空氣和腐蝕環(huán)境下雙相不銹鋼SAF2507的疲勞性能

俞樹(shù)榮，孟 愷，李淑欣

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050)

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空氣和腐蝕環(huán)境下雙相不銹鋼SAF2507的疲勞性能

俞樹(shù)榮，孟 愷，李淑欣

(蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050)

對(duì)超級(jí)雙相不銹鋼SAF2507分別在空氣和3.5%NaCl溶液中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，研究?jī)煞N介質(zhì)下SAF2507不銹鋼的疲勞性能。結(jié)果表明：宏觀(guān)上，雙相不銹鋼SAF2507在3.5%NaCl腐蝕環(huán)境中的疲勞強(qiáng)度較空氣中的下降幅度小，為空氣下的90%。但微觀(guān)上，空氣中疲勞斷口表現(xiàn)為韌性斷裂，在鐵素體和奧氏體相上呈現(xiàn)大量疲勞輝紋；腐蝕環(huán)境下，奧氏體為韌性斷裂，而鐵素體呈現(xiàn)解理斷裂模式。兩相上疲勞輝紋的寬度和間距隨著晶粒位向及二次裂紋的開(kāi)裂而不同。在奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的疲勞斷口中，不能根據(jù)疲勞輝紋的間距進(jìn)行相的鑒別。

雙相不銹鋼；腐蝕疲勞；疲勞輝紋；韌性斷裂

SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼因含有奧氏體和鐵素體兩種相，所以兼具鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)。在眾多優(yōu)良性能中其耐氯化物應(yīng)力腐蝕斷裂性能尤其突出，因此它已大量運(yùn)用于苛刻的介質(zhì)，尤其是含氯的環(huán)境中，如煉油廠(chǎng)海水熱交換器、海洋立管等[1]。海洋立管一方面受到來(lái)自海水的電化學(xué)腐蝕作用，另一方面受到海洋波浪力作用，這使得海洋立管的主要失效模式之一是腐蝕疲勞。目前關(guān)于雙相不銹鋼的研究大多集中于熱處理對(duì)雙相不銹鋼的力學(xué)性能和微觀(guān)結(jié)構(gòu)影響方面，鄒德寧等[2]、李少峰等[3]通過(guò)改變固溶溫度或固溶時(shí)間，發(fā)現(xiàn)隨著固溶溫度的升高，奧氏體相呈下降的趨勢(shì)，而伸長(zhǎng)率有明顯的增加。在920℃時(shí)，σ相大量析出，析出速率與時(shí)間成反比，且σ相的出現(xiàn)顯著降低了超級(jí)雙相不銹鋼的沖擊韌性。Calliari等[4]的研究表明材料的韌性與χ相和σ相有關(guān),而硬度在兩相含量不多時(shí)對(duì)兩相含量不敏感。僅有少部分關(guān)于雙相不銹鋼疲勞的研究是針對(duì)微觀(guān)裂紋萌生、發(fā)展展開(kāi)的，Alvarez-armas等通過(guò)SEM，EBSD對(duì)裂紋觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，相邊界延遲了裂紋尖端的推進(jìn)，從而阻礙了裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)氮原子對(duì)疲勞循環(huán)和微裂紋成核有顯著的影響[5,6]。Balbi等的研究表明在時(shí)效條件下，滑移更易在鐵素體相上出現(xiàn)[7]。而針對(duì)雙相不銹鋼腐蝕疲勞的研究則非常鮮見(jiàn)[8]。因此，本工作對(duì)雙相不銹鋼SAF2507在應(yīng)力比R=-1，循環(huán)基數(shù)為107的條件下進(jìn)行空氣和3.5%NaCl溶液環(huán)境中的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，研究?jī)煞N介質(zhì)下疲勞失效的特征及機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料為超級(jí)雙相不銹鋼SAF2507(00Cr25Ni7Mo4N)，其化學(xué)成分如表1所示。材料的熱處理狀態(tài)為固溶處理，其微觀(guān)組織如圖1所示，圖1(a)為掃描電鏡下試樣橫截面金相照片，圖1(b)為金相顯微鏡下試樣沿縱向截面的金相照片。可以看出在鐵素體基體上均勻分布著奧氏體組織。其中灰白色為奧氏體組織，約占65%(體積分?jǐn)?shù)，下同)，黑色為鐵素體基體，約占35%。常溫力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度953MPa，屈服強(qiáng)度569MPa，斷面收縮率74%，伸長(zhǎng)率27.87%。

表1 試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

圖1 SAF2507不銹鋼顯微組織 (a)橫向截面；(b)縱向截面Fig.1 Microstructure of SAF2507 stainless steel (a)traverse section;(b)longitudinal section

旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)采用如圖2所示的試樣。利用配有腐蝕裝置的多軸旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)(f=20～52.5Hz，R=-1)。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣和3.5%NaCl。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，腐蝕液的流量為0.8～1.0mL/min (15～20drops/min)。

