背景简介

材料的机械性能在所有工程领域都起着至关重要的作用。在实验室进行大规模的模拟测试，类似于实际操作条件，是反映实际结构部件性能的最佳方法。在高温下工作的部件，如化石燃料发电厂相关设备，在启停过程中，经常受到循环热应力的影响。提高火力发电厂的工作温度是提高热力学效率的最有效的方法之一，然而温度和压力的增加使蒸汽的压力增加，引发的压力波动导致设备不可避免地会遭受疲劳损伤。在过去的几十年里，铬含量为9%-12%的铁素体马氏体钢已被广泛用于化石燃料发电厂和核电站。尽管目前已经进行了大量的研究，以确定影响铬含量为9%-12%的铁素体马氏体钢材料在高温条件下的疲劳破坏机制和疲劳寿命的关键因素，但测试大多是在每一级应变振幅的单一试验中进行的。相对有限的实验数据会导致对疲劳性能和疲劳寿命预测的不准确估计。因此，需要一个可靠的关于温度依赖性的实验数据库，以准确估计疲劳寿命，并确定循环应力应变响应行为、疲劳断裂机制。

成果介绍

（1）图1显示了不同循环的滞后曲线的比较，即从第1个循环到半寿命循环，在25℃以及1.0%的应变幅下的测试。拉伸和压缩的滞后环几乎是不对称的。第五个循环的最大和最小应力振幅的绝对值最高，而半寿命循环周期的数值明显低于其他周期的数值，在高温下得到的结果是类似的，如图1（b和c）所示。最大/最小应力振幅对循环次数的变化表明，循环应力反应可能表现为两个相反的阶段，即循环硬化和循环软化。在拉伸载荷下的第一个应力-应变滞后环的部分相当于单调的应力-应变曲线的一部分（图1）。

图1 在1%的应变幅条件下，不同周次的滞回环特征(a)在25℃，(b)在538℃，(c)在566℃，以及(d)不同测试温度，1%的应变幅下稳定滞回环的比较

（2）疲劳裂纹萌生点位于外表面，由黄色虚线表示。裂纹萌生部位完全平坦，并饰有切面，而在扩展区域观察到辉纹痕迹，这是疲劳断裂的一个典型特征。随着与原始裂纹萌生点距离的增加，辉纹的形态逐渐变得粗糙和更明显。此外，在横向于主裂纹扩展方向的方向上也观察到一些次生微裂纹（图2）。

图2 在538℃下测试的P91钢在0.5%的应变幅下的宏观和微观疲劳断裂表面。(a)宏观图像，(b)疲劳裂纹萌生点，以及(c和d)断裂表面的微观图像。

（3）图3显示了裂纹尖端附近区域的EDS图。EDS图谱也证实了在疲劳裂纹路径的内部区域，Al、Si的比例较高。在较高应变下测试的试样的断裂处和外表面很少观察到氧化物的沉积（未显示）。在高应变幅下，由于循环次数较少，暴露在高温下的时间相对较短，环境因素可能不太会影响试验结果。环境因素可能没有足够的时间与试样表面相互作用。与此相反，随着应变幅的降低，试样将在高温下暴露在空气环境中的时间非常长，这为环境作用下的疲劳寿命下降提供了足够的时间，例如形成氧化，可以促进氧化增强的跨晶粒断裂。因此，疲劳寿命因多重裂纹的产生而降低。值得注意的是，氧化物的形成不仅会诱发早期裂纹的产生，而且会加速裂纹的扩展速度，导致疲劳寿命缩短（图3）。

图3微裂纹尖端附近区域的EDS分布图。

致谢

这项工作得到了韩国能源技术评估和规划研究所（KETEP）的资助，由贸易、工业和能源部（MOTIE）资助（No. 20181110100410）。本文通讯作者：Baek U B（Center for Energy Materials Measurement, Division of Industrial Metrology, Korea Research Institute of Standard and Science (KRISS), 267 Gajeong-Ro, Yuseoung-Gu, Daejeon 34113, Republic of Korea）。

本期小编：王康康（整理）

杨逸璠（校对）

程　航（审核）

闵　琳（发布）