T91/TP347H异种钢焊接接头高温拉伸性能及本构模型

刘川槐，沈 利，曹 宇,陆一帆，潘卫国，纪冬梅

(1.淮浙电力有限责任公司 凤台发电分公司,安徽淮南 232131；2.浙江浙能电力股份有限公司，杭州 310007；3.上海电力大学 能源与机械工程学院，上海 200090)

0 引言

超(超)临界机组内的锅炉过热器各区域蒸汽温度不同，对所用管材的抗腐蚀性、抗氧化性和高温蠕变性能的要求也不同，因此，以HR3C，Super304H，TP347H等为代表的奥氏体不锈钢、以T91，T92为代表的马氏体耐热钢以及镍基合金钢组成的异种钢接头在国内外超(超)临界机组得到了广泛的应用[1]。

据统计，超(超)临界锅炉中，炉内四管(过热器管、再热器管、水冷壁管、省煤器管)失效导致的事故约占事故总量的2/3[2]，而炉管接头早期失效更是炉管失效事故中较为常见的情况。对于异种钢焊接接头而言，经常出现气孔、夹渣、未熔合、未焊透及焊接裂纹等由工艺、冶金等因素造成的缺陷，使得异种钢焊接接头使用寿命通常达不到设计要求，约为同种钢焊接接头的1/5～1/3[3]；除此之外，接头两端母材性能参数的差异(如热膨胀系数、导热系数等)也将导致锅炉炉管出现预期之外的故障，造成巨大的经济损失。因此，亟待进行异种钢焊接接头性能研究、失效机理研究以及寿命预测方面的工作。

许多学者[4-6]对异种钢焊接接头的早期失效进行了研究。有分析[7]认为，热膨胀系数差别较大是出现这种失效的主要原因，同时焊缝热影响区中脱碳层的产生也会对此造成影响。当焊接接头服役较长时间之后，焊缝熔合区形成了脱碳层和增碳层，降低了接头的蠕变性能，是裂纹形成的主要原因[8]。从失效方式的角度出发，研究表明铁素体/奥氏体异种钢焊接接头存在的三种失效方式，分别为焊缝裂纹[9]、晶界沉淀[10]和时效脆化[11]。

(1)焊缝裂纹。由于焊接缺陷造成应力集中，使得熔合区附近存在较高的应力水平，在交变应力的作用下将产生早期疲劳开裂[12]；同时，在高温环境下长期运行后，T91钢的抗高温蠕变性能相对较差，在该侧会出现蠕变孔洞，在熔合区形成蠕变裂纹，最终发展为宏观裂纹而失效[13-14]。另外，由于母材硬度高的区域塑性和韧性降低，同时在安装固定以及运行膨胀等因素的作用下，该区域承受较大应力而产生裂纹，并进而扩展为泄漏[15]。

(2)晶界沉淀。铁素体/奥氏体钢焊接接头的蠕变失效行为与高温服役过程中的晶界沉淀物有关。通过T92/Super304H异种钢焊接接头高温断裂后的断口表征测试，发现高温蠕变断裂后，T92铁素体钢细晶热影响区的晶界上出现了Laves相的大量析出，推断Laves相沉淀析出是导致该区早期失效的主要原因[10，16]。

(3)时效脆化。受化学元素浓度稀释的影响，在铁素体/奥氏体异种钢焊接接头的熔合区极易产生淬硬性的马氏体组织[17]，使得其韧性下降；异种钢焊接接头运行过程中受到碳迁移的影响，产生增碳层，使得淬硬性得以增加，发生冷裂[11]。

对于铁素体/奥氏体异种钢焊接接头，不仅需要考虑其服役过程中失效机理和失效形式，还需要关注其高温力学性能，但是针对铁素体钢和奥氏体钢异种钢焊接接头在不同加载速率下的高温性能研究，几乎未见相关研究文献；另外，文献[18]研究表明用于汽轮机转子及叶片的X12CrMoWVNbN10-1-1钢在高温拉伸过程表现出显著的率相关性，为此，本文针对T91/TP347H异种钢焊接接头，采用不同的速率加载，分别对焊接接头和两侧母材进行其服役温度下的高温拉伸试验，研究加载速率对焊接接头及其两侧母材拉伸性能的影响以及拉伸本构方程。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

