分享：不同应力比下沉淀硬化不锈钢的超高周疲劳断裂机制
０ 引 言
Custom４５０沉淀硬化型不锈钢是新近开发的 一种叶片钢,具有高强度、高韧性,以及优良的耐腐 蚀性能[１];其强化机制主要为富铜相的时效强化和 钼、铌元素的沉淀强化[２].Lin等[３]研究了 Custom ４５０不锈钢在不同pH、温度和不同浓度氯化钠溶液 中的高周疲劳性能及疲劳裂纹扩展速率,发现氯化 钠溶液pH 对其疲劳寿命的影响最大,而温度对裂 纹扩展速率的影响最大;pH 对裂纹扩展速率的影 响比对疲劳强度的影响小,由此可见疲劳裂纹的萌 生相较于扩展更容易受到腐蚀环境的影响.目前对 于 Custom４５０不锈钢的超高周疲劳性能尤其是在 模拟工况环境下的超高周疲劳性能及疲劳断裂机制 研究还未见报道. 为此,作者根据汽轮机低压叶片的实际工作环 境,在１００℃含氧量小于１mg??L－１的饱和蒸汽环境 下对 Custom４５０不锈钢进行了不同应力比的超高 周疲劳试验,得到了相应的超高周疲劳SＧN 曲线,
分析了其疲劳特征,观察了超高周疲劳断口并分析 了不同应力比下的超高周疲劳断裂机制. １ 试样制备与试验方法
1.1 试样制备
试验钢为 Custom４５０不锈钢,化学成分如表１ 所示.按照 GB/T３０７５－２００８和 ASTM E４６６Ｇ０７,在 试验钢上车削加工出如图１所示的疲劳试样,轴向抛 光使其表面粗糙度Ra 小于０．２μm.为去除机加工 所造成的表面残余压应力,在疲劳试验前将试样置于 真空炉中进行４５０℃保温３h,然后以５０℃??h－１冷却 至１５０℃后随炉空冷的退火处理.
利用蔡司 Observer．A１m 型光学显微镜观察热 处理后试样相邻三个面的显微组织,结果如图２所 示,可知 Custom４５０不锈钢经去应力退火处理后 的显微组织为板条马氏体组织,马氏体组织均匀细 小,板条宽度约为５μm;在马氏体组织间弥散分布 着碳化物颗粒,未见高温δＧ铁素体组织.三个面的 显微组织相似、板条马氏体宽度相近,可以认为该不 锈钢各向同性.
２ 试验方法
采用氮气除氧及真空除氧相结合的方法使超纯 水中氧含量小于１mg??L－１,然后利用蒸汽发生器产 生１００ ℃的饱和水蒸气;在该饱和水蒸气中,利用 PLGＧ１００C型高频疲劳试验机对试样进行轴向等幅力 控制的疲劳试验,载荷波形为正弦波,频率为１２０Hz, 应力比R 分别为－１,－０．６,０．１.试验完成后,利用 ZeissEVO MA１５型扫描电子显微镜(SEM)观察试 样的疲劳断口形貌,并用 OxfordXＧMax５０型能谱仪(EDS)分析其断口微区的化学成分.
２ 试验结果与讨论
１ SＧN 曲线
SＧN 曲线中 应 力 幅σa 均 使 用 因 子 Q 进 行 了 归一化处理.由图３可以看出,在三种应力比下, 试样的SＧN 曲线并没有出现传统疲劳理论的无限 接近水平线,而是表现为连续下降型曲线,疲劳极 限消失;在 〖10〗^7 周 次 后,SＧN 曲 线 的 斜 率 增 大,试 验钢继续发 生 疲 劳 断 裂,其 超 高 周 疲 劳 强 度 下 降 明显.对于超高周 SＧN 曲 线 呈 连 续 下 降 的 现 象, 许多学者已进行了研究与分析[４－７],Zhang等[６]研 究了四种高 强 弹 簧 钢 的 超 高 周 疲 劳 性 能,认 为 超 高周SＧN 曲线的形状由钢中夹杂物尺寸决定,当 夹杂物尺 寸 大 于 某 一 特 征 尺 寸 时,SＧN 曲 线 为 连 续下降型曲线;钱桂安等[７]在对４０Cr钢进行超高 周 疲 劳 研 究 时 发 现,当 ４０Cr钢 处 在 腐 蚀 环 境 中 时,SＧN 曲线连续下降,而在空气环境中呈阶梯形 变化.由此可判断,Custom４５０不锈钢的SＧN 曲 线呈现连续下降的变化趋势可能是钢中夹杂物与 环境共同作用的结果
atdifferentstressratios 由图３还可以看出,在应力比为－１时,疲劳寿 命 Nf 为108 周次试样的疲劳强度是〖10〗^7 周次时的７１％,而应力 比 为 －０．６,０．１ 时,该 百 分 比 分 别 为 ６７％,４２％,可见应力比越高,疲劳强度的降幅越大. 由于汽轮机叶片承受载荷的疲劳循环次数往往超过107周次,因此若采用传统疲劳理论对 Custom４５０ 不锈钢进行寿命设计,则设计偏于危险.
