回火馬氏體鋼鍛件蠕變疲勞交互作用研究

劉蘭舟，高怡斐,，張志瑋，王艷江，陳 新

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081; 2.鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100081)

0 引 言

鉻含量為9%～12%的回火馬氏體鋼具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和抗氧化能力，被廣泛地用于汽輪機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)中轉(zhuǎn)子、葉片、緊固件等部件的制造[1-3]。為了確保這些構(gòu)件在高溫環(huán)境中工作的可靠性，有關(guān)這類馬氏體鋼疲勞性能和蠕變性能的研究已有許多[4-5]。然而，汽輪機(jī)和航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件在啟動(dòng)、運(yùn)行和關(guān)閉過(guò)程中往往需要承受疲勞損傷和蠕變損傷的共同作用[6-7]，蠕變疲勞交互作用往往會(huì)導(dǎo)致材料提前失效。Alsmadi等[8]研究了750 ℃下不同保持時(shí)間對(duì)Fe-25Ni-20Cr奧氏體不銹鋼1.0%應(yīng)變幅對(duì)稱波形低周疲勞壽命的影響，結(jié)果表明隨應(yīng)變保持時(shí)間增長(zhǎng)，疲勞壽命不斷降低直至飽和。Barto?ák 等[9]通過(guò)300 ℃至600 ℃不同最大正應(yīng)變保持時(shí)間的蠕變疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)保持時(shí)間試驗(yàn)中回火馬氏體鋼42CrMo4的疲勞壽命更低，而且表現(xiàn)出更明顯的蠕變損傷特征。Goyal等[10]研究了617 M合金在973 K下的蠕變疲勞交互作用，發(fā)現(xiàn)拉向應(yīng)變保持導(dǎo)致的壽命縮減比壓向保持更大，進(jìn)一步增加應(yīng)變保持時(shí)間后壽命縮減趨于飽和。

1Cr11Ni2W2MoV鋼是在12%Cr低碳鋼中加入一定量的鐵素體形成元素(W、Mo、V等)而獲得的馬氏體耐熱不銹鋼，常用于制造在600℃以下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、盤和軸[11]。作為一種比較成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)材料，1Cr11Ni2W2MoV鋼的蠕變疲勞交互作用卻鮮有研究。因此，在本文中通過(guò)不同峰值應(yīng)變保持時(shí)間的低周疲勞試驗(yàn)研究了500 ℃下1Cr11Ni2W2MoV鋼鍛件的蠕變疲勞交互作用。利用掃描電鏡對(duì)斷口形貌的失效特征進(jìn)行了觀察。通過(guò)光學(xué)顯微鏡分析了縱截面上次級(jí)裂紋和主裂紋路徑的特點(diǎn)。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和失效分析結(jié)果闡明了1Cr11Ni2W2MoV鋼蠕變疲勞交互作用的機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

研究的材料為1Cr11Ni2W2MoV馬氏體耐熱不銹鋼，取材于一塊環(huán)形鍛件，其化學(xué)成分在表1中列出。

表1 1Cr11Ni2W2MoV鋼化學(xué)成分 wt%

試驗(yàn)前的組織檢查表明該鍛件為典型的板條狀回火馬氏體組織，板條內(nèi)分布有微小的碳化物顆粒，光學(xué)金相組織如圖1所示。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)組織中分布有微小空洞。圖2為金相樣品拋光后在光學(xué)顯微鏡下拍攝的高倍組織圖像，圖中白色箭頭指示的黑點(diǎn)即為微空洞缺陷。這些微空洞在組織中無(wú)規(guī)律分布，尺寸在10 μm以下，是熱加工過(guò)程中沒(méi)能完全消除的常見缺陷。

圖1 1Cr11Ni2W2MoV鋼金相組織

圖2 鍛件中的微空洞缺陷

1.2 試驗(yàn)方法

沿環(huán)形鍛件切線方向截取疲勞試樣，按照?qǐng)D3所示圖紙加工。試樣等截面段表面經(jīng)過(guò)磨拋處理，避免加工缺陷導(dǎo)致試樣過(guò)早失效。

圖3 疲勞試樣外觀尺寸（單位：mm）

疲勞試驗(yàn)在500 ℃高溫大氣環(huán)境進(jìn)行，根據(jù)是否存在最大應(yīng)變保持時(shí)間分為純疲勞試驗(yàn)(pure fatigue,PF)和蠕變疲勞試驗(yàn)(creep fatigue,CF)。試驗(yàn)均采用應(yīng)變控制，應(yīng)變比為-1。應(yīng)變范圍為1.2%，應(yīng)變速率均為0.004 s-1，峰值應(yīng)變保持時(shí)間(tH)分別為10 s、60 s、300 s。加載波形示意圖如圖4所示。上述力學(xué)性能測(cè)試均在MTS Landmark電液壓伺服試驗(yàn)機(jī)上完成，溫度控制誤差小于±1℃，采用標(biāo)距長(zhǎng)度為12 mm的高溫引伸計(jì)控制應(yīng)變。試驗(yàn)后，通過(guò)光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析斷口以及縱截面的失效特征。

