高壓氣瓶4130X鋼低周疲勞特性及疲勞設計曲線探討

趙廣洲,鮑文杰,陳 凡,曹文紅,黃國明,夏 明,周昌玉,賀小華

(1.南京工業大學 機械與動力工程學院,南京 211816;2.浙江藍能氫能科技股份有限公司,浙江紹興 312369)

0 引言

近年來,高速增長的天然氣、氫氣等能源氣體的工業需求,推動了儲氣容器市場的迅速發展[1-3]。氣瓶充放氣體速度快,結構簡單,便于制造,是現階段主要的儲氣方式。氣瓶工作壓力高,充裝介質易燃易爆,氣瓶的使用安全問題尤其重要[4]。我國2012年出臺了GB 28884—2012《大容積氣瓶用無縫鋼管》,此標準針對 30CrMoE(AISI 4130X)與 42CrMoE(AISI 4142)這兩種材料,規定了制造大容積氣瓶所用無縫鋼管的化學成分、尺寸、外形、重量及允許偏差、技術要求、試驗方法和檢驗規則等。

氣體充裝會使氣瓶產生疲勞和疲勞裂紋擴展,最終導致氣瓶的疲勞失效[5]。對氣瓶材料4130X進行疲勞設計或者疲勞壽命預測等都離不開材料的低周疲勞設計曲線。

很多學者曾經開展了各種材料疲勞設計曲線研究,采用多種模型分析回歸疲勞設計曲線。黃文龍等[6-7]運用Manson-Coffin模型獲得了國產核容器用鋼S271和乙烯球罐用鋼CF-62的應變-壽命曲線,獲得了材料不同存活率的疲勞設計曲線。范志超等[8]通過應力疲勞模型獲得了420 ℃時16MnR鋼的疲勞設計曲線,對JB 4732—1995疲勞設計曲線作了有益的補充。SARKAR[9]針對923 K下316N不銹鋼,采用應變控制與應力控制接續疲勞試驗,提出了一種新的疲勞設計曲線模型。鄭津洋等[10]選用Langer模型對深冷環境下300系列奧氏體不銹鋼疲勞設計曲線計算方法進行了探討。周昌玉等[11]運用Manson-Coffin模型基于橋梁用鋼14MnNbq焊接接頭應變控制低周疲勞試驗,獲得了14MnNbq焊接接頭疲勞設計曲線。王東坡等[12]采用T形接管接頭形式進行了20鋼和奧氏體不銹鋼焊態與超聲沖擊處理態的疲勞對比試驗,通過Basquin模型得到了兩種材料不同應力比的疲勞設計曲線。UEMATSU等[13]研究了420型不銹鋼在激光金屬沉淀工藝(LMD)和常規制造(CMed)兩種工藝下的低周疲勞性能差異,給出了疲勞設計曲線。LIPSKI等[14]采用Manson-coffin模型比較研究了2024-T3合金和俄羅斯D16CzATW合金兩種材料的近似應變-疲勞壽命曲線和試驗曲線,采用7種方法得到了應變-壽命曲線參數。ZENG等[15]研究了選擇性激光熔融技術(SLM)制備的316L不銹鋼在熱等靜壓(HIP)熱處理下的疲勞性能,運用優化后的威布爾三參數模型得到S-N曲線。FEI等[16]采用旋轉彎曲疲勞試驗和疲勞可靠度設計方法,研究了165ksi級超高強度鉆鋼的疲勞性能,基于壽命分布模型和Basquin方程,得到了中長壽命階段的概率S-N曲線。

文獻研究結果表明研究人員對各種材料疲勞設計曲線研究已有了良好的基礎,王淞等[17]基于0.45%～1%對稱應變幅,探討了4130X鋼的低周疲勞軟化行為,但目前還缺少4130X鋼疲勞設計曲線。本文針對4130X鋼,開展應變控制疲勞試驗,探討4130X鋼疲勞循環特性,獲得適用于工程應用的疲勞設計曲線。

1 4130X鋼成分和拉伸力學性能

4130X鋼化學成分測試采用德國產臺式SPECTRO MAXx型直讀光譜儀。具體測試結果見表1,符合GB/T 28884—2012和TSG 21—2016《固定式壓力容器安全安全技術監察規程》中對4130X鋼化學成分的要求。

表1 4130X鋼化學成分測試結果

4130X鋼拉伸力學性能測試采用MTS-809液壓伺服材料試驗機,試驗為恒定應變速率控制,應變速率為2×10-4/s。拉伸試樣設計參照GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》。

拉伸試驗試樣取自氫氣瓶。沿氣瓶軸向取樣,測試試樣3根,測試結果均值如表2所示。根據拉伸試驗測試結果,材料拉伸力學性能達到GB/T 28884—2012標準對4130X鋼基礎力學性能的要求,同時也滿足企業瓶式容器殼體熱處理后的力學性能。