T91/TP347H异种钢焊接接头样品见图1，外径61～66 mm，厚度8～12 mm，其中有2根接头已经服役105h。母材和填充金属的化学成分见本课题组的相关文献[19]，T91钢和TP347H钢的拉伸力学性能及持久强度分别见表1，2[20]。

图1 T91/TP347H异种钢焊接接头样品Fig.1 T91/TP347H dissimilar steel welded joint samples steel

表1 T91钢和TP347H钢的拉伸力学性能Tab.1 Tensile mechanical properties of T91 steel and TP347H steel

表2 T91钢和TP347H钢的持久强度Tab.2 Endurance strengths of T91 steel and TP347H steel MPa

1.2 拉伸试样

因管材壁厚较小，不能加工成标准拉伸试样。根据接头材料的几何尺寸，设计拉伸试样的结构尺寸如图2所示。

图2 高温拉伸试样结构示意Fig.2 Schematic diagram of elevated temperaturetensile specimen

1.3 试验方案

通过单向拉伸试验能够获取材料的真实应力应变曲线以及屈服强度、断后伸长率等力学性能指标以及本构方程。在拉伸过程中，温度与加载速率是影响试样响应的两大因素。

考虑到9%～12%Cr马氏体钢在载荷作用下表现出滞弹性性能，根据GB/T 228.2—2015《金属材料拉伸试验 第2部分：高温试验方法》设计了不同的加载速率开展高温拉伸试验，具体试验方案如表3所示。在MTS370.10液压伺服疲劳测试系统上自定义试验方案开展试验，结束后的试样如图3所示。对于铁素体和奥氏体异种钢焊接接头，失效位置一般在铁素体一侧[21-22]，故本文只开展未服役的母材和接头以及服役后的T91钢母材拉伸试验。

表3 T91/TP347H异种钢焊接接头及母材的高温拉伸试验方案Tab.3 Elevated temperature tensile test schemes forT91/TP347H DSWJ and base metals

图3 高温拉伸结束后的T91/TP347H异种钢焊接接头及母材的试样Fig.3 Specimens of T91/TP347H DSWJ and base metalsafter elevated temperature tensile tests

2 T91/TP347H异种钢焊接接头和母材的高温拉伸性能及本构方程

2.1 接头及两侧母材在不同加载速率下的屈服极限

基于拉伸试验数据，分析拉伸过程中T91/TP347H焊接接头、两端母材T91钢和TP347H钢在不同加载速率下的屈服极限，结果见表4，应力-应变曲线见图4～7。将表4中T91钢的屈服极限与表1的数据对比发现，本试验结果大于文献中的数据；同时，发现服役后接头的T91钢在2.5×10-5/s和1.5×10-5/s的加载速率的屈服极限高于原始状态时屈服极限，而在非常缓慢加载速率1×10-5/s时，服役后接头的T91钢的屈服极限低于原始状态时屈服极限，可以认为电厂的启停和正常运行致使T91钢接头的刚度增加。不同加载速率下焊接接头的平均屈服极限为169.67 MPa，接近于TP347H钢的平均屈服极限130.16 MPa，远小于T91钢的屈服极限。由此可知TP347H钢的性能对焊接接头整体性能的影响高于T91钢。

表4 T91/TP347H异种钢焊接接头和母材在580 ℃下的屈服极限RP0.2Tab.4 Yielding stress RP0.2 of T91/TP347H DSWJ and basemetals at 580 ℃

图4 原始状态接头T91钢在不同加载速率下的拉伸

当温度一定时，对于高温拉伸而言，增加应变速率，会使金属的流变应力增大。流变应力定义为：

(1)

