高温下的“疲劳”与“蠕变”如何联手？——1.25Cr0.5Mo钢在580°C下的寿命行为探秘

摘要

1.25Cr0.5Mo钢常用于高温关键设备，如加氢反应器，其高温下的疲劳与蠕变联合作用行为即疲劳–蠕变交互是影响其服役寿命的关键。本文通过应力控制试验，模拟了材料在高温服役中承受反复载荷（疲劳）和持续应力（蠕变）的共同作用。研究发现：“弹簧效应”与持续变形：材料在循环载荷下的响应曲线（迟滞回线）呈现开口状并持续向右偏移。这表明材料在每次“拉伸–放松”过程中，不仅产生弹性变形，还积累了不可逆的塑性变形和缓慢的蠕变变形。蠕变恢复的“双刃剑”：在应力峰值（上保载）时，材料会发生显著的蠕变变形；在应力谷值（下保载）时，部分变形会恢复。但“拉长”的量总是大于“回缩”的量，导致每个循环都残留一点永久变形（应变累积）。这种累积的蠕变损伤逐渐成为主导因素。有趣的是，这种恢复效应反而使得疲劳和蠕变两种损伤机制之间的激烈“拉锯战”有所减弱。寿命的关键影响因素：当施加的波动应力范围（应力幅）小于其平均应力水平时，两者都会加速材料的损伤。这好比材料内部同时在进行快速的“晶体内部塑性变形”和缓慢的“晶界滑移蠕变”，加速了材料抵抗变形能力的耗竭，从而显著缩短了材料的使用寿命。特别是当应力幅远低于平均应力时，蠕变损伤几乎完全决定了寿命，疲劳的影响变得微乎其微。本研究揭示了1.25Cr0.5Mo钢在高温复杂载荷下的失效机制，为预测其使用寿命、保障相关高温设备的安全运行提供了重要依据。

基金资助

江苏省市场监督管理局科技计划资助项目（KJ2022001）