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00Cr18Ni10N钢高温持久强度的预测与验证

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第32卷第6期 2012年O6月 西安工业大学学报 Vo1.32 No.6 Journal of Xi’an Technological University JurL 2012 文章编号:1673—9965(2012)06—498—04 00Crl8Nil0N钢高温持久强度的预测与验证 杨旭,王正品,要玉宏,刘江南 (西安工业大学材料与化工学院,西安710032) 摘 要: 研究了00Crl8Nil0N钢的高温持久强度.在Larson—Miller方程基础上,利用全微 分和状态函数特征,建立了00Crl8Nil0N钢在给定温度条件下持久强度与高温抗拉强度之间 关系的数学模型.通过试验结果表明,利用该数学理论模型预测00Cr18Ni10N钢在700℃,持 久拉伸200 h理论与实测持久强度值相符,相对误差为O.6 9/6. 关键词:00Crl8Nil0N钢;高温持久强度;高温抗拉强度;数学预测模型 中图号:TGll1.8 文献标志码: A 目前,00Cr18Nil0N钢作为飞机用高温零部 件面l临着高温持久性能数据缺乏等问题,所以如何 在短时间内测定00Crl8Nil0N钢长时高温持久性 能数据显得尤为迫切.为研究00CrlSNil0N钢的 高温持久性能,不仅需要进行长时间的试验,而且 耗费大量的试验费用,所以研究利用高温抗拉强度 换,以及利用状态函数和全微分的特征,建立了 00Crl8Nil0N钢在给定温度条件下持久强度与持 久断裂时间之间关系的数学模型,并利用 00Crl8Nil0N钢持久强度的试验结果对该模型进 行验证. 来预测00Crl8Nil0N钢长时持久性能的数学模型 就显得特别重要. 目前,研究金属材料持久强度的预测方法较 1试验材料及方法 1.1试验材料 多,如经验关系式外推法[ 、等温线法[ 、Larson— Miller参数法[。]和葛庭燃一Dorn参数法[ ](K—D参 试验所用00Crl8Nil0N钢是在18—8型奥氏 体基础上以N元素取代C元素,并进一步降低含 碳量而发展起来的新型钢种,该钢比1Cr18Ni9 Ti 数法)、最小约束法[5]和状态方程法_6 等.经验关系 式外推法需要有大量的试验数据才能总结经验关 等不锈钢具有更好的耐蚀性,且焊接性能良好,无 晶问腐蚀倾向,其化学成份见表1. 1.2试验方法及设备 系式指导外推;等温线法虽简单易行,但其外推时 间不得超过试验时间的1O倍,且误差偏大;最小约 束法没有固定的函数关系,需要根据实验确定出适 合具体材料和试验数据的函数关系式,其复杂的站 点实验数据只能依靠电子计算机完成;K—D参数 00Crl8Nil0N钢的高温拉伸试验按照国标 GB/T228—2002规定,在CMT一10电子万能材料试 法也属于时间一温度参数法的一种,是对 Larson—Miller参数法中参数的定义变换和修改. 综合考虑以上方法并结合本试验的具体情况, 本文利用状态函数的特点[7],通过对Larson—Miller 参数PL引、温度T和时间r之间关系的解析和转 *收稿日期:2011—12—08 验机上进行.试验从500℃~7O0℃每间隔50℃ 做三次瞬时拉伸试验,每个温度下的瞬时强度取三 次拉伸强度的平均值,拉伸速度为2O mm/min,瞬 时拉伸时间采用秒表计量.00Crl8Nil0N钢的高 温持久强度试验按照国标GB/T2039—1997规定, 基金资助:陕西省自然科学基金资助项目(2010JM6005) 作者简介:杨旭(1987一),男,西安工业大学硕士研究生. 通讯作者:王正品(1961一),女,西安工业大学教授,主要研究方向为功能材料和高温结构材料.E-mail:zheng610@126.corn. 第6期 杨旭等:00Crl8Nil0N钢高温持久强度的预测与验证499 在RDL50型电子蠕变试验机上进行,试验温度分 别为550℃,600℃和700℃.试验开始时预加载 500 N的拉力使试样处于相对稳定状态,同时开始 升温,到达指定温度并保温40 rain以后再加载到 预先设定的持久强度值,拉伸时间由蠕变试验机的 EDC222控制器自动计时. 表1 OOCrl8NilON钢的化学成分 Tab.1 Chemical composition of 00Crl8Nil0N steel 2试验结果与分析 2.1预测模型的理论基础 金属材料高温持久强度 是温度T和持久断 裂时间r的函数,亦是Larsonj—Miller参数尸的函 数[。]为 一F(丁,r) (1) 一 (P) (2) P—T(C+logr) (3) 式中:T为持久温度;r为持久断裂时间;C为与钢 的成分有关的常数(一般取20)E。 对于00Crl8Nil0N钢而言,高温持久性能具 有以下两个特点:①当P一定或丁和r一定时, 具有一个确定的数值,即函数值一定;②当P发生 变化时, 值随之而变,其变化仅随持久试验状态 的改变而变动,即仅由始末状态决定,而与试验过 程的具体途径无关(末态试验温度不高于途径中间 试验温度).本试验末态试验温度不高于途径中间 试验温度,且升温过程和保温过程具有连续性、单 调性.由此可见,00Crl8Nil0N钢持久强度 具有 状态函数特点.