316L不銹鋼表面納米化的疲勞性能分析

鄭慧娟，鐘蜀暉

（貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

316L不銹鋼為應(yīng)用廣泛的奧氏體不銹鋼之一，其優(yōu)良的材料性能被用于建筑材料、石油、化工、原子能、海洋環(huán)境等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。隨著其性能的不斷優(yōu)化，未來(lái)將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用空間。由于工程材料的失效大多源于其表面，因此很多工程上如若改善材料的表面性能就可以改善材料的綜合性能和使用壽命，提高材料的利用率。隨著金屬材料表面技術(shù)的發(fā)展，早在1999年前KLu和JLu提出了金屬材料表面納米化。該技術(shù)通過(guò)機(jī)械處理使材料表面獲得一層納米晶粒，從而改變金屬材料抗疲勞、耐磨、耐蝕等性能.同時(shí)可有效提高金屬材料的力學(xué)性能和壽命，降低工程成本，減少事故的發(fā)生。因此，研究金屬材料的疲勞具有十分重要的工程意義。

本文采用高速旋轉(zhuǎn)絲刷，對(duì)316L不銹鋼進(jìn)行表面納米化處理，通過(guò)KYKY2800B型掃描電鏡對(duì)材料納米化前和納米化后的疲勞形貌進(jìn)行觀察并分析其疲勞產(chǎn)生的原因。

1 材料的尺寸及性能

根據(jù)疲勞試驗(yàn)對(duì)試樣的要求以及考慮到充分提高材料的利用率，更加符合應(yīng)力情況的變化規(guī)律，使試樣在中間處斷裂，盡量將實(shí)驗(yàn)做到效果最好。綜合考慮以上因素，本文選取316L不銹鋼尺寸見(jiàn)圖1，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 316L不銹鋼化學(xué)成分

2 掃描電鏡的分析

本試樣利用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)CSS－280H－100分別對(duì)316L不銹鋼試樣高速旋轉(zhuǎn)絲變形表面納米化前后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)量程為100 kN，載荷精度為0.2%，試驗(yàn)溫度為室溫。試驗(yàn)采用力控制操作，拉壓對(duì)稱循環(huán)（應(yīng)力比 R＝－1），試驗(yàn)頻率設(shè)置為10 Hz，激勵(lì)波形選擇正弦波，加載時(shí)設(shè)置均布應(yīng)力為221.5 MPa。最終試樣在中間處斷裂即應(yīng)力集中的地方斷裂，因此避免應(yīng)力集中能有效的提高試樣的壽命。

電鏡分析是金屬材料分析疲勞失效的常用方法之一，通過(guò)掃描電鏡可以有效地分析金屬材料端口的形貌。一般情況，在掃描電鏡下可以清楚的看到斷口分為三個(gè)典型區(qū)域：裂紋的起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)以及瞬斷區(qū)。本文主要通過(guò)掃描電鏡分析 316L不銹鋼裂紋形成的原因和影響其疲勞的因素。

2.1 斷口起源區(qū)的形貌分析

將試樣放在KYKY2800B型掃描電鏡下，分別將倍數(shù)調(diào)至600倍以及1200倍觀察材料納米化前后的裂紋起源區(qū)分布，其結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 表面納米化前起源區(qū)

圖2 所示的A區(qū)是表面納米化之前的裂紋的疲勞源，圖3所示的C區(qū)是表面納米化之后的裂紋的疲勞源。從圖2可以看出疲勞裂紋從試樣表面開(kāi)始萌生，然后向前緩慢的擴(kuò)展。疲勞源區(qū)較為光亮，呈橢圓形。從圖3可以看出試樣表面納米化后出現(xiàn)一層較薄的納米層，厚約2 um，厚度不均勻。C區(qū)為裂紋源區(qū)，納米層晶粒細(xì)小、致密、強(qiáng)度較高，裂紋從納米層的下方即過(guò)渡層開(kāi)始，隨后開(kāi)始擴(kuò)展、延伸。由于納米層的厚度不均勻，裂紋從納米層比較薄弱的地方開(kāi)始萌生，擴(kuò)展。綜上分析可知金屬材料表面納米化之后其表面強(qiáng)度將會(huì)得到顯著提高，裂紋一般從納米層比較薄弱的地方開(kāi)始萌生，因此只要提高納米層的厚度和均勻度就可以有效提高金屬材料的壽命。

2.2 斷口擴(kuò)展區(qū)的形貌分析

將試樣放在KYKY2800B型掃描電鏡下，分別將倍數(shù)調(diào)至600倍以及400倍觀察材料納米化前后的裂紋擴(kuò)展區(qū)分布，其結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。

擴(kuò)展區(qū)在裂紋的起源區(qū)和瞬斷區(qū)之間，從圖4可以看出斷口上大部分的疲勞條帶呈連續(xù)性，個(gè)別地方的疲勞條帶斷續(xù)分布。隨著裂紋的向前擴(kuò)展，條帶變得越來(lái)越寬，表明裂紋越來(lái)越大，越來(lái)越趨于瞬斷區(qū)。從圖5可以看出表面納米化后材料的疲勞條帶沒(méi)有表面納米化前的疲勞條帶明顯，由此可看出在同等條件加載的情況下，表面納米化之后的材料抗拉要高，即材料的抗拉強(qiáng)度越高，越不易形成疲勞條帶。

圖4 表面納米化前擴(kuò)展區(qū)

圖5 表面納米化后擴(kuò)展區(qū)

2.3 斷口瞬斷區(qū)形貌分析

將試樣放在KYKY2800B型掃描電鏡下，分別將倍數(shù)調(diào)至18倍以及 31倍觀察材料納米化前后的裂紋瞬斷區(qū)分布，其結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 表面納米化前瞬斷區(qū)

圖7 表面納米化后瞬斷區(qū)

圖6 、圖7顯示了斷口瞬斷區(qū)的宏觀形貌。圖6瞬斷區(qū)以圓弧線的形式向前延伸，圖片放大后看到局部有一些韌窩、小裂紋最后失穩(wěn)斷裂，形成了瞬斷區(qū)。納米化之后的試樣由于試樣兩面都有納米層，納米層部分比較致密，最終瞬斷區(qū)發(fā)生在離納米層0.4 mm處。

3 結(jié)束語(yǔ)

第一，高速旋轉(zhuǎn)絲刷表面表面納米化前和納米化后的斷口都顯示三個(gè)典型的區(qū)域：裂紋的起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)。

第二，納米化前裂紋主要在試樣表面萌生，納米化后由于納米層比較致密，裂紋主要在納米層的下方萌生。

第三，由于納米層厚度不均勻，納米化后試樣一般在納米層薄弱處萌生。因此，提高納米層的均勻度和厚度能有效提高試樣的壽命。

第四，從疲勞條帶可以看出材料表面納米化有利于提高試樣的強(qiáng)度。

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[2]辛素敏，鐘蜀暉，洪京京.316L不銹鋼表面納米化后疲勞機(jī)理分析[J].科學(xué)之友，2008（29）：100.

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