圖2 旋轉(zhuǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)試樣尺寸Fig.2 The dimension of specimen for rotating bending fatigue test

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1S-N曲線(xiàn)

空氣和腐蝕環(huán)境下雙相不銹鋼SAF2507的S-N曲線(xiàn)如圖3所示。兩種環(huán)境下對(duì)應(yīng)的循環(huán)基數(shù)為107。采用升降法[9]測(cè)得空氣下的疲勞極限為640MPa，是抗拉強(qiáng)度的67%。3.5%NaCl腐蝕環(huán)境中的疲勞極限為580MPa，是空氣中的90%。3.5%NaCl腐蝕環(huán)境中， SAF2507的疲勞強(qiáng)度只降低了10%。這是因?yàn)镾AF2507含有較高含量的鉻、鉬、氮元素，其在氯離子環(huán)境中的抗腐蝕性能優(yōu)異，從而使其抗腐蝕疲勞性能增強(qiáng)，工程應(yīng)用的可靠性也明顯提高[10]。

圖3 空氣和腐蝕環(huán)境下SAF2507的S-N曲線(xiàn)Fig.3 The S-N curves in air and corrosive environments for duplex stainless steel SAF2507

2.2 空氣環(huán)境下的疲勞斷口特征

空氣下疲勞斷口形貌如圖4所示。圖4(a)是整個(gè)斷口形貌，可見(jiàn)明顯的疲勞裂紋萌生和不同的擴(kuò)展區(qū)。疲勞源從表面萌生后呈扇形向四周擴(kuò)展。A區(qū)斷面粗糙(見(jiàn)圖4(b))，由很多高低不同的解理小斷面組成。擴(kuò)展區(qū)第二階段B區(qū)斷面相對(duì)平整，在高倍下觀(guān)察到與疲勞裂紋擴(kuò)展方向垂直的很細(xì)的疲勞輝紋。大量的疲勞輝紋和二次裂紋在C區(qū)產(chǎn)生。由于試樣斷面增大，未斷截面應(yīng)力急劇增大，使得C區(qū)呈現(xiàn)出明顯的韌性斷裂，如圖4(c)所示。從該區(qū)可清楚地看到奧氏體相和鐵素體相的疲勞特征明顯不同。圖4(d)中疲勞輝紋細(xì)而密的是奧氏體相(γ)，上面分布著粗而疏的韌性條紋的是鐵素體相(α)。相的鑒別通過(guò)大量能譜結(jié)果分析可得。鐵素體相上的高鉻低鎳成分導(dǎo)致其鉻和鎳的元素比值比奧氏體相上的要高，鐵素體相上鉻和鎳比值平均為6.8，而奧氏體相上的為4.2。

圖4 空氣中疲勞斷口形貌(σa=650MPa,Nf=1.44×106cycles) (a)斷口全貌；(b)放大后的疲勞源區(qū)；(c)放大后的C區(qū)域；(d)C區(qū)域中的標(biāo)記處放大照片F(xiàn)ig.4 The fatigue fracture morphology in air(σa=650MPa,Nf=1.44×106cycles) (a)the whole fracture appearance; (b)magnification of fatigue origin;(c)magnification of region C；(d)magnification of marked region in region C

在高應(yīng)力680MPa下疲勞裂紋擴(kuò)展的第二階段B區(qū)的面積明顯增大，約占總面積的40%，如圖5(a)所示。斷口形貌呈現(xiàn)出典型的韌性斷裂特征，裂紋沿著奧氏體和鐵素體相內(nèi)部穿晶擴(kuò)展的同時(shí)，也沿著兩相界面擴(kuò)展，如圖5(b)所示，鐵素體相α和奧氏體相γ的疲勞輝紋間距相當(dāng)。C擴(kuò)展區(qū)的兩相界面處產(chǎn)生二次裂紋，因此在晶粒的側(cè)面方向產(chǎn)生不同于正面的疲勞特征。如圖5(c)所示鐵素體相α2和α3的側(cè)面α2b和α3b產(chǎn)生疲勞輝紋，而輝紋的寬度和間距隨著位置在變化，如α1上的疲勞輝紋寬度d1～d6。這種不規(guī)則的疲勞輝紋特征在不同應(yīng)力水平下的C擴(kuò)展區(qū)都清晰可見(jiàn)。因此，疲勞輝紋的特征除了與應(yīng)力水平有關(guān)，同時(shí)受晶粒取向的影響也很大。

然而，在雙相不銹鋼EN X6CrNiMoCu 25-6[11,12](奧氏體相占46%，鐵素體相占54%)和Zeron 100[13](奧氏體相占40%，鐵素體相占60%)疲勞斷口形貌中，作者明確表明由于兩相強(qiáng)度不同，鐵素體相的疲勞輝紋粗而稀疏，奧氏體相疲勞輝紋細(xì)而密。而本文所討論的SAF2507雙相不銹鋼除了在局部的兩相處觀(guān)察到該特征外，在整個(gè)斷口中并不具有共性。疲勞輝紋的間距具有很明顯的方位性，不同方位的晶粒在二次疲勞裂紋的擴(kuò)展中產(chǎn)生不同的疲勞輝紋。因此，疲勞輝紋呈現(xiàn)出非單一的特征。

