316H不锈钢管525℃不同应力水平下的蠕变曲线如图3-1所示。其中应力水平为340~430MPa的试样已经断裂,试验结束,应力水平为248~307MPa的试验未断裂。根据蠕变变形速率随蠕变时间的变化趋势不同,母材的高温蠕变曲线可以划分为三个阶段:瞬时蠕变阶段(a~b段),稳态蠕变阶段(b~c段)和加速蠕变阶段(c~d段),划分结果如图3-2所示。瞬时蠕变阶段是蠕变过程的第一阶段,在蠕变开始的初级阶段,材料抵抗高温变形的能力相对较低,变形速率较快。随着蠕变时间的增长,塑性变形量逐渐增加,材料内部发生位错增值现象并且位错之间产生相互作用,材料抵抗变形的能力提高,蠕变速率逐渐降低。稳态蠕变阶段是蠕变过程的第二阶段,第二阶段过程中的蠕变速率为最小值并且保持恒定,该速率被称为最小蠕变速率(minε)或稳态蠕变速率。该阶段内材料主要发生显微组织的变化(例如析出相的萌生,长大和分解等演化过程),对材料的使用寿命产生重要影响,是蠕变过程中的重要阶段。加速蠕变阶段是蠕变过程的第三阶段,该阶段内材料的塑性变形量快速增加,蠕变过程中形成的空洞逐渐长大至相互连接,裂纹逐渐扩展,材料的蠕变速率逐渐增加直至发生断裂。

本章在525℃下对316H不锈钢管开展了不同应力水平的蠕变试验。结合扫描和透射电子显微镜拍摄的显微图像对其在高温下的蠕变曲线,蠕变变形行为,析出相演化规律和断裂机制进行了研究,并且通过使用外推法和Larson-Miller参数法对熔敷金属和热影响区的断裂寿命进行预测。

1316H不锈钢管最小蠕变速率和应力的关系符合诺顿方程,低应力水平范围内(248~307MPa)的应力指数n=5.8,说明母材的蠕变变形机制是幂律蠕变机制。当应力水平超过371MPa时,应力指数n=24,远远偏离原来的趋势,此时的蠕变变形机制为幂率失效机制。

2)通过使用外推法和Larson-Miller参数法对母材在104h3×104h5×104h105h的持久强度进行预测,预测结果均高于同等时间下ASME标准中规定的316不锈钢母材在525℃最小蠕变断裂应力值。

3)高温蠕变试验后,Cr23C6在奥氏体晶界处析出。并且随着蠕变时间的增长,晶界处的Cr23C6明显粗化并相互连接,削弱奥氏体晶粒之间的结合力,同时粗大的Cr23C6会在晶界处造成一定程度的应力集中,使晶界处成为最薄弱的区域,在外加应力的作用下,裂纹容易在晶界处形成。

4316H不锈钢管525℃下的断裂机制为混合型断裂机制。断口形貌由韧性断裂区域,混合型断裂区域和沿晶脆性断裂区域组成。随着蠕变时间的增长,韧性断裂区域逐渐减少,沿晶脆性断裂区域逐渐增多。