應(yīng)變強化022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼室溫低周疲勞性能研究

閆永超，陳學(xué)東，楊鐵成，孔韋海，3，姜 恒

(1.浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江杭州 310014;2.合肥通用機械研究院 國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽合肥 230031;3.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥230009)

0 引言

奧氏體不銹鋼022Cr17Ni12Mo2具有優(yōu)良的高溫性能、低溫性能和抗腐蝕性能。由于應(yīng)變強化可以顯著減薄容器的壁厚、減輕容器的重量，降低成本和能源消耗，應(yīng)變強化奧氏體不銹鋼已被廣泛用于液化氣體的儲運。316L鋼(相當(dāng)于國內(nèi)022Cr17Ni12Mo2)已被公認是電力系統(tǒng)和核聚變反應(yīng)堆中重要構(gòu)件(如:液態(tài)金屬快速冷卻增值反應(yīng)堆)的首選試樣［1，4］。然而應(yīng)變強化設(shè)備常在由于溫度梯度變化或反復(fù)的加壓、卸壓所造成的疲勞環(huán)境中服役，疲勞失效成為設(shè)備的主要失效模式。因此，在應(yīng)變強化設(shè)備的設(shè)計和壽命評估中應(yīng)重點考察應(yīng)變強化材料的低周疲勞性能。

文獻［2］研究了早期冷加工對304不銹鋼低周疲勞性能的影響。研究結(jié)果表明:低應(yīng)變幅下(應(yīng)變幅小于0.3%)，預(yù)應(yīng)變10%，20%，30%提高了材料的疲勞壽命;而高應(yīng)變幅下，應(yīng)變強化材料顯示了較低疲勞壽命。同時文獻［3-4］的研究結(jié)果也表明，在較低的應(yīng)變幅下預(yù)應(yīng)變提高了材料的抗疲勞性能。

浙江大學(xué)鄭津洋教授團隊［5-6］研究了應(yīng)變強化對奧氏體不銹鋼疲勞性能的影響規(guī)律，研究表明:奧氏體不銹鋼1.4301在強化9%之后其疲勞性能在400～40000次循環(huán)內(nèi)會有一定提高。國內(nèi)對強化態(tài)國產(chǎn)材料的疲勞性能鮮有研究。

考慮到工程應(yīng)用中容器疲勞過程所經(jīng)歷的加載方式并非是對稱加載，文中通過改變應(yīng)變比的方式，研究了強化態(tài)022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼的室溫低周疲勞性能。

1 試驗方法與試驗結(jié)果

材料為022Cr17Ni12Mo2國產(chǎn)奧氏體不銹鋼，化學(xué)成分如表1所示。將經(jīng)過1050℃、保溫30 min固溶處理的板材加工成長210 mm、直徑20 mm的棒材，再將棒材分別經(jīng)過0，4%，8%(軸向伸長量)的預(yù)拉伸后加工成如圖1所示的疲勞試樣［7］。試驗前，用金相砂紙手工對疲勞試樣的工作段進行打磨、拋光。

表1 022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼的化學(xué)成分 %

圖1 室溫疲勞試樣幾何尺寸

應(yīng)變控制的室溫低周疲勞試驗在MTS809伺服液壓試驗機上進行。加載頻率0.5 Hz;加載波形為三角波;應(yīng)變幅的選取為控制最大應(yīng)變幅+1%，改變最小應(yīng)變幅分別為-1%，-0.5%，0，0.5%。疲勞壽命定義為穩(wěn)定循環(huán)(循環(huán)半壽命)峰值應(yīng)力下降20%時的循環(huán)圈數(shù)，記錄循環(huán)過程的應(yīng)力—應(yīng)變遲滯回線。采用掃描電子顯微鏡觀察斷口的微觀組織形貌，同時對斷口區(qū)域進行X射線衍射分析(XRD)。

應(yīng)變強化022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼室溫低周疲勞試驗結(jié)果如表2所示，其中 Δεt/2，Δεe/2，Δεp/2，(Δσ/2)1，(Δσ/2)sat分別為試樣的總應(yīng)變幅、彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅、第1圈的循環(huán)應(yīng)力幅、穩(wěn)定循環(huán)應(yīng)力幅。固溶處理(ST)與早期應(yīng)變強化(PSS)試樣的應(yīng)變—壽命曲線(S—N曲線)如圖2所示。結(jié)合表2與圖2可以看出，與ST試樣相比，PSS試樣顯示了較低的疲勞壽命，說明在早期預(yù)應(yīng)變量小于10%的情況下，應(yīng)變強化降低了材料的疲勞壽命。隨著應(yīng)變幅的增加，ST試樣疲勞壽命下降幅度大于PSS試樣，進而兩者疲勞壽命之間的差距變小;4%PSS與8%PSS試樣的疲勞壽命相差不大。隨著應(yīng)變比的增加，ST和PSS試樣的疲勞壽命平穩(wěn)上升，當(dāng)應(yīng)變比增加到-0.5時，疲勞壽命急劇增加。

表2 固溶處理與早期應(yīng)變強化(4%，8%)試樣的室溫低周疲勞性能

圖2 ST與PSS試樣的S—N曲線

2 應(yīng)變強化材料的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)

各試樣在不同應(yīng)變幅下峰值應(yīng)力與循環(huán)圈數(shù)的關(guān)系見圖3。ST試樣在初始幾圈循環(huán)中，峰值應(yīng)力增加(硬化)，隨后下降(軟化)直至達到穩(wěn)定的應(yīng)力響應(yīng)，最后階段由于宏觀裂紋的出現(xiàn)，峰值應(yīng)力快速下降;PSS試樣顯示了連續(xù)軟化的應(yīng)力響應(yīng)(4%PSS試樣在應(yīng)變幅0.25%，8%PSS試樣在應(yīng)變幅0.25%，0.5%)。隨著預(yù)應(yīng)變程度的提高，應(yīng)變強化材料的軟化更加充分。

