背景简介

P92钢是一种马氏体耐热钢，广泛应用于高温高压服役条件下的发电、能源及化工设备中。在超超临界燃煤发电机组中，P92钢通常用于过热器、再热器和主蒸汽管道等关键锅炉部件，其服役温度可达550℃–650℃。镍基合金IN718因其在循环载荷条件下兼具优异的高温强度、抗氧化性能和疲劳抗力，已广泛应用于航空推进系统中的关键高温部件，尤其是航空发动机和燃气轮机部件，其典型服役温度范围为600℃–700℃。尽管这两种材料应用于不同的服役场景，但其构件在高温下均会受到反复启停和载荷波动引起的非对称热应力作用。

尽管非对称加载下的棘轮行为和缺口疲劳性能已分别得到广泛研究，但现有寿命预测框架中局部应力梯度与循环棘轮变形之间的协同作用仍考虑不足，这在很大程度上限制了复杂服役条件下关键高温构件寿命评估的准确性。为弥补这一研究不足，本文选取P92钢和IN718高温合金两种典型工程材料，通过缺口试样的应力控制低周疲劳试验开展研究。本文定量表征了不同缺口几何条件下的棘轮响应，并采用扫描电子显微镜（SEM）分析缺口效应与棘轮行为共同作用下的宏观断裂演化特征。作为试验研究的补充，本文进一步基于ABAQUS有限元模拟对材料的棘轮行为进行了建模分析。在此基础上，建立了一种融合连续损伤力学与应力梯度理论的新型寿命预测模型，该模型显式耦合了缺口试样的整体累积棘轮应变与疲劳损伤演化。

成果介绍

（1）本研究利用光滑且带缺口的P92钢和IN718合金样品，研究了棘轮行为的缺口效应。P92钢样包括直径（d）为10mm、长度（L）为16mm的光滑样品，以及缺口半径（r）为0.7mm和1.5mm的缺口样品。IN718合金样品包括直径为8mm、长度为14mm的光滑样品，以及缺口半径为1mm的缺口样品。试验结果表明在所有加载条件下，P92光滑试样与缺口半径为r = 1.5 mm 的缺口试样疲劳寿命相近，说明该缺口尺寸下的缺口效应较弱。相比之下，对于缺口半径为r = 0.7 mm 的P92试样以及IN718缺口试样，其疲劳寿命降低至对应光滑试样的约32%-60%，低周疲劳试验寿命结果见图1。

图1 P92和IN718低周疲劳寿命

（2）缺口的引入显著抑制了P92钢和IN718合金在非对称循环加载下的整体棘轮应变累积（图2）。在所有名义应力水平下，P92钢和IN718合金光滑试样均表现出明显的棘轮行为，且棘轮应变率随名义应力升高而逐渐增大，说明棘轮行为具有显著的应力依赖性。相比之下，缺口试样的整体棘轮应变率明显降低，且这种抑制作用在较低名义应力水平下更为显著；对于IN718合金，由于其延性较低，缺口试样在各应力水平下均表现出极低的整体棘轮应变。该现象主要归因于缺口诱导的多轴约束效应：缺口使局部应力状态由近似单轴受力转变为多轴受力，使塑性变形向多个方向分散；同时，多轴应力状态下升高的静水应力抑制了偏应力驱动的塑性流动，从而削弱了拉伸方向上的塑性应变累积。因此，缺口试样表现出明显低于光滑试样的整体棘轮应变率。

图2 P92钢疲劳寿命过程中的棘轮应变演化: (a) 280 MPa, (b) 320 MPa, (c) 340 MPa; IN718合金疲劳寿命过程中的棘轮应变演化: (d) 1200 MPa, (e) 1180 MPa, (f) 1160 MPa

（3）缺口改变了P92钢的断裂行为，使其由光滑试样中以棘轮变形主导的韧性失效，逐渐转变为缺口试样中以疲劳失效为主（图3）。光滑试样在各应力水平下均表现出明显颈缩，断口中可观察到孔洞、微裂纹和韧窝等韧性断裂特征，说明其失效主要受棘轮应变累积和塑性变形控制。相比之下，缺口试样更容易发生多源裂纹萌生，裂纹扩展区出现河流花样、二次裂纹、疲劳条带及剪切唇等特征，表明缺口引起的应力集中和多轴约束促进了疲劳裂纹的萌生与扩展。其中，r = 1.5 mm试样由于缺口较钝，仍保留一定颈缩和韧窝特征，断裂行为更接近光滑试样；而r = 0.7 mm试样几乎无明显颈缩，剪切变形和裂纹扩展特征更加突出，说明尖锐缺口具有更强的缺口敏感性，并导致疲劳寿命明显降低。

图3 P92钢的SEM断口形貌：（a）280 MPa，光滑试样；（b）280 MPa，r = 1.5 mm缺口试样；（c）280 MPa，r = 0.7 mm缺口试样；（d）340 MPa，其中d1为光滑试样，d2为r = 1.5 mm缺口试样，d3为r = 0.7 mm缺口试样

（4）基于能量耗散思想，本文分别建立了疲劳损伤和棘轮损伤的演化关系，将循环过程中的塑性应变能和棘轮应变能引入损伤演化框架，以定量表征低周疲劳损伤与棘轮损伤的累积过程，其表达式如下：

采用 Chaboche 循环塑性本构模型对缺口试样的循环响应进行有限元模拟，提取缺口根部的应力分布，并基于应力梯度理论计算相对应力梯度。相对应力梯度用于表征缺口根部应力场的非均匀程度，其表达式如下：

在此基础上，将相对应力梯度引入棘轮损伤项，建立了同时考虑疲劳损伤、棘轮损伤和缺口效应的寿命预测模型，其表达式如下：

如图4所示，Manson–Coffin模型整体呈保守预测趋势，尤其在棘轮效应较弱或可忽略时预测精度相对较好。Luo等人的损伤演化模型对P92钢和IN718合金光滑试样具有较好的预测效果，所有结果均落入±2倍分散带内，但其对缺口试样的预测能力有限，几乎所有缺口试样预测结果均超出±2倍分散带。本文提出的模型在未引入相对应力梯度时，部分缺口试样预测结果仍超出±2倍分散带并呈偏危险趋势；而在引入相对应力梯度后，所有预测结果均收敛至±2倍分散带内，且整体表现为保守预测。

图4 不同模型的疲劳寿命预测结果: (a) Manson-Coffin模型; (b) Luo等人的损伤演化模型; (c) 未考虑相对应力梯度的本文模型; (d) 考虑相对应力梯度的本文模型

致谢

该研究工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金项目的支持。本文第一作者：华飞龙（华东理工大学），通讯作者：温建锋（华东理工大学）。

本期小编：华飞龙 （整理）

温建锋 （审核）

董乃健 （发布）