圖4 應(yīng)變控制波形示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 疲勞壽命

為了對(duì)比不同條件下的疲勞試樣失效周次，將穩(wěn)定循環(huán)階段峰值應(yīng)力延長(zhǎng)線作為參考應(yīng)力(σref)，當(dāng)某一循環(huán)的峰值應(yīng)力與參考應(yīng)力相比，下降幅度(Δσ)大于參考應(yīng)力30%時(shí)認(rèn)為試樣失效。圖5為失效準(zhǔn)則的示意圖。根據(jù)該失效準(zhǔn)則獲得的疲勞試驗(yàn)壽命結(jié)果在表2中列出，從表2中可以看出隨著峰值應(yīng)變保持時(shí)間增長(zhǎng)，疲勞壽命逐漸下降。

表2 疲勞試驗(yàn)控制參數(shù)及壽命結(jié)果

圖5 疲勞試樣失效判斷準(zhǔn)則示意圖

2.2 循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)

應(yīng)力響應(yīng)是材料在應(yīng)變疲勞試驗(yàn)條件下重要的性能表現(xiàn)，四組疲勞試驗(yàn)的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖6所示。在500 ℃下，無(wú)論是純疲勞試驗(yàn)還是蠕變疲勞試驗(yàn)，都表現(xiàn)出循環(huán)軟化效應(yīng)。在試驗(yàn)初期(N＜100)循環(huán)應(yīng)力范圍迅速縮小，隨后進(jìn)入穩(wěn)定軟化階段，循環(huán)應(yīng)力范圍隨循環(huán)周次線性降低。試驗(yàn)?zāi)┢谟捎诹鸭y萌生峰值應(yīng)力迅速降低。蠕變疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變保持時(shí)間越長(zhǎng)，循環(huán)軟化效應(yīng)越強(qiáng)烈，循環(huán)應(yīng)力范圍縮小越快，試驗(yàn)?zāi)┢诘姆逯祽?yīng)力下降也越迅速。應(yīng)變保持時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致的谷值循環(huán)應(yīng)力曲線差異不如峰值循環(huán)應(yīng)力曲線差異明顯。

圖6 疲勞試驗(yàn)的循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)曲線

2.3 遲滯回線

不同應(yīng)變保持時(shí)間下應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線的差異，可以反映應(yīng)變保持時(shí)間對(duì)疲勞損傷的影響。圖7為四組疲勞試驗(yàn)在半壽命周次的應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線。從圖中可以看出，應(yīng)變保持時(shí)間越長(zhǎng)，循環(huán)應(yīng)力范圍越小，拉伸卸載線向正應(yīng)變方向偏移越多，而各試驗(yàn)的卸載彈性模量差異并不明顯。因此，循環(huán)軟化導(dǎo)致的循環(huán)應(yīng)力范圍減小使得遲滯回線逐漸展寬。應(yīng)變保持促進(jìn)了循環(huán)軟化，使應(yīng)變保持時(shí)間較長(zhǎng)的試驗(yàn)，循環(huán)內(nèi)的非彈性應(yīng)變量迅速增大。非彈性應(yīng)變與不可逆損傷關(guān)系密切，因此較長(zhǎng)應(yīng)變保持時(shí)間產(chǎn)生的較大非彈性應(yīng)變量對(duì)應(yīng)了表2中較少的疲勞壽命。

圖7 疲勞試驗(yàn)半壽命周次應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線

2.4 應(yīng)力松弛行為

應(yīng)力松弛期間彈性應(yīng)變持續(xù)地向非彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)化是應(yīng)變控制蠕變疲勞試驗(yàn)中蠕變損傷的主要來(lái)源。圖8為蠕變疲勞試驗(yàn)半壽命周次的應(yīng)力松弛曲線。應(yīng)變保持時(shí)間越長(zhǎng)應(yīng)力松弛量越大，保持時(shí)間對(duì)1Cr11Ni2W2MoV鋼的應(yīng)力松弛行為影響微弱。