循環(huán)軟化現(xiàn)象已在應(yīng)變強化304LN，316奧氏體不銹鋼以及高強度合金鋼中得到報道［2，8-9］。當(dāng)位錯的湮滅率大于其增加率或位錯重排發(fā)生時，應(yīng)變強化和具有早期高位錯密度材料將會出現(xiàn)循環(huán)軟化行為，導(dǎo)致位錯密度的凈減少和位錯平均自由程的增加［8］。反之，在初始循環(huán)幾圈，當(dāng)位錯的生成率高于其湮滅率時，材料將表現(xiàn)出早期循環(huán)硬化應(yīng)力響應(yīng)行為。

3 應(yīng)變強化對材料疲勞壽命的影響

圖3 峰值應(yīng)力隨循環(huán)圈數(shù)的變化規(guī)律

有研究表明［2，8，10-11］，拉伸預(yù)應(yīng)變降低了整個應(yīng)變幅范圍內(nèi)的疲勞壽命;壓縮預(yù)應(yīng)變則提高了低應(yīng)變幅下強化態(tài)材料的疲勞壽命，而大應(yīng)變幅下，由于預(yù)應(yīng)變材料延性的降低，疲勞壽命要低于固溶態(tài)材料。

圖4示出了ST和PSS兩種試樣彈性應(yīng)變幅Δεe/2、塑性應(yīng)變幅Δεp/2與疲勞壽命的關(guān)系，兩條線的交點為過渡疲勞壽命。隨著早期預(yù)應(yīng)變程度的提高，材料的過渡疲勞壽命降低，循環(huán)過程中彈性應(yīng)變幅占的比重增加。因此，8%PSS試樣顯示了較高彈性應(yīng)變范圍內(nèi)疲勞抗力。

圖4 試樣彈性應(yīng)變幅與塑性應(yīng)變幅疲勞抗力比較

圖5示出ST與PSS試樣的斷口形貌?？煽闯?，在所有應(yīng)變幅下，兩種材料的裂紋萌生、擴展模式均為穿晶擴展。經(jīng)測量，ST，4%PSS，8%PSS試樣在應(yīng)變幅1.0%時的裂紋擴展距離分別為6.08，5.31，4.76 mm，單個輝紋寬度的測量結(jié)果分別為 15.56，6.06，5.18 μm。測量結(jié)果表明，PSS試樣裂紋擴展距離、疲勞輝紋寬度小于ST試樣，并且隨著早期預(yù)應(yīng)變程度的提高，兩者都呈現(xiàn)下降的趨勢。這與表2中PSS試樣表現(xiàn)較低的全應(yīng)變疲勞壽命相對應(yīng)。結(jié)合疲勞試樣斷口金相圖(見圖6)與X射線衍射結(jié)果(見圖7)表明，ST與PSS試樣在疲勞過程中無形變馬氏體產(chǎn)生。

圖5 各試樣在1.0%應(yīng)變幅下的斷口形貌

4 應(yīng)變強化材料壽命預(yù)測方程

Manson—Coffin方程為常用的低周疲勞壽命預(yù)測模型，其表達式如下:

圖6 各試樣疲勞斷口金相圖

圖7 各試樣在1.0%應(yīng)變幅下的斷口X射線衍射結(jié)果

E——試樣的彈性模量

2Nf——試樣發(fā)生破壞時的反向循環(huán)圈數(shù)

b——試樣的疲勞強度指數(shù)

c——試樣的疲勞延性指數(shù)

ST與4%PSS，8%PSS試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果分別為:

圖8示出對ST與PSS試樣疲勞壽命實測結(jié)果與Manson―Coffin方程預(yù)測結(jié)果的比較，可看出，Manson―Coffin方程可以很好地預(yù)測ST與PSS試樣的疲勞壽命，分散帶為2倍。同時Manson―Coffin方程更能準(zhǔn)確地預(yù)測4%PSS試樣的疲勞壽命，分散帶僅為1.5倍。

圖8 ST與PSS試樣低周疲勞壽命預(yù)測結(jié)果

5 結(jié)論

(1)在循環(huán)數(shù)不超過18339次時，控制總應(yīng)變幅為0.25%，0.50%，0.75%，1.00%，應(yīng)變強化(4%PSS，8%PSS)降低了 022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼的低周疲勞壽命。4%PSS，8%PSS試樣的疲勞壽命相差不大。隨著變形量的增加，過渡疲勞壽命降低。ST與PSS試樣的裂紋萌生、擴展模式均為穿晶擴展。

(2)除預(yù)應(yīng)變4%試樣在應(yīng)變幅0.25%以及預(yù)應(yīng)變8%試樣在應(yīng)變幅0.25%，0.5%表現(xiàn)了初始的快速軟化，ST和PSS試樣顯示了初始循環(huán)硬化，隨后軟化，達到穩(wěn)定循環(huán)直至最后斷裂的應(yīng)力響應(yīng)。隨著預(yù)應(yīng)變程度的提高，強化態(tài)材料的軟化更加充分。軟化的出現(xiàn)源于位錯的湮滅率高于其生成率。

(3)建立了應(yīng)變強化材料的Manson―Coffin方程表達式，分散帶控制在2倍以內(nèi)，為應(yīng)變強化設(shè)備的設(shè)計和壽命評估提供了參考。

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