关于高温蠕变裂纹扩展规律

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在线弹性理论基础之上,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 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。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,在稳定扩展的第二阶段时的裂纹扩展速率,参照帕尔斯尸’经验定律,可以表示成如下形式奈“’““式中的是张开型应力强度因子的初始值,刁和是与试验温度、材料有关的常数。试验资料表明,是取决于裂纹长度和应力水平的参量,例如对今淬火钢单边缺一,一’一‘护一了一一铲、叨冲、、,,一“’一’“产曰’动“’几一“、扩,“一叭口平板拉伸试样,在时测得的一’“、二·,对厂锻钢,在吧时采用单边弯曲试样,当应力强度因子尤切军时,而当,。一。叮。,时。,对冬粗晶钢存下夹用单边弯两试样当尤二一’一‘”’“”一‘“矛‘’一’一一’‘几只口「’协“一甘’、”一卜沪谷勺四份”曰,司一“立‘,,、,,。,,一、,,,一‘一一,、,,一、时,而令。犷细晶钢在前述同样情况下,当,一’一’‘”’“一一一”,切一‘一’一’‘内只“护「切协’一’,”’门‘’司一‘““一一脚时二这些实验数据表明,在高温蠕变条件下,裂纹尖端处的应力特性,仍可用应力强度因子来描述。对于式中值的确定,有的资料建议采用,二·了万表达式进行计算,式中的为工作应力“、为裂纹长度、为修正系数,文献〔〕中介绍了不同形状试样的的表达式,例如对于边缺口平板拉伸试样,其为二,。卜。‘,‘令,了省一一‘会。‘令‘这样,从式可以看出,根据蠕变裂纹扩展速率就可以估算出当蠕变裂纹扩展达到断裂时的时间或高温构件的使用寿命。当工作应力恒定时,按,二·了万可知,随时间的变化率为一刃飞一‘飞瓦一十口挤万一二会一将式代入式,并经过一定的数学演算变换可得一么么,一工·二〕对于初始裂纹较长,比如口才夕时的试验结果表明,的变化对于裂纹扩展的影响很小,可以忽略不计。因此,式可改写为,,布轰了了爹一“‘一若名“,产““‘式中的。是初始裂纹长度。。时的值。将式进行定积分,得出断裂时间为一若“会六一一一兰—一「一一廷一一一公匕一一。“一尤。一“尤“一名式中的为断裂时间小时,,为初始应力强度因子,。为材料的平面应变断裂韧性叮。式及所表达的关系,只有强度较高、韧性较低的脆性显著的材料适用,对于具有高持久塑性的材料,这种处理方法就不可靠了。关于门裂纹张开位移来描述蠕变裂坟扩展速率问题。有人利用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 矩形紧凑拉伸试样,按非线性弹性休来考虑,认为沿加荷载方向的张开位移,与所加荷载及系统的柔度有关,同时又与试样的裂纹长度有关系。将它们之间的关系取如下形式。尸将式对时间取徽分,即犷尸一下丁一一下丁一尸一一万一一万丁一〔不一般在一定工作应力下,试验时取尸二常数,则一尸二为了求得系统的柔度对于裂纹长度变化的依赖关系斋一,在常温下进行交变应力试验时,在加荷载系统中设法增加一个附加装置仁〕,可以收到较好效果。近年来有人采用裂纹跟踪技术〔〕,但这些技术在高温条件下尚难很好实现。实验表明,对于一些材料当大、,二、、、,、,、、,、,一体上能保持值为常数时,的变化率箭将与裂纹扩展速率甫一大致成正比关系。··而’将二者的关系表达为如下的形式于几以咨式中的、。为与试验温度、材料有关的常数。