假定 函数单调、连续且处处可微, 式(1)则可写成如下全微分形式为 如一( ),dT+( ) dr ㈤ 由式(3)可知 (券) 一( ) ( ) 一(C+lgr ( ) (5) (筹) 一( ) (篑) 一 ( ) c6 根据 函数由Larson—Miller参数P一定和高 温试验过程中温度与时间变化等效性Ⅲ,则 ( ),一(嘉) 一 c7 由式(5)~式(7)做等量代换即可得 (\  /aT) 一 T r(C+ lgc')lnl0(\ aT] (8) 因此,式(4)可变换为 曲一( ) (dT+ dr)(9) 当试验温度丁一定时,式(9)变换为 曲一(券) Tl lnludr (1o) 在时间区间( ,r)范围内对式(1O)两边求积 分,得到关系式为 =eo+f (鼻) T_ n udr(11) 式中:ao为高温材料在r一"C0和温度为T时的持久 强度,当"Co很小时,O"o在数值上接近同温度下材料 的高温抗拉强度值.为简化计算,根据时间与温度 的等效性,可忽略时间r因素对持久强度随温度的 变化率影响,即 ( ) 一(鼻) 一( ) c 2 由式(11)、式(12)可得 ≈ + ) 志 出 一cro+T( )・n( ) 从式(13)可以看出,若已知金属材料的高温 抗拉强度O"o与温度T的函数关系,则可求出在指 定温度下任意时间内的持久强度值. 2.2 00Crl8Nil0N钢预测模型的建立 在CMT一10电子万能材料试验机上所测得的 00Crl8Nil0N钢不同温度下的高温抗拉强度及拉 伸时间见表2,从表2数据可以看出,随着试验温 度升高,00Crl8Nil0N钢的高温抗拉强度逐渐降 低,拉伸时间逐渐缩短. 根据00CrlSNil0N钢高温持久强度预测模型 的理论推导过程,所以将表2中平均抗拉强度O"o 与温度t关系进行线性拟合,如图1所示. 500 西安工业大学学报 第32卷 表2 00Crl8Nil0N钢的高温抗拉强度 Tab.2 High tensile strength of 00Crl8Nil0N steel 图1 00Crl8Nil0N钢高温抗拉强度与温度变化曲线 Fig.1 High tensile strength of steel 00Crl8Nil0N VS.temperature 图1是高温瞬时拉伸试验温度与高温抗拉强 度的关系图,对图1中数据拟合可获得函数关系为 6o一350.8+0.788t一0.0012t (14) 用配方法对式(14)变换,则有 ao一46.24-1.443204-273)一 0.2212(t -4273)。 (15) 则 =1.4432—0.0024T (16) 将式(15)、式(16)代入到式(13),即可得到一 定温度和时间下的00Crl8Nil0N钢持久强度预测 关系式 O-=46.24-1.4432T一0.0012T24- T(1.4432-0.0024T)ln( )(17) 取c一20,Vo取每个温度下的拉伸时间的平均 值,r为持久时间. 2.3分析与讨论 在式(17)中,由于瞬时拉伸时间Vo,参数C已 确定,所以式(17)即可预测00Crl8Nil0N钢在550 。C、600℃、700℃下不同时间的持久强度,将 00Crl8Nil0N钢的持久强度预测值与在RDL50 型电子蠕变试验机上进行试验所测得的实际持久 强度值进行对比,结果见表3. 表3 00Crl8NilON钢持久强度 试验实测值与预测值对比 Tab.3 Comparison of tested and predicted strenth of steel O0Crl8Ni10N t/ ̄C r/h 测/MPa /MPa y/% 92.8 284.2 294 3.3 600 193.7 275.9 280 1.4 480.7 265.9 261 1.8 106.4 145.8 147 O.8 700 213.8 134.1 135 O.6 480.3 120.6 118 2.2 从表3中可以看出,该预测模型所预测的持久 强度值与实际持久强度值的相比都比较准确,预测 持久强度值都在实际持久强度值上下波动,相对误 差都小于5 9/6,所以该理论模型能够成功预测 00Crl8Nil0N钢在某一确定温度下的持久强度. 此预测数据中,相对误差最大为4.3 9/6,在金属的 高温持久强度试验中,由于受冶炼、热处理、生产工 艺以及测试技术等各种因素的影响,同一种材料的 试样,在同一试验温度及应力下,断裂时间显然是 有差别的.为了更加准确的测定00Crl8Nil0N钢 高温持久强度,应该增加在相同条件下进行持久强 度试验的试样数量,多次试验减小误差.误差中有 不可避免的试验误差也有此预测模型的缺陷,通过 优化公式中参数值,也能减小误差. 通过持久强度试验表明:00Crl8Nil0N钢在 550。C下 50n分别为355 MPa,330 MPa 和315 MPa;在600。C下0-1nn,d , Inf1分别为294 MPa,286 MPa和261 MPa;在700。C下 口 , 0"50o分别为147 MPa,135 MPa和118 MPa.即在 同一持久温度下,随着oOCr18Nn0N钢持久强度 的降低,持久时间增长;在同一持久时间下,持久温 度越高,00Crl8Nil0N钢持久强度值越低. 3结论 本文通过测定00Crl8Nil0N钢的高温抗拉强 度和拉伸时间,并对Larson—Miller参数关系式的 解析和转换,建立了在给定温度条件下 00Crl8Nil0N钢的持久强度与持久断裂时间之间 的数学模型. 利用此数学模型预测00Crl8Nil0N钢在 第6期 杨旭等:00CrlSNil0N钢高温持久强度的预测与验证 2004(3):l52. 501 550 C、600℃和700℃下分别持久100 h、200 h、 500 h下的持久强度,试验结果表明在550℃下误 YANG Rui—cheng,FU Gong—wei,WANG Kai—xuan, 差最大为持久100 h时4.3 ,误差最小为持久 et a1.Determination of Larson—miller Parameter for 200 h时0.7 ;在600℃下误差最大为持久100 h 时3.3 ,误差最小为持久200 h时1.4 ;在 700℃下误差最大为持久500 h时2.2 ,误差最 15CrMo Heat Resistant Steel and Its Application[J]. Journal of Lanzhou University of Technology,2004 (3):152.