排氣系統(tǒng)用409不銹鋼熱疲勞性能試驗(yàn)研究

張毅天 周錦佳 李武 王偉偉 林尚錦

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007；2.柳州利和排氣控制系統(tǒng)有限公司，柳州 545007）

1 前言

汽車排氣系統(tǒng)包括排氣歧管、三元催化器、消聲器總成、排氣管等，汽車行駛時(shí)排氣系統(tǒng)在高溫環(huán)境中使用，持續(xù)經(jīng)受高溫振動(dòng)耐久疲勞。排氣溫度可達(dá)到900 ℃，排氣系統(tǒng)不同部位振動(dòng)受力與排氣溫度都不同，對材料高溫性能如高溫強(qiáng)度、高溫疲勞性能有不同要求。排氣系統(tǒng)零件普遍使用不銹鋼材料，其中409 系低鉻鐵素體不銹鋼因具有經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性優(yōu)勢，使用最廣泛。而409 不銹鋼熱疲勞性能試驗(yàn)國內(nèi)鮮有報(bào)道，為此對409 不銹鋼材料高溫力學(xué)性能、熱疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用山西太鋼SUH409L，材料化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2 所示。試驗(yàn)樣件按照GB/T 2975—2018《鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)取樣位置及試樣制備》[1]制造試樣，采用1.2 mm 厚薄板，試驗(yàn)樣件零件尺寸如圖1 所示。

表1 SUH409L材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 SUH409L力學(xué)性能

圖1 試驗(yàn)樣件尺寸

3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要有微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)、高溫爐、電伺服振動(dòng)臺。萬能試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力100 kN，高溫爐包括爐體、溫控器、高溫拉桿及夾具、變形測量系統(tǒng)，最高溫度可達(dá)1 100 ℃，可為高溫拉伸試驗(yàn)提供長時(shí)間而穩(wěn)定的試驗(yàn)溫度環(huán)境。

4 高溫拉伸試驗(yàn)

基于排氣系統(tǒng)溫度使用環(huán)境，為了解SUH409L 不銹鋼高溫力學(xué)性能，按照GB/T 228.2—2015《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第2 部分：高溫試驗(yàn)方法》[2]、GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[3]進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，在不同溫度條件時(shí)測試SUH409L 材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，每個(gè)溫度測試3 個(gè)試驗(yàn)樣件，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

試驗(yàn)過程如下：高溫爐安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)中，試驗(yàn)樣件置于高溫爐中心部位，通過高溫拉桿上下端夾緊，用耐火石棉密封高溫爐；以20 ℃/min 的速度進(jìn)行加熱直到達(dá)到試驗(yàn)溫度，保溫15 min；以5 mm/min 速度加載，直至試驗(yàn)樣件斷裂。

試驗(yàn)樣件屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表3 所示，對抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果如下。

表3 SUH409L高溫力學(xué)性能

抗拉強(qiáng)度與溫度關(guān)系方程見公式（1）。

屈服強(qiáng)度與溫度關(guān)系方程見公式（2）。

力學(xué)性能與溫度關(guān)系擬合曲線見圖2，可以看出，力學(xué)性能與溫度關(guān)系擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

圖2 應(yīng)力曲線

高溫力學(xué)性能隨溫度的變化如圖3 所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，SUH409L 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而下降，且變化速率基本一致。溫度200 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降10%，溫度200 ℃至400 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降10%，即溫度400 ℃以下時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降在20%以內(nèi)；溫度400 ℃至600 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降20%，溫度600 ℃至800 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度下降50%；溫度700 ℃以上時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都已小于100 MPa。在溫度400 ℃以下時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度變化為平緩區(qū)，在溫度600 ℃至800 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度則為下降快速區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果對SUH409L 在排氣系統(tǒng)不同部位使用很有參考意義。

圖3 高溫力學(xué)性能

圖4 為不同溫度下SUH409L 試樣拉斷后的外觀形狀，可以看出，300 ℃至500 ℃時(shí)基本無頸縮現(xiàn)象，不發(fā)生塑性變形，可初步判斷為脆性斷裂，說明在這溫度范圍內(nèi)SUH409L 塑性變形能力差；600 ℃時(shí)試樣發(fā)生一定程度頸縮現(xiàn)象,但斷口平面面積較大，說明在這溫度范圍SUH409L 具有一定塑性；700 ℃至800 ℃時(shí)試樣頸縮現(xiàn)象明顯，斷口平面面積變小，說明在這溫度范圍SUH409L 具有良好塑性。