3.2断口形貌
试样表面均未发现明显点蚀坑,而部分经历超 高周疲劳阶段的试样,由于其试验时间超过１０d,表 面出现了轻微氧化.在对试样疲劳断口进行 SEM 观察时未发现氧化膜的存在,EDS分析也未发现明 显的氧含量上升,因此可以认为１００ ℃含氧量小于 １mg??L－１的饱和水蒸气对试样的氧化作用很小;在 对超高周疲劳试样断口观察时发现有三种不同的起 裂模式,其典型的SEM 形貌如图４~６所示.
由图４可以看出,裂纹源位于试样表面加工缺 陷处,河流花样由表面缺陷处呈扇形向四周扩展,对 裂纹源位置进行 EDS分析可知,裂纹源没有发现非 金属夹杂物的存在;疲劳裂纹的扩展可分为两个阶 段,第一阶段裂纹扩展区的表面较为平坦,可以观察 到众多解理台阶,第二阶段裂纹扩展区呈放射状河流花样,并能观察到断续分布的疲劳辉纹.
由图５可知,裂纹源位于试样内部夹杂物处, 呈明显的鱼 眼 特 征;鱼 眼 中 心 夹 杂 物 的 直 径 约 为 １６μm,由 EDS 分析可知其成分主要为 铝 的 氧 化 物,夹 杂 物 周 围 可 以 观 察 到 粒 状 亮 面 区 (GBF). Shiozawa等[８]假定了一种 GBF 的形成机理,最初 多个微裂纹在夹杂物周围萌生,接着在循环应力作 用下沿碳化物扩展,微裂纹长大并结合,进而形成 GBF.随后疲劳裂纹继续扩展形成了鱼眼区,直至 试样最终失效. 由图６可以看出,裂纹源位于试样内部结构不 连续处,也表现出鱼眼特征;鱼眼的中心区域为数个 微孔洞的集合,孔洞四周表面粗糙并有微裂纹产生.
２．３ 应力比对起裂模式的影响
对在应力比为－１下疲劳断裂的所有试样的起 裂模式进行了统计,结果如图７所示,▽表示试样从 表面缺陷处起裂,▼表示试样从内部夹杂物处起裂, 半实心图例表示试样从内部结构不连续处起裂.由 图７可知,随着应力幅的降低,试样更倾向于从内部 起裂;在低应力幅水平下,试验结果的分散性较大,寿 命较短的试样均从表面缺陷处起裂,这说明了在低应 力幅水平下,疲劳试样对表面加工状态更加敏感.
对三个应力比下、疲劳寿命在〖10〗^7~〖10〗^8 周次试 样的起裂模式进行了统计,如图８所示,三种应力比 下起裂模式的发生数量及概率见表２.由图８和表 ２可知,随着应力比的增大,超高周疲劳试样从表面 起裂的概率增大,而从内部起裂的概率降低;当应力 比为－１时,试样全部从内部起裂,其中内部结构不 连续处起裂的概率为４０％,内部夹杂物处起裂的概 率为６０％;当应力比为－０．６时,试样从表面起裂的 概率为３３％;而当应力比为０．１时,试样从表面起裂 的概率上升到了７１％. 与内部相比,试样表面受到的约束较小。
且表面直接暴露在蒸汽环境下.Tokaji等[９]认为潮湿环境 会促进表面活化,导致裂纹在表面萌生,降低SＧN 曲线平台应力;随着试验环境腐蚀性的增大,表面活 化更为强烈.当应力比为０．１时,试样没有承受压 应力循环,不存在裂纹闭合过程,其表面塑性损伤 大,因此相对于应力比为－１和－０．６,蒸汽更容易 在表面缺陷处促进微裂纹的萌生.因此,随着应力 比的提高试样从表面起裂概率提高.。
直接暴露在蒸汽环境下.Tokaji等[９]认为潮湿环境 会促进表面活化,导致裂纹在表面萌生,降低SＧN 曲线平台应力;随着试验环境腐蚀性的增大,表面活 化更为强烈.当应力比为０．１时,试样没有承受压 应力循环,不存在裂纹闭合过程,其表面塑性损伤 大,因此相对于应力比为－１和－０．６,蒸汽更容易 在表面缺陷处促进微裂纹的萌生.因此,随着应力 比的提高试样从表面起裂概率提高。
３ 结 论
(１)在应力比为－１,－０．６,０．１进行疲劳试验 时,Custom４５０不锈钢的SＧN 曲线没有出现水平 段,始终保持下降的变化趋势;在１０７ 周次之后出现 明显拐点,该钢的超高周疲劳寿命显著下降。 (２)Custom４５０不锈钢超高周疲劳试样断口 有三种起裂模式,裂纹源分别位于表面加工缺陷处、 内部夹杂物处和内部结构不连续处. (３)在应力比为－１下进行疲劳试验时,随着应 力幅的降低,试样更倾向于从内部起裂;不同应力比 下三种起裂模式发生的数量和概率不同,随着应力比 的提高,表面起裂的概率增大,内部起裂的概率降低。