2.3 腐蝕環(huán)境下的疲勞斷裂特征

腐蝕環(huán)境下，斷口形貌呈現(xiàn)韌性斷裂和解理斷裂的混合模式，如圖6(a)所示。在圖6(b)上清晰可見(jiàn)奧氏體相上韌性斷裂的疲勞輝紋特征，而鐵素體相是解理斷裂。疲勞裂紋沿兩相界面和奧氏體疲勞輝紋內(nèi)部擴(kuò)展。與空氣中的斷口一樣，疲勞輝紋具有很明顯的晶粒取向特征，輝紋的寬度和間距隨裂紋的擴(kuò)展方向變化，如圖6(b)所示奧氏體相γ1和γ2的疲勞輝紋方向一致，但二次裂紋γ3的疲勞輝紋沿深度方向發(fā)展，且輝紋間距細(xì)而密。

圖5 空氣中疲勞斷口形貌(σa =680MPa,Nf=9.05×105cycles ) (a)斷口全貌；(b)鐵素體相和奧氏體相中的疲勞輝紋；(c)鐵素體相和奧氏體相中疲勞輝紋的不同特征Fig.5 The fatigue fracture morphology in air(σa=680MPa,Nf=9.05×105cycles) (a)the whole fracture appearance; (b)fatigue striation in ferrite and austenite;(c)various characteristics of fatigue striations in ferrite and austenite

SAF2507不銹鋼在熱處理過(guò)程中不可避免地形成第二相，其中在800～900℃區(qū)間σ相是主要的中間相。在腐蝕環(huán)境下，已有研究表明σ/σ及σ/γ界面是鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼發(fā)生局部腐蝕的主要部位[14]。能譜分析表明，σ相上鎳含量非常低，具有很大的脆性[15]，導(dǎo)致材料沖擊韌性顯著下降[16]。圖6(c)中疲勞裂紋沿σ相周?chē)_(kāi)裂，與基體脫離。

3 結(jié)論

(1)空氣中超級(jí)雙相不銹鋼SAF2507對(duì)應(yīng)107循環(huán)基數(shù)的疲勞強(qiáng)度是640MPa，是抗拉強(qiáng)度的67%。在3.5%NaCl腐蝕環(huán)境中的疲勞強(qiáng)度是空氣中的90%，即該材料抗常溫腐蝕疲勞性能很好。

(2)空氣中疲勞斷口表現(xiàn)為韌性斷裂，在鐵素體相和奧氏體相上呈現(xiàn)大量疲勞輝紋；腐蝕環(huán)境中斷口呈現(xiàn)混合斷裂模式，奧氏體相為韌性斷裂，而鐵素體相為解理斷裂。兩種介質(zhì)環(huán)境下，疲勞輝紋寬度和間距隨著晶粒位向及二次裂紋的開(kāi)裂而不同。因此，不能根據(jù)疲勞輝紋的間距鑒別相。

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Fatigue Properties of Duplex Stainless Steel SAF2507 Under Air and Corrosive Environments

YU Shu-rong，MENG Kai，LI Shu-xin

(School of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China)

Rotating bending fatigue tests were conducted on the super duplex stainless steel of SAF 2507 to investigate fatigue properties in both air and 3.5%NaCl aqueous environment. The results show that on the macro scale, compared to the air fatigue, there is no significant reduction in the fatigue strength of SAF2507 under corrosive environment, which is 90% of the air fatigue strength. But on the micro scale, the fatigue failure exhibits ductile fracture with fatigue striations observed in both ferrite and austenite in air. While in 3.5%NaCl, austenites have ductile fracture and ferrites exhibit cleavage fracture mode. The width and space between fatigues striations vary with grain orientations and second cracks, indicating that ferrite and austenite phase on fracture surface could not be identified simply by fatigue striations space.

duplex stainless steel;corrosion fatigue;fatigue striation;ductile fracture

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.01.014

TG142.71

A

1001-4381(2015)01-0077-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51275225)；蘭州理工大學(xué)紅柳杰出青年計(jì)劃(J201302)；國(guó)家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)“基于風(fēng)險(xiǎn)管理的海洋石油平臺(tái)壓力管道安全評(píng)定研究”(201210026)；甘肅省高等學(xué)校基本科研經(jīng)費(fèi)(2013.116)

2013-12-13；

2014-11-27

俞樹(shù)榮(1962-)，男，教授，博士,研究方向：承壓類(lèi)特種設(shè)備強(qiáng)度與安全，聯(lián)系地址：甘肅省蘭州市七里河區(qū)蘭工坪路287號(hào)蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院(730050)，E-mail:mengkai117@126.com