淺論材料屈強(qiáng)比與低周疲勞壽命之間的關(guān)系

龍老虎，張波，張邦強(qiáng)，楊明

（東方汽輪機(jī)有限公司 長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實驗室，四川德陽，618000）

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淺論材料屈強(qiáng)比與低周疲勞壽命之間的關(guān)系

龍老虎，張波，張邦強(qiáng)，楊明

（東方汽輪機(jī)有限公司 長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實驗室，四川德陽，618000）

文章通過對IN625、2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNbNB 3種材料不同溫度下的高溫拉伸力學(xué)性能和低周疲勞性能的比較分析，發(fā)現(xiàn)室溫條件下這3種材料的屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命大致有相反的變化趨勢，于是進(jìn)一步通過理論分析，認(rèn)為對于其他結(jié)構(gòu)材料，這種變化趨勢一般也是能夠成立的。

屈強(qiáng)比，低周疲勞，壽命

0　引言

由于低周疲勞過程中材料所受載荷較大，會發(fā)生塑性變形，一般來說塑性好的材料低周疲勞性能也好，比如低合金鋼、奧氏體鋼、銅合金、固溶強(qiáng)化型的奧氏體鎳基高溫合金等；而像馬氏體型鋼、貝氏體型鋼等合金強(qiáng)度高，抵抗塑性變形的能力差，高周疲勞性能優(yōu)良，但是低周疲勞性能較差。

于是，衡量一種材料抵抗低周疲勞性能的主要指標(biāo)就是這種材料的塑性變形能力，而判斷材料的抵抗塑性變形能力常有兩種方式：其一，采用斷后延伸率和斷面收縮率來表征，但是通過試驗可以發(fā)現(xiàn)：斷后延伸率和斷面收縮率常常是不穩(wěn)定的，與試驗時試樣的裝卡方式、測量方法都有關(guān)系，特別是很多高溫拉伸試驗不要求測量斷后延伸率和斷面收縮率指標(biāo)；其二，采用屈強(qiáng)比來表征，屈強(qiáng)比越小，表示材料塑性變形范圍越大，反之，塑性變形范圍越小。相對于斷后延伸率和斷面收縮率，材料的屈強(qiáng)比簡單易得，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都可以由機(jī)器測得，人為誤差小得多，而且結(jié)果較為穩(wěn)定，可以用來反映材料的抵抗塑性變形的能力，從而可以進(jìn)一步間接反映材料抗低周疲勞性能的優(yōu)劣。

目前，已經(jīng)有很多工程構(gòu)件采用屈強(qiáng)比來衡量材料的變形能力，如：油氣管線［1］、飛機(jī)起落架［2］、橋梁建筑［3］、工程機(jī)械［4］等都對材料屈強(qiáng)比有一定的要求，從而保證了工程構(gòu)件有一定的變形安全余量。近年來，關(guān)于材料屈強(qiáng)比和斷裂韌性的關(guān)系也開始獲得重視，并有研究者開始嘗試量化兩者之間的關(guān)系［5-6］。

本文通過對固溶強(qiáng)化型奧氏體高溫合金IN625和馬氏體型不銹鋼2Cr11Mo1NiWVNbN、1Cr11Co-3W3NiMoVNbNB不同溫度下屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命之間的關(guān)系進(jìn)行分析比較，討論了兩者之間的關(guān)系。

1　試驗材料和試驗方法

1.1試驗材料

IN625是一種Ni-Cr固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，從冷凍溫度到高溫都具有良好的強(qiáng)度和韌性，在燃?xì)廨啓C(jī)、核電、航天航空、石油化工領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，其典型化學(xué)成分［7］見表1。

表1　IN625的化學(xué)成分wt.%

2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNb-NB都是馬氏體型高溫合金不銹耐熱鋼，一般用作熱電廠汽輪機(jī)高溫螺栓、葉片等高溫部件，其性能特點(diǎn)是強(qiáng)度高，但是塑韌性較差，高溫性能好。

1.2試驗方法

本文的試驗方法分別測試IN625、2Cr11Mo1Ni-WVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNbNB 3種材料的高溫拉伸性能，得到3種材料不同溫度下的屈強(qiáng)比，然后和3種材料對應(yīng)的低周疲勞性能進(jìn)行對比分析。