但是在很多情况下,二者的关系并不总是成正比的也就是说要偏离正比关系,其原因可能有二,第一可能是随着裂纹长度的变化而改变的系统的柔度是个变量第二可能是在高温下材料本身所具有的塑性的大小将随着时间的廷长转化为相对地蠕变量。因此,裂纹嘴位移对时间的依从关系与裂纹长度对时间的依从关系是截然不同的,也就是说还不能简单地根据式由试验测定的奈来计算奈。由于决定裂纹扩展的是裂纹尖端的应力应变关系,因此作为揭示这种关系的参数,最好是采用裂纹尖端的张开位移,而不用裂纹嘴张开位移。在文献〔」中报导了用热强钢厂获得的试验结果表明,蠕变裂纹扩展与裂纹尖端张开位移增加是同时发生的,它们之间具有良好的线性关系。山此提出了蠕变裂坟,二、‘、,,‘,、、、,、扩展速率,〕丁与裂汉天端张升位移扩张速率以咨令之问的经验关系为己一芍芯一月一芍万宁口‘‘式中的、材料的门价二而又。为与试验温度、材料有关的材料常数,。值约在之间,值则随状而定。司如了一下,对于持久塑性较好的万厂钢,,。具有回火贝茵休组织的持久塑性差的厂钢,,二。由于通过试验测定裂纹尖端张开位移齐要比测定裂纹嘴张开位移更困难,目前尚无好的办法。在文献〔〕中报导了利用蠕变裂纹开裂后从金相断口上测定乙,再根据所测得的乙与同。、、。得的夕的关求得弓导一。我国电力工业部西安热工所在文献〔〕中也报导了类似的试验成果。文献〕的作者建议根据“塑性铰”原理,假设在紧凑拉仲试样的未被劈张开的韧带巾某处存在一个“塑性铰”结点,这样就可以在由裂纹嘴位移算出裂纹尖端‘方移各以后得一登。关于用琳积分来描述蟠变裂纹扩展速率问题由于高温蠕变和塑性变形在一定条件下具有类似性,年以来,有些人曾尝试把积分应用到分析蠕变裂纹扩展规律的研究中。耐。和。在文献〔〕中报导了按照二维问题的积分定义,又重新定义了一个新的参数积分为一研·、夕一、认,一、·式中的研’二互一」·“昌在这里必须注意,’积分与彩飞分的差异,仅在于用应变率和位移率替换了应变和位移,这就更接近于塑性增几理论,而克服了墓于弹塑性理论的全量理论建立起来的积分只适川于“小范围属服”和“简单加载”的不足。同理,根据积分的另一定义,即形变功率定义刀二一一,于式中的为试样所接受的变形功,也可以提出供试验测定的积分的定义为关,一一二,万“以式中的寮是形变功率或能量变化率一凡艺,·““所以,积分如同积分一样,也可以通过实验方法进行标定。关于用净截面应力描述蠕变裂纹扩一展速率问题有不少人在用软钢类低张度高塑性材料做缺口试样的剩余强度试验时发现,在裂纹实际上扩展前,就出现了净截面上应力达到屈服极限的情况,这时裂纹的扩展将直接与净截面上应力的增加有关,在高温蠕变条件下也有类似情况。这时若用断裂力学参数、、积分等,显然就不合适了。因此,考虑到由于高温蠕变时裂纹尖端应力场会因屈服而松驰所造成的明显影响,所以用净截面应力。。。的某种函数来描述蠕变裂纹扩展速率将会更可靠些。文献〔〕报导了用奥氏体不锈钢在到范围内蠕变裂纹扩展速率随净截面应力变化的情形,并提出经验公式为。日一,万一工上不召‘式中的。。,为缺口试样的净截面应力对。“、日为与试验温度、材料有关的材料常数。对于月奥氏体不诱钢,在下材料常数方一‘,日二对于汽机转子钢,在下,板试样的“火’‘”、日二,棒试样时“一”、日。不少试验结果证明式表达的直线关系是成立的。试验表明,随着蠕变裂纹的扩展,净截面应力。,就不可能保持为定值。因此式中存在一个如何确定。。的问题,文献巨〕在采用双悬臂梁试样试验讨,引入了一个“参考应力”的慨念来解决这个问题。其参考应力。按如下正比关系来确定,即尸‘场巧式中的为材料的屈服应力或屈服极限尸为所加实际荷载尸为出现塑性失稳时的荷载。