表2 4130X鋼拉伸力學性能

2 4130X鋼低周疲勞試驗

2.1 低周疲勞試驗方案

疲勞試樣取自氣瓶軸向,其尺寸按照GB/T 15248—2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》的要求設計,試驗前對試樣表面進行了拋光,確保表面粗糙度達到標準要求。試驗采用圓棒狀試樣如圖1所示。

圖1 疲勞試樣

試驗采用MTS-809液壓伺服材料試驗機。試驗方法參照GB/T 15248—2008,溫度為室溫,全程采用引伸計進行試驗數據采集。試驗采用應變控制模式,設置應變幅6個水平分別為0.45%,0.4%,0.35%,0.3%,0.25%,0.2%,每個應變水平設置6個有效試樣,試驗應變比R=-1。加載波形為三角波,為了控制試驗變量,試驗采用恒定應變速率3.2×10-2/s。疲勞壽命以試件有效斷裂為依據。試驗方案如表3所示。

表3 低周疲勞試驗方案

2.2 應變控制下4130X鋼循環特性

應變控制下材料循環軟化/硬化特征可通過低周疲勞變形期間應力峰值和谷值隨循環數的變化來反映。圖2示出應變控制下應力峰值σp與谷值σv的變化,橫坐標為歸一化的疲勞循環數N/Nf。圖2中,當循環應變幅εa為0.35%～0.45%時4130X鋼顯示出三階段循環軟化特征。循環變形階段Ⅰ,應力幅迅速下降,顯示出初始循環軟化特征。在此之后,循環變形階段Ⅱ,隨著循環次數的增加,應力幅緩慢下降。循環變形階段Ⅲ,4130X鋼顯示出急劇的軟化特征,由于微觀裂紋的快速擴展試樣很快斷裂。隨著應變幅的降低(0.3%～0.2%),4130X鋼疲勞初始階段顯示出短暫的循環硬化特征,而后應力幅隨循環周次的變化與應變幅為0.45%時的變化一致?？傮w而言,4130X鋼在應變幅為0.2%～0.45%時以循環軟化特征為主。

圖2 應變控制下應力峰值與谷值的演變

為了評估疲勞應變幅的改變對4130X鋼第二階段軟化行為的影響,現定義循環軟化速率[18]:

(1)

式中,Δσa為疲勞循環中第二階段應力幅之差,MPa;ΔN為對應壽命分數下的循環壽命之差,周。

不同應變幅下循環變形階段Ⅱ材料循環軟化速率和疲勞壽命與應變幅的變化見圖3?？梢钥闯?隨著應變幅的增加,循環軟化速率上升,疲勞壽命縮短。

圖3 應變控制下循環軟化速率與疲勞壽命的變化

3 低周疲勞壽命曲線

3.1 低周疲勞壽命模型

Manson-coffin模型形式較為簡單,引入參數較少,適用于多種材料,在疲勞試驗中廣泛應用。此外GB/T 15248—2008也推薦了Manson-coffin模型,因此采用Manson-coffin模型對4130X鋼的應變幅壽命曲線進行探討。

Manson-coffin模型為:

(2)

式中,Δεt為總應變范圍,%;Δεe為彈性應變范圍,%;Δεp為塑性應變范圍,%;σ′f為疲勞強度系數;ε′f為疲勞塑性系數;b為疲勞強度指數;c為疲勞塑性指數。

3.2 低周疲勞曲線回歸結果

采用Manson-coffin模型獲得的4130X鋼低周疲勞總應變幅、彈性應變幅、塑性應變幅試驗曲線如圖4所示,最佳擬合參數見表4。

圖4 彈性應變-壽命曲線、塑性應變-壽命曲線及

3.3 低周疲勞P-ε-N曲線

研究表明,疲勞壽命大多服從對數正態分布[19]。工程中,由于材料的化學成分、熱處理方法、加工制造等因素的離散性,對某一材料,ε-N曲線存在一定的隨機性,可表示為含存活率P為參數的一組P-ε-N曲線,這些曲線一般統稱為P-ε-N曲線。由Δε/2-2Nf的數據求得含有參數存活率P的P-Δε/2-2Nf曲線。

Xp=μ+upσ

(3)

式中,Xp為某一概率P水平下的壽命,周;μ為失效概率50%的平均壽命,周;up為與可靠度相關的標準正態偏量;σ為母體標準差。

利用Manson-coffin模型表達式(2),對疲勞壽命數據進行非線性回歸分析,獲得存活概率P=50%,97.725%,99%,99.865%,99.9%時的概率疲勞壽命曲線。P-Δε/2-2Nf的疲勞壽命曲線如圖5所示。

