1 mm厚304L不銹鋼冷軋板的低周疲勞性能分析

羅少?gòu)?qiáng)， 舒林森， 王 波， 王家勝

(陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

304L奧氏體不銹鋼(00Cr19Ni10)具有良好的耐熱性、耐腐蝕性、焊接性和機(jī)械性能[1-2]等，被廣泛應(yīng)用于汽車配件、船舶部件、食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。304L不銹鋼零件受動(dòng)靜載荷幅擾動(dòng)作用，容易產(chǎn)生疲勞失效。因此，研究304L不銹鋼的疲勞性能并預(yù)測(cè)其疲勞壽命就非常重要。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)304不銹鋼材料的疲勞性能已展開(kāi)相關(guān)研究。CHOU L H等[3]試驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)循環(huán)損傷歷程對(duì)SUS304不銹鋼疲勞性能的影響。TASDIGHI E等[4]研究了小沖孔試驗(yàn)在304不銹鋼軸向疲勞壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，同時(shí)提出了一種基于SPT的評(píng)估剩余疲勞壽命方法。ERINOSHO T O等[5]基于機(jī)械疲勞模型(MFM)研究計(jì)算了壓力、溫度、管壁厚度和停滯時(shí)間對(duì)304不銹鋼疲勞壽命的影響。LESIUK G等[6]研究了高密度電脈沖對(duì)304不銹鋼疲勞壽命的影響。張真源等[7]采用超聲疲勞試驗(yàn)技術(shù)研究了304不銹鋼的超高周疲勞性能，研究表明304不銹鋼的S-N曲線呈現(xiàn)階梯下降趨勢(shì)。劉儉輝等[8]研究了304不銹鋼低周疲勞斷裂特性，得到其低周擬合S-N曲線表達(dá)式。姜公鋒等[9]對(duì)室溫下3種不同程度預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化的304不銹鋼進(jìn)行了低周疲勞壽命預(yù)測(cè)，認(rèn)為采用預(yù)應(yīng)變強(qiáng)化疲勞壽命設(shè)計(jì)曲線的評(píng)估方法可以有效提高疲勞壽命。肖智杰等[10]分析了304不銹鋼點(diǎn)焊和膠焊的疲勞強(qiáng)度，獲得了兩種接頭不同應(yīng)力水平下的疲勞特性和S-N曲線。已有文獻(xiàn)主要研究的是304不銹鋼的疲勞性能及其影響因素，對(duì)于304L不銹鋼疲勞性能研究卻很少，缺乏1 mm厚304L不銹鋼基礎(chǔ)性疲勞數(shù)據(jù)，所以研究1 mm厚304L不銹鋼冷軋板的低周疲勞性能就具有重要意義。

鑒于此，本文以1 mm厚304L奧氏體不銹鋼冷軋板為研究對(duì)象，對(duì)其光滑試件進(jìn)行單向靜拉伸試驗(yàn)和不同應(yīng)力水平控制下的低周疲勞試驗(yàn)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為1 mm 304L不銹鋼冷軋板板材，熱處理狀態(tài)為固溶1030 ℃快冷，屈服強(qiáng)度σ0.2為177 MPa，抗拉強(qiáng)度σb為480 MPa，伸長(zhǎng)率δ5為40%，斷面收縮率φ為60%，維氏硬度不大于200 HV，彈性模量E為195 GPa，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 304L不銹鋼主要化學(xué)成分

根據(jù)國(guó)標(biāo)《GB/T228—2002拉伸試驗(yàn)板狀試樣形狀和尺寸標(biāo)準(zhǔn)》，選取比例系數(shù)k為11.3，標(biāo)距L0為40 mm，過(guò)渡半徑R為36.25 mm；光滑試樣采用型號(hào)為DK7732TM寶時(shí)格精密中走絲線切割機(jī)床制備，對(duì)走絲表面進(jìn)行機(jī)械打磨，以滿足光滑試件的表面粗糙度要求(Ra為3.2)。304L不銹鋼光滑試樣的形狀和尺寸如圖1所示。

圖1 光滑試樣的形狀和尺寸

1.2 試驗(yàn)方法

基于國(guó)標(biāo)《GB/T228—2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，采用型號(hào)為WAW-300微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)光滑試件進(jìn)行室溫下單向靜拉伸試驗(yàn)，平均加載速度為10.8 kN/s，平均位移速度為5 mm/min，共進(jìn)行3組試驗(yàn)并取其平均值；基于國(guó)標(biāo)《GB/T15248—2008金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》，采用型號(hào)為PLN-200電液伺服疲勞萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)光滑試件在負(fù)荷控制下進(jìn)行應(yīng)力比為0的低周疲勞試驗(yàn)，選擇正弦波形，頻率為15 Hz，最小載荷為0 kN，最大載荷分別為4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0 kN，以光滑試件疲勞斷裂失效為判斷依據(jù)記錄最大循環(huán)次數(shù)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

