用鋼管取自某電廠超超臨界機(jī)組高溫再熱器HR3C鋼管受熱 面管出口段，取樣管規(guī)格為57mm4mm，再熱器出口溫度為605，出口4.67MPa，至取樣機(jī)組累計(jì)運(yùn)行約5萬h。同時(shí)取用原始管（新管）進(jìn) 行對比試驗(yàn)。服役脆化態(tài)HR3C鋼管的沖擊功KV2為3.5

4、J，原始管的沖擊功KV2為95J；服役脆化態(tài)管與原始管的顯微組織如下圖所示，由圖可知服役脆化態(tài)碳化物在晶界與晶內(nèi)大量析出，而原始態(tài)管除了少量未溶第二相外，晶界與晶內(nèi)無明顯碳化物聚集。案例：某電廠1000MW超超臨界變壓直流爐在A水壓試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)末級再熱器右向左數(shù)第4后最外圈下彎頭發(fā)生泄漏，該高溫再熱器管子材質(zhì)為HR3C，規(guī)格574mm，截止泄漏時(shí)，共運(yùn)行約15000h。裂紋位于管子背弧，裂紋產(chǎn)生區(qū)域有明顯的碰撞痕跡(凹坑)，斷口呈脆性斷裂特征，裂紋沿晶擴(kuò)展。(a) 服役脆化態(tài)管OM形貌(b) 服役脆化態(tài)管SEM形貌(c)原始管OM形貌(d)原始管SEM形貌圖不同狀態(tài)HR3C鋼管的顯微組織HR3C

5、高溫沖擊試驗(yàn)，高溫下呈脆性，斷裂為沿晶斷裂。(a) 高溫沖擊曲線(b)室溫沖擊斷口形貌(c)400沖擊斷口形貌溫度HR3C高溫沖擊5004003002001000123456789沖擊值J2.20Cr1Mo1VNiTiB試驗(yàn)用鋼取自某電廠亞臨界機(jī)組的高中壓外缸螺栓，螺栓的規(guī)格為M120mm4mm1530mm，機(jī)組累計(jì)運(yùn)行約12萬小時(shí)。螺栓在機(jī)組檢修完畢預(yù)備啟機(jī) 階段，機(jī)組投入軸封后，發(fā)生了兩次斷裂。檢查金相組織正常，晶粒大小符合要求， 硬度正常，強(qiáng)度符合要求。只有沖擊值低于DL/T439標(biāo)準(zhǔn)。性能指標(biāo)平均值標(biāo)準(zhǔn)值#1Aku（J）橫向1339縱向20#2Aku（J）橫向11縱向21.5#3Aku

6、（J）橫向9縱向10#4Aku（J）橫向14.5縱向33性能指標(biāo)平均值標(biāo)準(zhǔn)值#1Rm（MPa）854834Rp0.2（MPa）775735#3Rm（MPa）868834Rp0.2（MPa）748735#4Rm（MPa）866834Rp0.2（MPa）741735斷裂形式為準(zhǔn)解理組織中有少量碳化物析出3.試樣：HR3C拉伸試樣采用試樣。通過在缺口底部不同曲率半徑和不同缺口長度模擬多種狀況下缺口特征，具體缺口開口形狀與見下表。20Cr1Mo1VNiTiB拉伸試樣采用機(jī)試樣。通過在缺口底部不同曲率半徑和不同缺口長度模擬多種狀況下缺口特征，具體缺口開口形狀與見下表。試驗(yàn)試樣類型缺口類型/缺口角度缺口長

7、度（mm）缺口底部曲率半徑（mm）1新螺栓及服役脆化態(tài)螺栓V/601.000.10；0.13；0.25；0.50；0.852新螺栓及服役脆化態(tài)螺栓V/600.5；1.0；1.50.50試驗(yàn)試樣類型缺口類型/缺口角度缺口長度（mm）缺口底部曲率半徑（mm）1組原始管V/601.000.10；0.13；0.25；0.852組服役脆化態(tài)管V/601.000.10；0.13；0.25；0.853組V/450.25；0.50；0.75；1.000.254組U0.25；0.50；0.75；1.001.00三、缺口敏感性1.HR3C的缺口敏感性缺口底部曲率半徑對缺口敏感性的影響缺口長度對缺口敏感性的影2.2

8、0Cr1Mo1VNiTiB的缺口敏感性無缺口延伸率帶缺口延伸率1200201816141210864201000800600無缺口抗拉強(qiáng)度帶缺口抗拉強(qiáng)度40020000.10.130.25曲率半徑(mm)0.50.850.10.130.25曲率半徑(mm)0.50.85無缺口斷面收縮率帶缺口斷面收縮率60504030201000.10.130.25曲率半徑(mm)0.50.85抗拉強(qiáng)度b(MPa)斷面收縮率(%)延伸率(%)缺口底部曲率半徑對缺口敏感性的影響原材料無缺口延伸率帶缺口延伸率12002510002080015600無缺口坑拉強(qiáng)度帶缺口抗拉強(qiáng)度40010200500.10.130.2

9、5曲率半徑(mm)0.50.8500.10.130.250.50.85曲率半徑(mm)無缺口斷面收縮率帶缺口斷面收縮率60504030201000.10.130.25曲率半徑(mm)0.50.85抗拉強(qiáng)度b(MPa)斷面收縮率(%)延伸率(%)缺口底部曲率半徑對缺口敏感性的影響抗拉強(qiáng)度b(MPa)斷面收縮率(%)延伸率(%)缺口的長度對缺口敏感性的影響無缺口斷面收縮率帶缺口斷面收縮率60504030201000.511.5缺口長度(mm)無缺口延伸率帶缺口延伸率201816141210864200.511.5缺口長度(mm)140012001000800600無缺口抗拉強(qiáng)度帶缺口抗拉強(qiáng)度400

10、20000.511.5缺口長度(mm)原材料無缺口延伸率帶缺口延伸率1200251000208001560010400無缺口抗拉強(qiáng)度帶缺口抗拉強(qiáng)度5200000.51缺口長度(mm)1.50.511.5缺口長度(mm)無缺口斷面收縮率帶缺口斷面收縮率60504030201000.51缺口長度(mm)1.5抗拉強(qiáng)度b(MPa)斷面收縮率(%)延伸率(%)缺口的長度對缺口敏感性的影響四、結(jié)果討論原始HR3C鋼管無缺口敏感性，服役脆化態(tài)HR3C鋼管的缺口敏感性較大。原始管與脆化管比較V型缺口試樣的缺口敏感性大于U型缺口試樣的，即脆化HR3C鋼管對尖端缺口較為敏感，對于缺口長度1mm試樣，當(dāng)缺口曲率半徑小于0.25mm時(shí)，材料對缺口敏感性較大；對于缺口曲率半徑為0.25mm試樣，當(dāng)缺口長度大于0.5mm時(shí)，材料對缺口較為敏感。缺口形態(tài)的影響HR3C為了保證服役5萬h脆化HR3C鋼管的安全性，對于0.5mm長度的缺陷，其缺口曲率半徑應(yīng)大于0.32mm；對于1mm長度缺陷，其缺口曲率半徑應(yīng)大于0.64mm。對使用的指導(dǎo) 原材料與脆化材料都無缺