3種材料的高溫拉伸過程都相同，測試溫度范圍為室溫到600℃，每100℃一個測量點(diǎn)。試樣直徑為5 mm，每個測量點(diǎn)對2根試樣進(jìn)行試驗，求得在不同溫度下材料的屈強(qiáng)比，然后再取平均值，就得到了每種材料在不同試驗溫度下的屈強(qiáng)比。高溫拉伸試驗過程參照GB/T 4338-2006。

低周疲勞試驗用MTS 810型低周疲勞試驗機(jī)進(jìn)行試驗，試驗過程采用應(yīng)變控制，應(yīng)變速率為0.006 s-1。試樣直徑為10 mm，每個應(yīng)變量采用2個試樣，然后取平均值求得平均壽命。帶有環(huán)境溫度的低周疲勞試驗，用電爐加熱，加熱到目標(biāo)溫度后一般保溫30 min。整個低周疲勞試驗過程參照GB/ T 15248-2008。

2　試驗結(jié)果

2.1 IN625不同溫度下的材料屈強(qiáng)比與低周疲勞壽命

表2為不同應(yīng)變量下室溫、550℃、620℃3個溫度點(diǎn)IN625的低周疲勞壽命和屈強(qiáng)比試驗結(jié)果。由于概率分布的原因，一種應(yīng)變幅條件下，材料的低周疲勞數(shù)據(jù)可能會比較分散，不容易看出變化規(guī)律，所以，本文比較了0.012、0.016、0.018和0.020 4個應(yīng)變幅不同溫度下的低周疲勞循環(huán)壽命。

表2　IN625不同溫度下的低周疲勞壽命和屈強(qiáng)比

從表2中不同應(yīng)變幅條件下的低周疲勞壽命可以看出，從室溫到550℃，IN625的低周疲勞壽命是急劇下降的，約降低了一半；從550～620℃該材料的低周疲勞壽命變化比較緩慢。與此同時，隨溫度升高，IN625的屈強(qiáng)比也是不斷下降的?？傮w而言，IN625低周疲勞循環(huán)周次與屈強(qiáng)比隨溫度升高的變化趨勢是相同的，如圖1所示。

圖1　IN625不同應(yīng)變范圍條件下屈強(qiáng)比和低周疲勞循環(huán)周次的關(guān)系

表3為2Cr11Mo1NiWVNbN不同應(yīng)變量條件下室溫、400℃、500℃和600℃4個溫度點(diǎn)的低周疲勞壽命。為了降低試驗數(shù)據(jù)的偶然性，故取了0.012、0.016和0.020 3個應(yīng)變范圍。

表3　2Cr11Mo1NiWVNbN不同溫度下的低周疲勞壽命

從表3中相同應(yīng)變幅條件下不同溫度的低周疲勞壽命數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，2Cr11Mo 1NiWVNbN的低周疲勞壽命變化不大，穩(wěn)定中略有下降。該材料的屈強(qiáng)比隨溫度升高變化趨勢不大，維持在0.90左右。

表4為1Cr11Co3W3NiMoVNbNB不同應(yīng)變量條件下室溫、400℃、500℃和600℃4個溫度點(diǎn)的低周疲勞壽命。為了降低試驗數(shù)據(jù)的偶然性，故取了0.010、0.012、0.016和0.018 4個應(yīng)變范圍。

表4　1Cr11Co3W3NiMoVNbNB不同溫度下的低周疲勞壽命

1Cr11Co3W3NiMoVNbNB同為馬氏體型不銹鋼，其不同溫度下的屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命的變化趨勢與2Cr11Mo1NiWVNbN類似，屈強(qiáng)比隨溫度升高變化不大，維持在0.94左右，與此同時，低周疲勞壽命隨溫度升高變化也不大，600℃時略有下降。

2.23種材料室溫條件下屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命的對比

IN625、2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3-NiMoVNbNB 3種材料室溫條件下低周疲勞壽命和屈強(qiáng)比之間的對比如表5所示。