式中，Re为屈服极限，MPa,若屈服过程不明确，用RP0.2代替；Rm为抗拉强度,MPa。流变应力增加，即为屈服极限和强度极限增加。

图5 接头服役105 h后T91钢在不同加载速率下的拉伸曲线和Ramberg-osgood本构模型Fig.5 Tensile curves and Ramberg-osgood constitutivemodels of T91 steel after serving for 105 h underdifferent loading rates

图6 原始状态接头TP347H钢在不同加载速率下的拉伸曲线和Ramberg-osgood本构模型Fig.6 Tensile curves and Ramberg-osgood constitutivemodels of TP347H steel at original state underdifferent loading rates

图7 原始状态T91/TP347H异种钢焊接接头不同加载速率下的拉伸曲线和Ramberg-osgood本构模型Fig.7 Tensile curves and Ramberg-osgood constitutivemodels of T91/TP347H DSWJ at original state underdifferent loading rates

塑性变形的过程，如晶间滑移、晶体位错运动和扩散蠕变等都与时间相关。应变速率增大时，塑性变形在变形体内不能充分地扩展和完成，更多地表现为弹性变形。由胡克定律可知，弹性变形量越大，应力就会越大。应变速率增加，使得金属没有足够的时间进行回复或再结晶，导致软化过程不充分，宏观表现为金属的塑性降低，变形抗力增加，流变应力增大。另外，应变速率增加，金属塑性会降低，金属会较早地达到断裂阶段。

2.2 接头及母材在不同加载速率下的本构方程

在固定的加载速率下，一般材料的工程拉伸应力应变关系服从Ramberg-osgood本构模型:

(2)

式中，E为材料的弹性模量；n，K为经验常数，包含加载速率和温度的依赖性。

利用前述的试验数据，分别采用最小二乘法拟合母材和接头的Ramberg-osgood本构模型，结果如图4～7所示，拟合参数见表5。

表5 T91/TP347H异种钢焊接接头及其两侧母材的Ramberg-osgood本构模型参数Tab.5 Ramberg-osgood constitutive model parameters of welded joints of dissimilar steels T91/TP347H and base metals

由图4～7和表5可以看出，Ramberg-osgood模型能很好地描述T91/TP347H异种钢焊接接头及其母材的应力-应变本构关系，从拟合参数E可知该接头的刚度介于两端母材之间，且服役后T91钢一侧的刚度增加；不同加载速率对原始状态和服役105h的T91钢的高温拉伸性能影响并不明显，应力-应变曲线几乎趋于同一条曲线，TP347H钢的高温拉伸曲线在不同速率稍有差异，而接头的应力-应变曲线在不同加载速率不同，可知接头对加载速率的敏感性高于母材；T91/TP347H未服役焊接接头Ramberg-osgood模型参数E,ε0及K更接近于TP347H钢的三参数，由此可以推断TP347H钢的性能对焊接接头整体性能的影响高于T91钢。

3 结论

以T91/TP347H异种钢焊接接头为研究对象，在580 ℃下分别对焊接接头和母材进行了高温拉伸试验，加载速率为0.5×10-5～2.5×10-5/s，研究加载速率对焊接接头和母材拉伸性能的影响，并建立了焊接接头及母材的Ramberg-osgood本构模型，得到结论如下。

(1)焊接接头服役105h后，不同加载速率下T91钢的平均屈服极限为347.71 MPa，高于原始状态下平均屈服极限340.14 MPa。

(2)不同加载速率下,焊接接头的平均屈服极限为169.67 MPa，接近于TP347H钢的平均屈服极限130.16 MPa，远小于T91钢的屈服极限；且焊接接头的弹性模量为160 GPa，接近于TP347H钢的弹性模量150 GPa，远小于T91钢的弹性模量。即TP347H钢的性能对焊接接头整体性能的影响高于T91钢。

(3)不同加载速率下，T91钢和TP347H钢的应力-应变曲线变化较小，而焊接接头的应力-应变曲线有差异，即焊接接头对加载速率的敏感性高于母材。

(4)Ramberg-osgood模型能很好地描述T91/TP347H异种钢焊接接头及其母材的应力-应变本构关系。