圖5 不同存活概率下4130X鋼應變幅-壽命曲線

4 4130X鋼疲勞設計曲線

疲勞設計曲線根據ASME Ⅷ-2—2021中應用的Langer[20]方法,在Manson-Coffin應變疲勞關系的基礎上建立虛擬應力幅和疲勞循環次數的關系。虛擬應力幅為應變疲勞壽命曲線的應變幅與材料楊氏彈性模量E的乘積,虛擬應力幅計算關系如下:

(4)

式中,Sa為虛擬應力幅,MPa;Δεt為總應變范圍,%。

4.1 考慮平均應力修正及安全系數的S-N曲線

通過材料疲勞試驗數據擬合得到的疲勞壽命曲線,即S-N曲線還需要對它進行必要的修正,并且考慮適當的安全系數之后才可以用于設計。其中,平均應力是一個重要的影響因素,為了滿足實際需要,必須考慮平均應力對應力幅值的影響。平均應力修正公式[21]如下:

(5)

式中,S′a為修正后的應力強度幅值,MPa;Sa為修正前應力強度幅值,MPa;Rm為材料抗拉強度,MPa;Rp0.2為0.2%規定非比例延伸強度,MPa。

當Sa≥Rp0.2時,S′a≥Sa,S-N曲線不需要做修正;當Sa

考慮平均應力影響后,還需要對S-N曲線取一定的安全系數。ASME Ⅷ-2—2021中對壽命安全系數取20,應力安全系數取2,取兩者的最低值作為疲勞設計曲線[22]。S-N曲線具體修正結果見圖6。

圖6 考慮平均應力修正和安全系數后的S-N曲線

4.2 疲勞設計曲線對比

將存活率P=50%和P=97.725%的4130X鋼的疲勞壽命曲線與ASME Ⅷ-Ⅱ(2021),JB 4732—1995(2005年確認)標準根據抗拉強度區分的兩條曲線一并作圖,如圖7所示。

圖7 疲勞-壽命曲線比較

對比4130X鋼疲勞設計曲線和ASME Ⅷ-Ⅱ,JB 4732—1995標準的兩條疲勞設計曲線(σuts≤552 MPa,σuts≤540 MPa和793 MPa≤σuts≤892 MPa)可以發現,疲勞循環壽命9 000次之前,標準的兩條曲線比4130X鋼的疲勞設計曲線略微保守,與概率97.73%疲勞設計曲線接近;疲勞循環壽命在9 000次之后,4130X鋼疲勞設計曲線略高于ASME Ⅷ-Ⅱ(σuts≤552 MPa),JB 4732—1995(σuts≤540 MPa)標準中的疲勞壽命曲線,低于793 MPa≤σuts≤892 MPa的疲勞設計曲線,高于概率97.73%疲勞壽命曲線。

根據GB/T 28884—2012對4130X鋼力學性能的要求,σuts≥720 MPa,根據拉伸試驗結果,抗拉強度均值為816 MPa,高于793 MPa。本文獲得的4130X鋼疲勞設計曲線,與規范中793 MPa≤σuts≤892 MPa的疲勞設計曲線有一定差異,略高于ASME Ⅷ-Ⅱ(σuts≤552 MPa),JB 4732—1995(σuts≤540 MPa)的疲勞設計曲線。

本文試驗結果表明,4130X鋼疲勞分析可采用本文提出的疲勞設計曲線或保守地采用ASME Ⅷ-Ⅱ(σuts≤552 MPa)和JB 4732—1995(σuts≤540 MPa)標準中對應材料的疲勞設計曲線。

5 結論

對大容積鋼制無縫氣瓶材料4130X鋼進行了應變控制疲勞試驗,分別研究了材料的循環特性、應變幅-壽命曲線、概率-應變-壽命曲線和4130X鋼的疲勞設計曲線,主要結論如下。

(1)應變控制下4130X鋼低周疲勞整體上呈現疲勞軟化三階段。隨著應變幅的增高,循環變形階段Ⅱ的循環軟化速率上升,疲勞壽命縮短。應變幅的增加增強了4130X鋼的軟化行為。

(2)根據低周疲勞試驗,基于Manson-Coffin模型,獲得了4130X鋼在恒定應變幅條件下的應變-壽命關系以及不同存活率下的概率應變壽命曲線。

(3)依據ASME Ⅷ-2和JB 4732—1995規范,獲得了4130X鋼疲勞設計曲線。獲得的4130X鋼疲勞設計曲線,與規范中793 MPa≤σuts≤892 MPa的疲勞設計曲線有一定差異,略高于ASME Ⅷ-Ⅱ(σuts≤552 MPa),JB 4732—1995(σuts≤540 MPa)的疲勞設計曲線。試驗結果表明,4130X鋼疲勞分析可采用本文提出的疲勞設計曲線或保守地采用ASME Ⅷ-Ⅱ(σuts≤552 MPa)和JB 4732—1995(σuts≤540 MPa)中對應材料的疲勞設計曲線。