表5　室溫條件下3種材料屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命比較

由表5的試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，室溫下IN625的屈強(qiáng)比遠(yuǎn)小于2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3-NiMoVNbNB的屈強(qiáng)比。同為馬氏體型不銹鋼，2Cr11Mo1NiWVNbN室溫下的屈強(qiáng)比又比1Cr11Co-3W3NiMoVNbNB略低。與此同時，室溫下IN625的低周疲勞壽命遠(yuǎn)高于兩種馬氏體型不銹鋼，不同應(yīng)變量條件下IN625的低周疲勞壽命是兩種馬氏體不銹鋼的2～3倍，而2Cr11Mo1NiWVNbN的室溫低周疲勞壽命也比1Cr11Co3W3NiMoVNbNB略高，將上述的屈強(qiáng)比和低周疲勞循環(huán)周次關(guān)系做圖，即可得到如圖2所示的變化趨勢圖。

圖2　3種材料屈強(qiáng)比和低周疲勞循環(huán)周次之間的變化趨勢

由圖2中3種材料屈強(qiáng)比和低周疲勞循環(huán)周次之間的變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，屈強(qiáng)比和低周疲勞周次的變化趨勢是相反的，而且每個應(yīng)變范圍條件下的變化趨勢基本都是呈線性的，只是斜率略有差別。

3　分析和討論

3.1材料微觀結(jié)構(gòu)對屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命的影響

IN625是一種固溶強(qiáng)化型的奧氏體高溫合金，晶體結(jié)構(gòu)為面心立方，有多達(dá)12個位錯滑移系，位錯運(yùn)動較為容易［8］。微觀上位錯運(yùn)動相對比較容易，反映到宏觀上來看就是流變應(yīng)力范圍較小，如室溫條件下應(yīng)變范圍同為1.2%，IN625的流變應(yīng)力范圍為1 129.47 MPa，而2Cr11Mo1NiWVNbN的流變應(yīng)力范圍為1 542.37 MPa，2Cr11Mo1NiWVNbN的流變應(yīng)力范圍比IN625的流變應(yīng)力范圍高出了約413 MPa。由于IN625的位錯運(yùn)動容易，反映到試樣斷口上，可以看到明顯的疲勞條帶，IN625的低周疲勞斷口形貌如圖3所示。

圖3　IN625的低周疲勞斷口形貌

2Cr11Mo1MiWVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNb-NB都是典型的馬氏體型不銹鋼，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變是一種無擴(kuò)散性型相變，點(diǎn)陣畸變較大［8］，內(nèi)部位錯密度很高，馬氏體板條之間是小角度晶界，位相差較小，因此，位錯滑移在馬氏體板條之間較難進(jìn)行，顯微裂紋也很難穿越板條馬氏體束［9］，于是這些材料的屈服強(qiáng)度都很高。雖然經(jīng)過變形后位錯密度和點(diǎn)陣畸變還會升高，但是空間是有限的，低周疲勞過程中不斷有位錯產(chǎn)生和聚集，與此同時，微觀缺陷也在不斷地產(chǎn)生和聚集。由于位錯運(yùn)動困難，所以，在2Cr11Mo1Ni-WVNbN的低周疲勞斷口上就看不到明顯的疲勞條帶，只有摩擦的痕跡（如圖4所示）。

圖4　2Cr11Mo1NiWVNbN的低周疲勞斷口形貌

結(jié)合上面所述的IN625和兩種馬氏體型不銹鋼的情況，可以認(rèn)為：屈強(qiáng)比較低的材料一般都晶體結(jié)構(gòu)簡單，位錯運(yùn)動相對容易，有較強(qiáng)的加工硬化能力；而屈強(qiáng)比高的材料一般晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位錯強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、晶界強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等強(qiáng)化機(jī)理［10］作用明顯，位錯運(yùn)動困難。低周疲勞過程中材料受到的應(yīng)力很大，位錯會不斷產(chǎn)生。如果位錯運(yùn)動阻力很大，位錯就會不斷聚集，同時晶體缺陷也不斷聚集，很快材料就會發(fā)生破壞，因此，材料的屈強(qiáng)比與低周疲勞壽命有相反的變化趨勢這一規(guī)律對于很多工程材料應(yīng)該都是成立的。