圖4 SUH409L高溫拉伸斷口形狀

SUH409L 高溫拉伸試驗(yàn)現(xiàn)象的高溫顏色變化如圖5 所示，溫度200 ℃時(shí)與25 ℃外觀基本相似，試驗(yàn)樣件表面略帶淺黃色；溫度300 ℃時(shí)試驗(yàn)樣件外觀表現(xiàn)為淡黃色，當(dāng)溫度400 ℃時(shí)試驗(yàn)樣件表面呈金黃色；溫度500 ℃時(shí)試驗(yàn)樣件表面呈紫黃色，當(dāng)溫度600 ℃時(shí)試驗(yàn)樣樣件外觀表現(xiàn)為藍(lán)紫色，溫度700 ℃時(shí)試驗(yàn)樣件表面呈暗藍(lán)色；當(dāng)溫度800 ℃時(shí)試驗(yàn)樣件外觀為黃灰色，900 ℃時(shí)試驗(yàn)樣件表面呈灰色。

圖5 SUH409L 高溫顏色變化

5 熱疲勞試驗(yàn)

根據(jù)SUH409L 高溫拉伸試驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度隨溫度變化曲線，選取500 ℃、600 ℃、700 ℃ 3 個(gè)溫度工況，按照GB/T 26076—2010《金屬薄板（帶）軸向力控制疲勞試驗(yàn)方法》[4]對SUH409L 試驗(yàn)樣件進(jìn)行熱疲勞振動(dòng)試驗(yàn)。熱疲勞試驗(yàn)在高溫爐與電磁振動(dòng)臺組成的試驗(yàn)臺架上進(jìn)行，試驗(yàn)樣件安裝在高溫爐內(nèi)，高溫爐加熱直到溫度達(dá)到設(shè)定試驗(yàn)溫度，保溫15 min 后啟動(dòng)電磁振動(dòng)臺開始振動(dòng)試驗(yàn)。采用升降法加載試驗(yàn)載荷，振動(dòng)頻率5 Hz，每個(gè)載荷工況測試3 個(gè)試驗(yàn)樣件。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表4、表5、表6 所示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析根據(jù)GB/T 24176—2009《金屬材料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方案與分析方法》[5]。根據(jù)試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)，以logN為橫坐標(biāo)，S為縱坐標(biāo)，數(shù)學(xué)模型分析S-N關(guān)系見公式（3）。

表4 500 ℃試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)

表5 600 ℃試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)

表6 700 ℃試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)

式中，y為logN；a和b為常數(shù)；對變量x為logS。

總樣本平均S-N曲線由公式（4）得出。

通過數(shù)學(xué)模型求解，分別得到500 ℃、600 ℃、700 ℃時(shí)S-N曲線方程如下：

工況溫度為500 ℃時(shí)曲線方程為公式（5）。

工況溫度為600 ℃時(shí)曲線方程為公式（6）。

工況溫度為700 ℃時(shí)曲線方程為公式（7）。

最后將試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)以logN為橫坐標(biāo)、S為縱坐標(biāo)繪制S-N曲線，如圖 6 所示。

圖6 SUH409L熱疲勞S-N曲線

6 結(jié)論

a.高溫拉伸試驗(yàn)測得SUH409L 不銹鋼在不同溫度時(shí)高溫力學(xué)性能及材料表面外觀隨溫度的顏色變化，在溫度400 ℃以下時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度為變化平緩區(qū)，在溫度600 ℃至800 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度則為下降快速區(qū)。屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度下降的變化曲線對SUH409L 不銹鋼在汽車排氣系統(tǒng)使用具有指導(dǎo)意義。

b.熱疲勞試驗(yàn)測得SUH409L 不銹鋼在500 ℃、600 ℃、700 ℃時(shí)S-N曲線，為排氣系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)零件焊縫疲勞分析提供更接近實(shí)際使用情況的熱疲勞分析方法。