由此来间接的确定出净截而应力。从已见到的资料可以看出,用净截面应力。。,来描述蠕变裂纹扩展速率是有效的它对予测蠕变断裂将是一个成功的指标。五影响高温蠕变裂纹扩展速率的主要因素‘︸厂泞了温度对蟠变裂纹扩展速率的影晌在文献〔〕中报导的试验资料表明,温度对蠕变裂纹扩展速率有明显的影响,如图六所示,随着温度的升高蠕变裂纹扩展速率也显著加快,例如厂钢,当应力强度因子值一定时,在时的裂纹扩展速率约为。。时的责,而在。。。。时的懦变裂、扩展速率约为时的倍。蠕变速度对姗变裂纹扩展速率的影响由前述光滑试样蠕变曲线如图一可知,在蠕变曲线中第二阶段的蠕变速度与工作万叹。了海沪手不吮了了里牛,卞了砚。护,众了、中尤护由界,、舀旅‘云乃牛咬了国厂、班之温度对刃展速分琢主紊。影。句应力之间关系的表达式为匕二式中的为蠕变速度。为工作应力为与试验有关的材料常数为蠕变指数。文献〔〕报导了对刃钢的试验结果,摘于下表,由表可见,在到的。时,式中的常数日与蠕变指数值很相近,基于这种情况,可将式与式合并,则表达式变为习了一二万‘温度℃日值士一⋯。、。。。。刀政⋯士。。士,⋯士。士士。士。土。士如果式能被某些铬锢钒热强钢村一的试验结果所验证而成立,则可以用由该类材料的光滑试样蠕变试验结果求得的材料常数和蠕变速变已,以及裂纹试样蠕变裂纹扩展速率中常数值,来予测蠕变裂纹扩展速率,这是一个很值得深入研究的问题。腐蚀性介质对蠕变裂纹扩展速率的影晌由于高温条件下的动力机组中的一些高温构件,有时是在高温、持久应力和腐蚀性介质联合作用下工作,在长期的生产实浅中已认识到,高温构件表面存在的微小裂纹会由于腐蚀随着时间的推移而加速扩展长大。即使构件原来没有裂纹,也会因为腐蚀而较快的生成裂纹然后加速扩展。文献〕报导了用一钢其屈服极限价“‘中心切口试样,在平而应变条件下实验研究了水介质对裂纹扩展及延迟断裂的影响。当所加荷载为材料屈服极限的。时,便发生裂纹扩展和延迟断裂。在净截面应力为。。。二耐下测定了在水中径·分断裂,在空气中径分末断裂,在丙酮中径工分断裂,在乙酸丁脂中径分断裂,在苯中径分才断裂。这些结果表明,水是腐蚀性很强的介质,而空气是惰性介质,其它介质都能不同程度地引起裂纹加速扩展。还有一些试验结果表明,介质中的氢气和氧气对钢在静荷载下的裂纹扩展特性具有截然不同的影响。介质中的氢能显著地加达钢的裂纹扩展速率与此相反,介质中的氧能显著地降低裂纹扩展速率,甚至能阻止裂坟的扩展,例如介质中存在。氧时,就会使裂纹立即停止扩展,当把城从介质中抽出后,裂纹就立即继续扩展。由此推断,介质中的氧可能优先吸附于裂纹尖端使介,中的水蒸气和氢与裂纹尖端隔离,从而形成钝化膜而起到降低或阻止裂坟扩展的作用。闪在高湿度介质巾与在水中具有相同的裂纹扩展特性,例如在空气中的相对湿度迢过训时,裂坟扩展速率即达到饱和,此饱和值恰好就是钢在水中的裂坟扩展速砰吐。发生这种情况的原因可能是在室温和写相对湿度条件下水汽会发生凝聚,使裂纹尖端被凝结水包围,所以其饱和值与水中的裂纹扩展速率相同。由此可见,水,水蒸汽和氢是加速钢材中裂纹扩展的有害介质。有不少资料比较深入的论述了钢在含氢介质中的应力腐蚀情况,发现腐蚀是一种电化学过程,包括阳极过程和阴极过程,二者是共存的。例如铁遇到水,铁离子召一卜于和水的化合作用形成·并放出电子一,就是阳极过程,由于阳极过程放出的电子必须及时通过阴极过程将电子吸收,如氢氧根一和铁离子结合产生铁锈三氧化二铁。综合阳极过程和阴极过程得‘尸·,这就是说在金属表面上同时发生阳极过程铁溶解并放出电子和阴极过程吸收电子的电化学过程,其结果就是金属铁被溶解变成铁锈,这就是铁金属材料被腐蚀的情况。