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JB 4732-1995即《钢制压力容器——分析设计标准》中指出，在考虑疲劳强度的条件下，Q345R的最高许用设计温度为375℃。GB 150-2011即《压力容器》中提出，Q345R在静载条件下的最高许用设计温度为475℃。
本文研究了循环应力比对Q345R钢性能的影响，有利于开发Q345R钢在高温条件下的加工、应用上的新思路，有利于保证压力容器的安全使用。
压力容器用钢Q345R的服役环境多为高温、交变载荷作用，循环应力对压力容器钢性能的影响不可忽视。本文对Q345R施加一定周次的疲劳预损伤，使用常温拉伸试验方法测定力学性能，研究了不同循环应力比预损伤Q345R性能的变化规律，还考虑了应力水平、循环周次和温度的影响。结果表明，一定周次的高温低周疲劳损伤使Q345R的强度增加、塑性减小，应力水平较高时提高损伤周次，硬化程度增加；循环应力比对Q345R的性能有显著影响，拉压载荷作用下，随着循环应力比的减小，Q345R强度增加、塑性减小；研究还发现Q345R在常温和高温循环特性不同，在高温发生循环硬化，在常温发生循环软化，常温低应力水平预损伤使Q345R强度降低。
关键词：循环应力比，预损伤，Q345R，力学性能
目 录
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 金属材料疲劳行为 3
1.2.1 金属疲劳损伤机制 3
1.2.2 疲劳初期力学性能变化 5
1.3 金属材料韧性断裂和断口特征 9
1.4 循环应力比对材料疲劳行为的影响 10
1.5 实验内容 10
2 实验方案 12
2.1 金相组织观察 12
2.1.1 原始金相组织观察 12
2.1.2 预损伤样品金相组织观察 12
2.2 常规力学性能测试 13
2.2.1 试样设计与仪器介绍 13
2.2.2 常规拉伸实验 15
2.3 变损伤周次的高温预损伤实验 16
2.4 变应力水平的高温预损伤实验 17
2.5 变循环应力比的高温预损伤实验 17
2.6 常温预损伤实验 18
3 结果分析 19
3.1 金相组织观察结果 19
3.1.1 原始金相组织观察 19
3.1.2 预损伤样品金相组织观察 19
3.2 常规力学性能实验结果 20
3.3 变损伤周次的高温预损伤实验 20
3.3.1 循环曲线特征 20
3.3.2 力学性能结果与变化规律 21
3.3.3 断口观察与分析 24
3.4 变应力水平的高温预损伤实验 25
3.4.1 力学性能结果与变化规律 25
3.4.2 断口观察与分析 27
3.5 变循环应力比的高温预损伤实验 29
3.5.1 循环曲线特征 29
3.5.2 力学性能结果与变化规律 32
3.5.3 断口观察与分析 33
3.6 常温预损伤实验 35
3.6.1 循环曲线特征 35
3.6.2 力学性能结果与变化规律 36
3.6.3 断口观察与分析 37
结论 39
致谢 40
参考文献 42
1绪论
1.1研究背景
压力容器是一种生活中常见的承压类特种设备，是指设计成能承受一定压力作用以盛装液体或气体的密闭容器，其主要使用场合在石油、化工等行业领域。压力容器由于其独特的使用性质，服役过程中容器内部与外部存在一定的压力差，当此压力超过压力容器壁板所能承受的极限时，压力容器将发生破坏。
近些年来, 随着我国石油化工企业的高速发展, 越来越多的压力容器开始投入生产使用，抽样调查结果显示，近五年以内投入使用的压力容器的安全状况等级都在2级及以上，石化企业的管理制度健全完善取得了不错的成效，但是安全隐患问题依然不容忽视[1]。在我国压力容器的使用发展历史上，发生过多起严重的压力容器失效破坏事故，造成了不同程度的人员伤亡和大量经济损失，安全性能成为压力容器设计制造使用过程中的重点关注问题。导致压力容器产生安全隐患的原因有多个方面，有材料本身质量的先天不足、苛刻的服役环境造成的严重腐蚀、超期服役的现象存在以及制造技术方面的问题等。我们重点关注材料方面的问题。早期生产制造的压力容器缺乏有效的质量控制，导致80年代成为压力容器事故的高发期，几十年来我国压力容器质量监督体系逐渐发展和完善，基于断裂力学理论的缺陷安全性评估活动广泛开展，压力容器事故率大大降低[2]。
在压力容器的服役过程中，罐体常常承受循环交变载荷作用，因此，对于压力容器设备来说，由于疲劳导致的破坏是其主要的失效模式之一，而压力容器的应力循环次数通常只有几千次，故属于低周疲劳的范畴[3]。随着压力容器的不断发展，压力容器设备趋于大型化和复杂化，各项性能的标准也在提高，对生产工艺的要求也越来越严格。同时，压力容器的使用温度也在不断提高。环境温度对金属材料的性能的影响也不可忽视，可能导致材料力学性能的下降和内部组织的改变等，也就是说常温条件下符合安全使用标准的材料在高温环境下将不再安全，研究压力容器材料的高温性能变化意义重大。
压力容器的材质主要包括金属材料和部分复合材料，钢是压力容器选材的主流。考虑经济适用原则和性能适用原则，碳素钢、低合金钢和不锈钢都有其独特的优点[4]。本次实验选用的的材料Q345R，常温下屈服强度为345MPa，是一种具有良好加工工艺性能和综合力学性能的高强度低合金钢，也是目前我国应用最广泛以及使用量最大的压力容器专用钢板。GB 713-2014中对Q345R的化学成分规定已在表1.1中列出。由表可以看出，Q345R碳含量较低，相较一般的碳素结构钢Q345R具有较大的屈服强度，钢材的塑性良好，易于冷热加工成型。Q345R添加的合金元素较低，材料的强度、韧性好，热处理工艺简单，通常热轧态即可投入使用。钢板中添加的Nb、V、Ti元素的含量应在材料质量证明书中说明，Nb、V、Ti促进碳化物形成的能力强，Q345R钢板在高温轧制过程中，容易发生回复与再结晶，Nb、V、Ti可以形成碳化物，在晶界聚集产生钉扎作用，抑制晶粒的长大，防止晶粒粗化；Nb、V、Ti元素的存在还可以细化晶粒，产生固溶强化，提高钢材的强度和韧性。P和S元素对钢铁来说是有害元素，会增加材料的冷脆性和热脆性，使钢材生产使用过程中易产生裂纹，造成性能的下降和潜在的风险隐患，所以要严格控制P和S元素的含量。