(in Chinese) [4] STRAUB S,HENIGE T,POLCIK P,et a1.Micro Structure and Deformation Rate During Long—term Cyclic Creep of the Martensitic Steel X22CrMoV12-1 小为持久200 h时0.6 9/6.误差都在合理范围内,希 望后面的研究能够对此模型进行修正或者有更合 理的预测模型以减小误差. 参考文献: [1]SCHIRRA IV1.Creep Rupture and Creep Behaviour of Martensitic X18CrMOVNb 11.1 Type Steel at Elevated Temperatures and After a Temperature [J].Steel Research,1995,66(9):394. [5]SPIGARELLI S,KLOC L,B0NTEMPI P.Analysis of Creep Curves in a 9Cr一1Mo Modified Steel by Means of Simple Constitutive Equations[J].Scripta Materialia,1997,374,37(4):399. [6]章燕谋.锅炉与压力容器用钢[Ⅳ【].西安:西安交通大 学出版社,1984. ZHANG Yah—mou.Steel for Boiler and Pressure Transient[J].Steel Research,1986,64(6):322. [2]张晓昱,欧阳杰,柯浩,等.长时高温运行后火力发电 机组T91钢受热面管寿命评价[J].锅炉技术,2011 (4):47. Vessel[M].Xi’an:Xi’an Jiaotong University Press, 1984.(in Chinese) ZHANG Xiao—yu,OUYANG Jie,KE Hao,et a1.Life Assessment of T91 Steel Heat Transfer Tubes of Fossil—fired Power Unit After Long-time Operating at [7]陈雷,杜晓建,刘晓,等.新型奥氏体耐热不锈钢的高 温持久性能[J].钢铁研究学报,2010(10):112. CHEN Lei,DU Xiao—jian,LIU Xiao,et a1.Creep— rupture Properties of a New Austenitic Heat-resistant High Temperature[J].Boiler Technology,2011(4): 47.(in Chinese) Stainless Steel at Elevated Temperature[J].Journal of Iron and Steel Research,2010(10):l12. (in Chinese) [3]杨瑞成,傅公维,王凯旋,等.15CrMo耐热钢Larson— Miller参数值的确定与应用[J].兰州理工大学学报, Prediction Model of High Temperature Rupture Strength of 00Crl8Nil0N Steel YANG Xu,WANG Zheng—pin,YAO Yu—hong,LIUJiang一 n (School of Materials and Chemical Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710032,China) Abstract:The high temperature rupture strength of 00Crl8Nil0N stainless steel is studied,The mathematical model of relation between the rupture strength at given temperature and the high temperature tensile strength of 00Crl8Nil0N steel is established by means of total differential and state function on the basis of Larson—Miller equation.The test data indicate:The rupture strength of 00Crl8Ni10N steel at 700℃lasting 200 h calculated by the model conforms to the tested value.The relative error between them is 0.6 . Key words:00Crl8Nil0N steel;high temperature rupture strength;high temperature tensile strength; mathematical prediction mode1 (Or任编辑、校对张立新) 

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