如果金属构件原来就有型裂纹,由于裂纹尖端附近的应力集中影响而存在较高的拉应力,促使裂纹尖端总是暴露在腐蚀介质中,从而能不断地溶解裂纹尖端处的金属,导致裂纹加速扩展,这就是应力腐蚀现象,它主要表现出阳极溶解控制过程。但是,一钢在水中被腐蚀的情况,用阴极控制过程如氢脆来解释更为适宜,这就是原子氢通过扩散进入金属内部,它使金属原子结合力下降,基体脆化,或形成很脆的氢化物,如果构件上承受着拉应力,则氢可以富集在型裂纹尖端高拉应力区域,迅速形成微裂纹,它和原裂纹组合就导致裂纹加速扩展,这种以阴极放氢过程为主的断裂称为氢脆。由于氢进入金属而使材料变脆从而脆断的原因主要是①在应力腐蚀过程中起控制作用的是阴极放氢过程,阴极放出的氢进入金属使型裂纹逐渐扩展直至脆断②如果构件在含氢的介质环境下工作,环境中的氢和金属表面的电化学作用形成原子氢,它扩散进入金属也会引起氢脆③如果构件内部原来溶解有氢,例如炼钢时进入钢水中的氢、酸洗时进入构件的氢,在特定条件下溶解在显微组织中的氢均会导致微裂纹如钢中白点就是氢致裂纹之一,造成氢脆断。同时通过分析、,“、,、,、、一、一,,,,、一,,、,‘二一俐在水相饱相水唇汽’一尸的淤汉扩辰速半习奢一与绝对侃发了的夭系曲线友现户芍丁是暇奋,、,,‘,‘,随着温度升高,氢扩散速度也加快,所以应力腐蚀、氢脆也加速。根据前一与寸之间为直线关系的斜率求出的裂纹扩展速率是由热激活过程所控制,计算所得显激活能为卡克原子,此值不受裂纹尖端应力强度因子尤的影响,这个试验测定数值恰与氢导致裂纹生成时的显激活能以及氢在高温度钢中的扩散激活能的数是一致的。因之,有些人认‘‘、为,高强钢在水中具有高的汤矛或具有较大腐蚀性敏感性是由于微阴极还原产生的氢原子在裂纹尖端三向拉应力区域渗入而引起局部氢脆化,促使裂纹扩展加速的结果。由上可以看出,加强关于腐蚀性介质对带有裂纹的高温构件的蠕变裂纹扩展速率或使用寿命影响的研究将是十分重要的。六初步结论与启示综合以上所述,设法把断裂力学有关概念及参数用来描述高温构件在持久应力和腐蚀性介质联合作用下的蠕变裂纹扩展规律及沂裂状况,其目的在于按照上述蠕变裂纹扩展规律的特性,对带有裂纹的高温构件的安全性进行合理评价,提出以蠕变裂纹起始开裂条件和蠕变裂纹扩展速率的极限值来进行定量沽计的方法,从而为高温构件提供抵抗蠕变裂纹扩展断裂判据。为此,我们可以得到如下的初步结论与启示考虑到对电厂汽轮发电机组等设备中重要高温另部件要求的安全使用寿命,一般为十万小时国外甚至有人设想改为二十万小时,这就要求在一定温度、一定应力和一定介质联合作用下,带裂纹的高温构件庄使用十万小时或某规定时间后蠕变裂纹仍不开始扩展,或者扩展的达率极其缓慢,而且在所规定的范围以内,这样才可以认为构件是安全的。基于这个观点,需要确定在高温持久应力和腐蚀性介质联合作用下带有裂纹的构件材料的裂纹开裂条件,也扰是需要测定蠕变裂纹尖端处的“应力腐蚀界限应力强度因子”值,作为高温蠕变裂纹起始开裂判据,即,。。时蠕变裂纹不扩展,当时蠕变裂纹就扩展。文献仁〕建议参照蠕变极限概念,设想在一定时间内将蠕变裂纹亚临界扩展速率限制在一定的范围内,比如以一吕『了米小时的蠕变裂纹扩展速率作为极限值,并以此来确定相应的值作为蠕变断裂判据。从见到的少数资料推断,它将只对低持久塑性材料适用,至于高持久塑性材料,由于其高温蠕变变形较大,将会使裂纹尖端的应力集中发生松弛,其力学特性也就不能用来描述了。对于高持久塑性材料的蠕变断裂判据,可以认为以净截面应力。,作为描述蠕变裂纹扩展的主要参数是适宜的,式所表示的关系在一定程度上与一些试验结果相符合。但是,它没有反应出裂纹尖端处由于应力集中而引起的影响。