摘　要：針對(duì)火電廠常用高溫高壓螺栓材料25Cr2Mo1V鋼常因松弛失效導(dǎo)致脆性斷裂事故這一現(xiàn)象，從損傷力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合無(wú)損探傷理論，提出用超聲波與聲發(fā)射特性評(píng)估火電廠高溫高壓汽缸連接螺栓松弛損傷失效方法，并使所測(cè)損傷參變量實(shí)現(xiàn)量化。
關(guān)鍵詞：超聲波；定量評(píng)估；火電廠；螺栓；松弛失效

1　螺栓松弛損傷失效常規(guī)分析方法及損傷力學(xué)觀點(diǎn)
　　
由于耐熱鋼螺栓，在運(yùn)行工況下，長(zhǎng)期承受高溫和應(yīng)力作用時(shí)，它處于松弛與蠕變過程中，在其鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生各種不同程度的損傷現(xiàn)象。若按物理學(xué)觀點(diǎn)從細(xì)觀角度來看，松弛和蠕變損傷可看作是材料中位錯(cuò)、孔穴、孔洞、裂隙等不連續(xù)微缺陷的萌生和不斷長(zhǎng)大的發(fā)展結(jié)果。若按化學(xué)觀點(diǎn)從金相角度來看，松弛和蠕變損傷則表現(xiàn)出一些局部區(qū)域產(chǎn)生碳化物MO2C或MO23C5、石墨區(qū)，形成碳化物網(wǎng)與球化區(qū)，構(gòu)成孿晶界、擠入槽、滑移帶和石黑化區(qū)等金相微觀圖象。若按力學(xué)觀點(diǎn)從宏觀角度來看，松弛和蠕變損傷則表現(xiàn)為鋼材的強(qiáng)度、剛度、韌度、彈性、塑性、硬度和粘塑性等一系列高溫和常溫下宏觀力學(xué)性能的降低或劣化。若按熱力學(xué)觀點(diǎn)從耗能角度來看，松弛和蠕變損傷又可認(rèn)為是鋼材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的一種不可逆的耗散能量的變化過程。因此，對(duì)耐熱鋼螺栓進(jìn)行松弛和蠕變損傷的力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)著重針對(duì)因松弛和蠕變損傷所引起的宏觀力學(xué)效應(yīng)及其最終導(dǎo)致斷裂破壞的演變規(guī)律提出損傷力學(xué)解決方法。

2　描述受損材料的內(nèi)部狀態(tài)變量
　　
耐熱鋼螺栓在高溫和一定預(yù)緊應(yīng)力作用下，隨著運(yùn)行時(shí)間延續(xù)其應(yīng)力隨時(shí)降低的同時(shí)，其產(chǎn)生的不可逆蠕變應(yīng)變也隨時(shí)增長(zhǎng)，這種宏觀力學(xué)效應(yīng)反映出鋼螺栓受力變形過程中，其內(nèi)部萌生孔穴、孔洞和微裂紋及其擴(kuò)展，從而導(dǎo)致螺栓的有效承載截面積逐漸減小，同時(shí)在這些內(nèi)部缺陷之間也發(fā)生相互作用及其應(yīng)力與應(yīng)變重新分布等。為了很好地反映這種長(zhǎng)期松弛和蠕變過程中鋼材受損傷狀態(tài)，可以引用現(xiàn)代固體力學(xué)中連續(xù)損傷力學(xué)的內(nèi)部狀態(tài)變量來描述。
　　
考慮到鋼材內(nèi)部因松弛和蠕變（實(shí)質(zhì)上是粘塑性狀態(tài)）損傷所致的細(xì)觀缺陷數(shù)目眾多、形狀各異、分布不勻、強(qiáng)弱不等的千差萬(wàn)別，連續(xù)損傷力學(xué)將這類損傷所致的細(xì)觀缺陷的存在與演變時(shí)的力學(xué)效應(yīng)，通過引入一抽象的被稱為連續(xù)損傷變量的內(nèi)部狀態(tài)變量來描述它。對(duì)于損傷變量D的定義，從受損傷材料介質(zhì)中取出任一損傷微體元（如圖1所示），它是一個(gè)宏觀尺度范圍內(nèi)的受損傷材料的損傷微體元，其尺寸足夠大以致于可含大量的微缺陷，但它又十分地小，可以看作是一個(gè)材料介質(zhì)點(diǎn)，以致于連續(xù)損傷力學(xué)的概念可以被引用。若假設(shè)被法向規(guī)定的該單元任一截面的全面積為S，而因松弛與蠕變損傷在該面積S內(nèi)產(chǎn)生的受損面積為SD，則可將比值D＝SD／S定義為損傷變量沿該截面法線方向的分量。若比值SD／S與截面的方向無(wú)關(guān)，則此情況下的損傷變量為一標(biāo)量，屬各向同性損傷問題；若比值SD／S與該截面的方向n有關(guān)，則此情況下的損傷變量具有張量性質(zhì)，屬各向異性損傷問題。因此，力學(xué)中描述受損傷材料的損傷狀態(tài)之損傷變量，可以是標(biāo)量、矢量、二階張量或四階張量等，可用它來概括描述損傷性狀。

鋼螺栓在高溫和一定預(yù)緊應(yīng)力作用下拉伸引起越來越大的蠕變應(yīng)變?chǔ)舙和萌生孔洞與微裂紋及其擴(kuò)展形成滑移并伴有碳化物析出形成碳化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等，從而導(dǎo)致螺栓承載截面上一部分有效承載面積逐漸減少，另一部分受損面積隨即增大。為了切實(shí)反映這種松弛與蠕變損傷性狀，基于連續(xù)損傷力學(xué)引入有效應(yīng)力概念，由圖1可知，若作用在全面積S上的力為F，則σ＝F／S。定義D＝SD／S，那么有效承載面積為，而有效承載面積上作用的有效應(yīng)力為：

3　用超聲波與聲發(fā)射特性表征鋼材的損傷變量
　　
科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，聲波在材料中的傳播速度與材料的彈性模量等密切相關(guān)。因此，材料受損傷會(huì)引起聲波在材料中傳播速度的改變。這樣就可以通過測(cè)定聲波速度來估算材料的損傷程度。
　　
當(dāng)聲頻大于20kHz時(shí)，各向同性材料（如鋼材）中的聲速與其彈性常數(shù)（E、G、υ、λ）和密度ρ具有下述關(guān)系：縱向聲速

式中ρ為材料密度；E為材料彈性模量；G為材料剪切彈性模量；v為材料泊松比；