圖8 蠕變疲勞試驗(yàn)半壽命周次應(yīng)力松弛曲線

3 損傷分析

3.1 斷口形貌

試驗(yàn)后經(jīng)過(guò)二次疲勞打開試樣斷面，使用掃描電子顯微鏡分析失效特征。圖9為四組疲勞試樣的宏觀斷口形貌。四個(gè)斷口均表現(xiàn)出多起裂源特征，試樣表面的裂紋起源點(diǎn)已在圖中用虛線圈出。主裂紋面是由多個(gè)獨(dú)立萌生的小裂紋相互連接形成的。隨著應(yīng)變保持時(shí)間變長(zhǎng)，斷口上平整的河流狀紋理逐漸消失，取而代之的是凹凸不平的韌性斷裂特征。這表明應(yīng)變保持時(shí)間較短時(shí)疲勞損傷占主導(dǎo)地位，而當(dāng)應(yīng)變保持時(shí)間增長(zhǎng)后，出現(xiàn)明顯的韌性損傷。

圖9 疲勞試樣宏觀斷口形貌

為了進(jìn)一步證實(shí)應(yīng)變保持時(shí)間對(duì)損傷的影響，對(duì)斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)域的形貌進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖10所示。PF試樣的斷口微觀形貌表現(xiàn)出典型的疲勞損傷特征，具有很多細(xì)密的疲勞輝紋。CF-1試樣斷口疲勞特征仍然比較明顯，但疲勞輝紋的數(shù)量有所減少，間距略微增大。CF-2試樣斷口不再具有明顯的疲勞損傷特征，而CF-3斷口則表現(xiàn)出較為典型的韌性斷口特征，出現(xiàn)了大量韌窩形貌。在圖10(a)、(b)、(c)中都存在了大量的楔形裂紋。圖10(c)中還出現(xiàn)了微空洞誘發(fā)的脆性斷面，分別用箭頭和虛線標(biāo)出。

圖10 疲勞試樣微觀斷口形貌

3.2 縱截面次級(jí)裂紋

CF-1和CF-2試樣的斷面微觀形貌存在明顯差異，其縱截面次級(jí)裂紋形貌如圖11所示。隨應(yīng)變保持時(shí)間增長(zhǎng)，次級(jí)裂紋的數(shù)量更多，長(zhǎng)度更長(zhǎng)。兩試樣表面的次級(jí)小裂紋均出現(xiàn)了串聯(lián)多個(gè)微空洞的現(xiàn)象，而在微空洞處裂紋的擴(kuò)展方向發(fā)生了明顯的改變，同時(shí)伴隨有楔形裂紋產(chǎn)生。表明鍛件的微空洞缺陷對(duì)裂紋擴(kuò)展有誘導(dǎo)作用。

圖11 次級(jí)小裂紋形貌

4 討 論

4.1 保持時(shí)間對(duì)循環(huán)應(yīng)變組成的影響

低周疲勞中，塑性應(yīng)變會(huì)對(duì)多晶材料的晶內(nèi)造成疲勞損傷。部分彈性應(yīng)變會(huì)在應(yīng)力松弛過(guò)程中轉(zhuǎn)化為蠕變應(yīng)變，其損傷主要作用于晶界或其他界面。對(duì)于板條組織的馬氏體鋼而言，蠕變損傷可以作用于板條界[12]。區(qū)分損傷來(lái)源對(duì)認(rèn)識(shí)蠕變交互作用中兩種損傷的貢獻(xiàn)十分有意義。因此，可以進(jìn)一步將疲勞試驗(yàn)的總應(yīng)變范圍可分為三部分，即：

式中： Δεt——總應(yīng)變范圍，%；

Δεe——彈性應(yīng)變范圍，%；

Δεp——塑性應(yīng)變范圍，%；

Δεc——蠕變應(yīng)變范圍，%。

四組疲勞試驗(yàn)不同時(shí)期的三種類型的應(yīng)變量如圖12所示。蠕變疲勞試驗(yàn)的蠕變應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)疲勞壽命中變化不大。雖然蠕變應(yīng)變?cè)诳倯?yīng)變中的占比較小，但蠕變應(yīng)變的存在顯著地增強(qiáng)了1Cr11Ni2W2MoV鋼的循環(huán)軟化效應(yīng)，使峰值應(yīng)力隨循環(huán)周次迅速降低，導(dǎo)致彈性應(yīng)變向塑性應(yīng)變轉(zhuǎn)化，最終使試樣疲勞壽命縮短。這體現(xiàn)了1Cr11Ni2W2MoV鋼蠕變疲勞交互作用中蠕變損傷對(duì)疲勞損傷的促進(jìn)作用。在具有相似組織結(jié)構(gòu)的42CrMo4鋼和2.25Cr1Mo 0.25 V鋼的蠕變疲勞交互作用研究中也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[13]。Zhao等[14]認(rèn)為此類初始狀態(tài)位錯(cuò)密度高的材料在低周疲勞中容易表現(xiàn)出連續(xù)的循環(huán)軟化現(xiàn)象，而應(yīng)變保持時(shí)間引發(fā)早期小裂紋的形成又加劇了循環(huán)軟化效應(yīng)。