为此,有些研究者又建议采用刀作为描述蠕变裂纹扩展析裂判据的主要参数。这就要求能够测试出高温持久应力及腐蚀性介质联合作用下的临界值乙,从而建立起乙《各的蠕变断裂判据。但是,如何准确地测定蠕变裂纹尖端处的乙。值从见到的有关测试技术资料来说,目前尚未找到较好的测试方法。同时由于乙一只是一个相对的断裂韧性指标,并不能由它求出断裂应力。因此,也就不能与上述净截而应力。。,参数联系起来。尽管如此,仍旧可以认为,用。。,和作为描述蠕变裂纹扩展速率的参数是比较有效的,用它们来对高温构件蠕变断裂进行予测将会是成功的,十分值得今后深入研究。注意到在电力工业中,使用的大览设备,如汽轮机组或燃气轮机组等重要另部件,大多采用铬铂钒类合金钢,这类合金钢属于高持久塑性中强度材料,一般说来其高温蠕变变形都比较大。因此,近年来,随着积分理论的不断发展,由此而导出的积分也必须将被推荐应用于蠕变断裂分析中。由于它很按近于塑性增量理论,对于“大范围屈服或全面屈服”条件下的蠕变断裂以及负荷比较复杂的倩况是比较适用的。着重抓紧这方面的研究,对于探讨和建立高温蠕变裂纹扩展断裂理论,将是个很有希望的研究方向。为了探索裂纹尖端附近塑性区域中应力应变场的规律性,有些人除了从断裂力学方面入手研究外,近几年来还从断裂物理和断裂化学方面进行观测,发现在裂纹尖端有孔穴的形成、集结并扩散而导致裂纹扩展,有人就设想用一种化学势来描述这种过程。可见,从宏观力学、微观物理与电化学的密叨结合上,运用它们现有的理论成果,去揭示断裂机理,是今后发展的必然趋势。关于高温蠕变断裂的实验方法和技术,急待研讨与发展。近年来发展起来的电位法巳被用来协助确定裂纹缓慢扩展时的起始开裂点,同时也可以用来探寻电位变化与上述化学势之间有什么函数关系。另外,匕磁法的发展应,也已被用于断裂力学的实验中来,它根据磁通量与主应力大小和方向具有一定函数关系的原理,用来研究裂纹尖端附近的应力场。作者认为,对于以上各方面的问题,都需要迅速组织力量,奋起攻关,以促进高温蠕变断裂力学理论的形成与发展,从而适应我国社会主义现代化建设的要求。参考文献,口细仁」周顺深,高温断裂力学的研究和发展《断裂力学》科技文献出版社重庆分社。〔〕,瓦,。〔〕···几。,。〔」····,。,,。〔〕大谷隆一,新田明戈的中村贝行,奥野道堆材料,,,,。〔〕,,。〔〕··,,一。〔〕犷、,··,·,。〔〕··,,。,。,。【〕··,,,,一。仁」电力工业部西安热工研究所蠕变条件下裂纹扩展问题的初步研究,年北京断裂力学交流会第二次会议文集,。。仁幻····,,,。〔〕····了,,,理,。〔〕。,·,。吓〔〕佐佐木良一,志贺正男才才料,,。,。〔〕··主,,,·,。···,,,一,。〔〕····介,,,,·,。日本高等学校的教学和科研西南交通大学孙训方教授来院作访日报告‘西南交通大学孙训方教授于十一月二十一日来院作访日报告,着重介绍了日本高等学校的教学和科研情况。日本高等学校一般都是各院校结合自己的特点和需要自己编写教材他们的实验设备,也不完全是先进的,有些实验设备并不很新,有些甚至是三、四十年代产品,但是他们能根据科学技术的发展,不断革新实验设备,以适应教学、科研和经济发展的要求日本高等学校重视基础课的教学工作,一般由富有教学经验的教师上课,对新技术、新学科在教材中如何反映则不十分注重。日本高等学校科研所也十分注重基础理论的研究。许多教授既搞教学,又搞科研,一年要拿出几篇论文,工作紧张,效率甚高。孙训方教授是作为参加国际断裂力学学会成员访日的。在报告中还介绍了断裂力学学科当前发展的情况和趋势以及我国在这方面的成就。报告会是由省市力学学会和我院水利水电科研所主办的。李任珍夕