圖2 光滑試樣的載荷-位移(P-L)曲線

圖3 應(yīng)力-壽命(S-N)曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 拉伸性能

圖2為3組304L不銹鋼光滑試件單向靜拉伸試驗(yàn)的載荷-位移(P-L)曲線，得到光滑試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的平均值分別約為400 MPa和912.5 MPa，分別為材料本身屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的2.25倍和1.90倍。圖中可見(jiàn)，P-L曲線中并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的屈服過(guò)渡，而是呈現(xiàn)出連續(xù)屈服現(xiàn)象；3組304L不銹鋼光滑試件的單向靜拉伸試驗(yàn)，均發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一定程度的頸縮現(xiàn)象，這說(shuō)明304L不銹鋼冷軋板比普通304不銹鋼的塑性好。

2.2 疲勞性能

2.2.1 應(yīng)力-壽命(S-N)曲線分析

由表2可知，隨著加載應(yīng)力水平的逐漸增加，304L不銹鋼光滑試件的疲勞循環(huán)周次逐漸降低，疲勞壽命持續(xù)衰減?；诓煌瑧?yīng)力水平控制下的低周疲勞試驗(yàn)參數(shù)以及疲勞循環(huán)周次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)[11-12]的擬合方法，對(duì)其最大應(yīng)力和疲勞壽命離散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到S-N曲線，如圖3所示。

根據(jù)疲勞壽命離散點(diǎn)的分布規(guī)律，最大應(yīng)力與疲勞壽命之間呈現(xiàn)非線性反比例關(guān)系，宜采用冪函數(shù)來(lái)進(jìn)行曲線擬合，其中：疲勞壽命Nf為自變量，最大應(yīng)力σmax為因變量。通過(guò)該材料的S-N擬合曲線，得到光滑試件最大應(yīng)力σmax與疲勞壽命Nf之間的關(guān)系為

σmax=1 793.093 1(Nf)-0.119 33。

(1)

去掉無(wú)限壽命離散點(diǎn)后，擬合結(jié)果有4個(gè)疲勞離散點(diǎn)落在擬合S-N曲線上，3個(gè)疲勞離散點(diǎn)有所偏離但偏距較小。由此可知，擬合結(jié)果能夠較好的反映304L不銹鋼冷軋板在不同應(yīng)力水平下的低周疲勞特性。

2.2.2 遲滯回線特性分析

圖4為不同應(yīng)力水平下循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特性。圖4(a)為疲勞應(yīng)力幅在低于材料疲勞極限時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)力范圍Δσ在0～350 MPa的總應(yīng)變是以線彈性應(yīng)變?yōu)橹?，由于材料本身的記憶特性，在循環(huán)周次逐漸增加的同時(shí)，循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律一致，并逐漸向右移動(dòng)，在此階段內(nèi)光滑試件發(fā)生疲勞失效的概率較低，呈現(xiàn)出無(wú)限疲勞壽命；圖4(b)為塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)力范圍Δσ在0～600 MPa之間，疲勞圈數(shù)范圍為300～8000圈，隨著疲勞循環(huán)周次的逐漸增加，應(yīng)變量Δε由最初0.230 38%逐漸過(guò)渡減小至0.203 75%并趨于穩(wěn)定，其應(yīng)變幅度為0.026 63%，呈現(xiàn)出應(yīng)力控制下應(yīng)變幅先減小后穩(wěn)定的循環(huán)硬化現(xiàn)象。

(a)線彈性應(yīng)變?yōu)橹?(b)塑性應(yīng)變?yōu)橹鲌D4 遲滯回線特性曲線

3 疲勞壽命預(yù)測(cè)

3.1 基于Basquin公式壽命預(yù)測(cè)

著名的Basquin公式[13]認(rèn)為，在進(jìn)行恒應(yīng)力幅疲勞試驗(yàn)的過(guò)程中，其應(yīng)力幅值與發(fā)生破壞的載荷循環(huán)周次之間存在關(guān)系，即就是Basquin表達(dá)式：

σa=σf′(2Nf)b，

(2)