圖12 疲勞試驗(yàn)在不同時(shí)期的三類應(yīng)變量

4.2 保持時(shí)間對(duì)裂紋擴(kuò)展方式的影響

為了研究應(yīng)變保持時(shí)間對(duì)裂紋擴(kuò)展方式的影響，補(bǔ)充了一組純疲勞試驗(yàn)和一組蠕變疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件分別與PF試樣和CF-2試樣相同。疲勞試驗(yàn)結(jié)束后用電火花切割截取包含主裂紋的等截面段，并沿軸向剖開，磨拋后在光學(xué)顯微鏡下觀察主裂紋路徑。圖13為應(yīng)變保持時(shí)間0 s和60 s條件下的主裂紋尖端擴(kuò)展路徑。兩條主裂紋上都存在楔形裂紋（箭頭指示），而且承受額外蠕變損傷的主裂紋更加曲折，尤其是在蠕變損傷作用較強(qiáng)的試樣中心位置，擴(kuò)展方向連續(xù)改變，同時(shí)伴隨有楔形裂紋形成。

圖13 疲勞試樣縱截面主裂紋形貌

主裂紋擴(kuò)展方向的改變和楔形裂紋的形成都與原材料中的微空洞缺陷有關(guān)。微空洞在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力集中加劇了周圍基體的劣化，并作為裂紋源形成微裂紋，如圖14所示。當(dāng)主裂紋擴(kuò)展接近微空洞附近時(shí)，微空洞周圍基體在裂尖應(yīng)力場(chǎng)的作用下可能發(fā)生斷裂，繼而與主裂紋連接。根據(jù)微空洞斷面與主裂紋連接位置和繼續(xù)擴(kuò)展路徑的不同分為如表3所列舉的3種情況，3種情況對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展路徑形貌已在圖13中用相同數(shù)字標(biāo)出。圖9(c)中微空洞形成的脆性斷面屬于表3中的第1種情況。應(yīng)變保持為微空洞附近基體劣化和微裂紋形核提供了時(shí)間條件，使裂紋更容易向微空洞偏轉(zhuǎn)，進(jìn)而形成圖9(d)中試樣中部蠕變損傷較大的位置出現(xiàn)凹凸不平的形貌。Wang等[15]在P92鋼蠕變疲勞交互作用研究中發(fā)現(xiàn)斷口疲勞輝紋間出現(xiàn)了蠕變空洞，表明兩種損傷間存在著顯著的交互作用。而本文所用1Cr11Ni2W2MoV鋼具有未完全消除的微空洞缺陷，可以看作已經(jīng)形核的蠕變空洞，因此這些缺陷在蠕變疲勞工況下危害性更強(qiáng)。

表3 微空洞斷面與主裂紋連接后可能發(fā)生的3種情況

圖14 試樣內(nèi)部未與主裂紋連接的小裂紋

5 結(jié)束語(yǔ)

本文使用1Cr11Ni2W2MoV鋼環(huán)形鍛件研究了500 ℃不同應(yīng)變保持時(shí)間下的蠕變疲勞交互作用，并分析了斷口形貌和縱截面裂紋路徑。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

1）疲勞試驗(yàn)中，失效周次隨保持時(shí)間增長(zhǎng)而減少。應(yīng)力響應(yīng)表現(xiàn)為循環(huán)軟化，且保持時(shí)間越長(zhǎng)，軟化效應(yīng)越顯著，循環(huán)遲滯回線隨軟化效應(yīng)逐漸展寬，非彈性應(yīng)變范圍逐漸增大。蠕變疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力松弛量隨保持時(shí)間增長(zhǎng)而增大。

2）試樣斷口均呈現(xiàn)多點(diǎn)起裂，主裂紋面由多個(gè)小裂紋面連接形成。隨保持時(shí)間增長(zhǎng)，微觀斷口形貌中以疲勞輝紋為主的脆性斷裂特征消失，變成以韌窩為主的韌性斷裂特征。試樣縱截面上出現(xiàn)次級(jí)裂紋，數(shù)量和長(zhǎng)度隨保持時(shí)間增長(zhǎng)而增加。原材料的微空洞缺陷形成脆性小斷面誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展方向改變，并在偏轉(zhuǎn)處留下楔形裂紋。

3）力學(xué)響應(yīng)方面，應(yīng)變保持對(duì)組織內(nèi)部界面造成的蠕變損傷加劇循環(huán)軟化效應(yīng)，導(dǎo)致彈性應(yīng)變進(jìn)一步向塑性應(yīng)變轉(zhuǎn)變，使得相同總應(yīng)變范圍內(nèi)的塑性部分增加。失效機(jī)理方面，蠕變損傷削弱了微空洞附近基體抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力，加速了材料的失效過(guò)程。綜合以上兩方面因素，蠕變疲勞交互作用降低了1Cr11Ni2W2MoV鋼的疲勞壽命。