3.2溫度對3種材料屈強(qiáng)比和低周疲勞循環(huán)壽命的影響

相對于室溫下屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命之間簡單相反的變化規(guī)律，高溫下3種材料的低周疲勞循環(huán)壽命和屈強(qiáng)比之間的關(guān)系顯得比較復(fù)雜。

由圖2和表1的變化趨勢可知：隨溫度升高，IN625的屈強(qiáng)比不斷下降，與此同時，其低周疲勞循環(huán)周次也不斷降低，有著相同的變化趨勢。作為固溶強(qiáng)化型的高溫合金，時效處理后析出的強(qiáng)化相粒子較小，對位錯的阻礙作用不是很明顯，特別是高溫條件下該材料的位錯運(yùn)動方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變［11-12］，高溫時在熱激活能的作用下位錯運(yùn)動變得更加容易，使得IN625隨溫度升高其低周疲勞壽命迅速降低。

而馬氏體型不銹鋼2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr-11Co3W3NiMoVNbNB隨溫度升高其屈強(qiáng)比的變化都不大，與此同時其低周疲勞循環(huán)壽命也變化不大，略有降低，只是到600℃以后才真正有了一定幅度的降低，這應(yīng)該與前面提到的馬氏體型不銹鋼的位錯運(yùn)動困難有關(guān)，即使溫度提高，材料獲得的熱激活能仍然不能使得位錯快速移動，可能直到600℃以后位錯運(yùn)動才容易些。文獻(xiàn)［11］認(rèn)為，隨溫度的升高，材料的強(qiáng)度降低對其低周疲勞循環(huán)壽命有很大的影響，相同總應(yīng)變量條件下，由于強(qiáng)度降低，所以彈性應(yīng)變范圍必然會減小，從而使得塑性應(yīng)變范圍增加，塑性應(yīng)變范圍增加使得材料的微觀損傷可能性增加，所以，2Cr11Mo1NiWVNbN和1Cr11Co3W3NiMoVNbNB隨溫度升高低周疲勞壽命降低，應(yīng)該也與其強(qiáng)度降低有一定關(guān)系。

值得注意的是，室溫條件2Cr11Mo1NiWVNbN比1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的屈強(qiáng)比低，Cr11Mo-1NiWVNbN的低周疲勞循環(huán)壽命也比1Cr11Co3W-3NiMoVNbNB略高，符合屈強(qiáng)比與低周疲勞的相反關(guān)系，但是高溫條件下情況就有所不同了，高溫下這兩種材料的屈強(qiáng)比和低周疲勞循環(huán)壽命之間的關(guān)系比較如表6所示。

表6600　℃條件下兩種馬氏體型不銹鋼的屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命比較

如表6所示，600℃條件下2Cr11Mo1NiWVN-bN的屈強(qiáng)比低于1Cr11Co3W3NiMoVNbNB，按照屈強(qiáng)比與低周循環(huán)壽命變化趨勢相反的規(guī)律似乎可以認(rèn)為，2Cr11Mo1NiWVNbN的低周疲勞壽命應(yīng)該比1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的低周疲勞壽命長，但是實際情況是應(yīng)變范圍為0.012和0.016時，1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的低周疲勞壽命反而比2Cr11Mo1NiWVNbN略長。

這種情況的出現(xiàn)應(yīng)該與環(huán)境溫度有關(guān)，兩種材料同為馬氏體型不銹鋼，在應(yīng)變范圍相同的情況下，室溫時2Cr11Mo1NiWVNbN比1Cr11Co3W3Ni-MoVNbNB的低周疲勞壽命長，而在600℃時卻出現(xiàn)了相反的情況，該現(xiàn)象的出現(xiàn)可能與兩種材料的合金元素差別有關(guān)。1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的合金元素構(gòu)成與2Cr11Mo1NiWVNbN類似，但是也有差別，1Cr11Co3W3NiMoVNbNB相對于2Cr11Mo1Ni-WVNbN的合金元素構(gòu)成，雖然Mo含量稍有降低，但是W含量卻大幅增加，且多了后者沒有的Co元素和B元素，這些元素的增加提高了前者的熱強(qiáng)性，特別是回火后，前者析出的碳化物應(yīng)該比后者更多，這些碳化物的出現(xiàn)都可以阻礙材料位錯的移動，從而提高了1Cr11Co3W3NiMoVNbNB的高溫抗低周疲勞能力。