式中σa為應(yīng)力幅，σf′為疲勞強(qiáng)度系數(shù)，Nf為在恒幅載荷疲勞斷裂時(shí)的循環(huán)周次，b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)。

同時(shí)，采用四點(diǎn)關(guān)聯(lián)法[12]來(lái)確定公式(2)中疲勞強(qiáng)度指數(shù)b，其中

(3)

式中σb為材料靜拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度，σf為真斷裂強(qiáng)度，兩者之間的關(guān)系為

σf=σb+350 MPa[14]，

(4)

為了方便計(jì)算，一般認(rèn)為σf′≈σf。同時(shí)，計(jì)算得到b為-0.106，σf值為1 262.5 MPa。

3.2 基于Manson-Coffin公式壽命預(yù)測(cè)

傳統(tǒng)的Manson-Coffin公式[15]表達(dá)式為

(5)

式中εf′為疲勞延續(xù)系數(shù)，c為疲勞延續(xù)指數(shù)。

為了進(jìn)一步提高壽命預(yù)測(cè)精度，對(duì)Manson-Coffin公式進(jìn)行平均應(yīng)力修正，采用Morrow彈性應(yīng)力線性修正法進(jìn)行修正：

(6)

式中σm為平均應(yīng)力。

εa采用單軸循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線表達(dá)式來(lái)計(jì)算，其表達(dá)式為

(7)

式中E為彈性模量，K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)，n′為循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)。

根據(jù)迭代法得出疲勞壽命預(yù)測(cè)公式：

(8)

Manson總結(jié)的通用斜率法[15]認(rèn)為b取值-0.12，c取值-0.6。真斷裂延性εf計(jì)算公式為

(9)

式中A0為試樣初始截面積,A為試樣瞬時(shí)截面積,φ為試件斷面收縮率。

擬合計(jì)算得到：n′=0.2，K′=1 340.14 MPa，εf′≈εf=0.742。不同應(yīng)力水平下的總應(yīng)變?chǔ)臿如表3所示。

表3 不同應(yīng)力水平下的總應(yīng)變?chǔ)臿

基于Basquin公式和Manson-Coffin修正公式的疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示，兩種方法的預(yù)測(cè)結(jié)果大部分都落在2倍分散帶內(nèi)，少數(shù)接近材料抗拉強(qiáng)度應(yīng)力幅的疲勞離散點(diǎn)偏離2倍分散帶較大，總體壽命預(yù)測(cè)結(jié)果較好。與Manson-Coffin修正公式預(yù)測(cè)結(jié)果相比，Basquin公式對(duì)于低周疲勞的壽命預(yù)測(cè)效果較好，如應(yīng)力范圍在0～500 MPa，其壽命預(yù)測(cè)結(jié)果值為45 356次，試驗(yàn)值為43 090次，二者相差5.258%，基本與試驗(yàn)結(jié)果一致；而修正的Manson-Coffin公式預(yù)測(cè)結(jié)果值為19 702次，與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，預(yù)測(cè)低周疲勞壽命精度不足，這是因?yàn)榻Y(jié)果計(jì)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)效塑性應(yīng)變點(diǎn)。

圖5 低周疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 論

本研究對(duì)304L不銹鋼冷軋板的光滑試件進(jìn)行了單向靜拉伸試驗(yàn)和不同應(yīng)力水平控制下的低周疲勞試驗(yàn)，分析了304L不銹鋼疲勞行為特性，并基于Basquin公式和Manson-Coffin修正公式對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，得出結(jié)論如下：

(1)拉伸試驗(yàn)結(jié)果反映了304L不銹鋼冷軋板光滑試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別約為400 MPa和912.5 MPa，均達(dá)到了材料本身強(qiáng)度的1.90倍以上；載荷-位移(P-L)曲線呈現(xiàn)出連續(xù)過(guò)渡，3組拉伸試驗(yàn)中斷裂前產(chǎn)生了頸縮，反映了該材料具有良好的塑性。

(2)低周疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，304L不銹鋼在低于疲勞極限下的壽命具有無(wú)限疲勞壽命特點(diǎn)，但在高于疲勞極限下試件的疲勞循環(huán)周次隨著加載應(yīng)力水平的增加而降低。

(3)Basquin公式和Manson-Coffin修正公式預(yù)測(cè)的304L不銹鋼冷軋板低周疲勞壽命次數(shù)，基本分布在2倍分散帶內(nèi)，但Basquin公式預(yù)測(cè)結(jié)果要好于Manson-Coffin修正公式。