可見，雖然從整體上來說屈強(qiáng)比和材料低周疲勞循環(huán)壽命有相反的變化趨勢，但是這個結(jié)論的得出應(yīng)該是有前提的：首先，應(yīng)該是環(huán)境條件相同，特別是有相同的溫度，最好都在室溫條件下；其次，溫度對各種材料的位錯運(yùn)動影響程度不同，使得在高溫條件下，可能有不符本規(guī)律的情況出現(xiàn)；最后，本規(guī)律只能定性反映屈強(qiáng)比和低周疲勞循環(huán)壽命的關(guān)系。

4　總結(jié)

本文通過大量試驗數(shù)據(jù)，比較了固溶強(qiáng)化型奧氏體高溫合金IN625和馬氏體型不銹鋼2Cr11Mo1Ni-WVNbN、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB 3種材料屈強(qiáng)比和材料低周疲勞壽命之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)屈強(qiáng)比與低周疲勞壽命之間大概有相反的變化趨勢，通過理論分析，本文進(jìn)一步認(rèn)為對于一般結(jié)構(gòu)材料這種趨勢應(yīng)該也是能夠成立的。但是受環(huán)境溫度的影響，材料在高溫條件下屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命的關(guān)系還受合金元素成分、微觀結(jié)構(gòu)等因素影響。

合理的材料屈強(qiáng)比對材料服役安全性非常重要，一般認(rèn)為屈強(qiáng)比在0.80～0.85范圍內(nèi)有較好的綜合力學(xué)性能。如果屈強(qiáng)比較低，一般材料的屈服強(qiáng)度也較低，抵抗變形的能力也較差；反之，如果屈強(qiáng)比過高，載荷超過屈服強(qiáng)度，材料可能快速斷裂，因形變硬化引起的安全余量也較低。同時，屈強(qiáng)比過高的材料一般強(qiáng)度也非常高，其韌性較低，抵抗疲勞裂紋擴(kuò)展的能力較弱，低周疲勞性能差，缺口敏感度較高。

總之，結(jié)構(gòu)材料的屈強(qiáng)比與其低周疲勞壽命密切相關(guān)，屈強(qiáng)比需要保持在合理的區(qū)間內(nèi)。

5　展望

本文主要針對典型的固溶強(qiáng)化型奧氏體高溫合金IN625和馬氏體型不銹鋼2Cr11Mo1NiWVNbN、1Cr11Co3W3NiMoVNbNB進(jìn)行了分析比較，提出了屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命變化趨勢相反的觀點(diǎn)。然而，固溶強(qiáng)化型高溫合金的屈強(qiáng)比一般較低，而馬氏體型不銹鋼的屈強(qiáng)比一般較高，所以，屈強(qiáng)比和低周疲勞壽命之間反相的變化趨勢比較明顯，不排除其他材料有不符合本文提出規(guī)律的情況，該規(guī)律的進(jìn)一步驗證和發(fā)展，還需要未來對更多的工程材料進(jìn)行分析驗證。

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Brief Discussion of Relationship between Material’s Yield Ratio and Low Cycle Fatigue Life

Long Laohu，Zhang Bo，Zhang Bangqiang，Yang Ming
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials，Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang Sichuan，618000）

By analyzing their high temperature tensile performance and low cycle fatigue life at different temperature，it is found that IN625，2Cr11Mo1NiWVNbN and 1Cr11Co3W3NiMoVNbNB’s yield ratios are inversely correlated with their low cycle fatigue lifes at room temperature，and this variation trend is also applied to other structure materials by theoretical analysis.

yield ratio，low cycle fatigue，life

TK265

B

1674-9987（2016）03-0050-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.03.012

龍老虎（1984-），男，2011年畢業(yè)于西安交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，現(xiàn)主要從事材料疲勞斷裂的實驗、分析和研究工作。