應(yīng)變強化對022Cr17Ni12Mo2不銹鋼疲勞行為的影響

高毅，彭劍,2，代巧，薛志超，王穎，李凱尚

(1.常州大學機械工程學院，江蘇常州，213164；2.常州大學江蘇省綠色過程裝備重點實驗室，江蘇常州，213164；3.江蘇理工學院機械工程學院，江蘇常州，213001)

奧氏體不銹鋼憑借其良好的耐蝕性能、可加工性能，在化工、核電等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但奧氏體不銹鋼屈服強度低，如何提高奧氏體不銹鋼的強度成為一項重點研究問題，受到了研究人員們的關(guān)注[2]。研究人員通過應(yīng)變強化[3]、時效處理[4-5]、噴丸強化[6]等方法提高材料的強度與抗疲勞性能，其中應(yīng)變強化是通過消耗材料的塑性性能，提高其屈服強度和許用應(yīng)力，可實現(xiàn)不銹鋼承壓裝備的輕量化，在承壓設(shè)備領(lǐng)域得到了應(yīng)用[7]。研究人員對應(yīng)變強化后材料的力學行為開展研究。WANG等[8]對Fe-30Mn-0.9C孿晶誘導塑性(TWIP)鋼的研究發(fā)現(xiàn)，預應(yīng)變可以分別改變疲勞強度系數(shù)和指數(shù)，從而有效地提高TWIP鋼的疲勞性能。CHIOU等[9]研究預應(yīng)變對430不銹鋼棘輪行為的影響發(fā)現(xiàn)，循環(huán)蠕變變形的方向總是與給定的預應(yīng)變的方向相反。KIM等[10]研究低溫下拉伸應(yīng)變強化對AISI 304L力學行為的影響，發(fā)現(xiàn)預應(yīng)變降低了材料的塑性，提高了其屈服強度和抗拉強度。應(yīng)變強化對力學行為的影響來源于應(yīng)變強化前后材料微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化。李凱尚等[11]通過研究發(fā)現(xiàn)，預應(yīng)變對力學性能的影響與在預應(yīng)變過程中產(chǎn)生的位錯塞積、機械孿晶有關(guān)。YING等[12]對Al-Cu-Mg 合金中Cu-Mg 共聚和力學行為進行研究發(fā)現(xiàn)，10%預應(yīng)變在自然時效過程中顯著提高了Cu-Mg 共簇尺寸以及Cu 與Mg 原子數(shù)比，從而導致位錯滑移的臨界剪切應(yīng)力更大，增強了疲勞裂紋閉合效應(yīng)，并且當施加超過10%的預應(yīng)變時，疲勞裂紋擴展抗性降低的時間延遲。LIN等[13]對AZ31B 鎂合金研究發(fā)現(xiàn)，材料參數(shù)mi與由循環(huán)載荷引起的孿晶線密度之間存在線性關(guān)系。XIE等[14]研究發(fā)現(xiàn)冷拔產(chǎn)生的機械孿晶和變形帶分割了奧氏體晶粒，促進了多次滑動，從而抑制了滑移帶的形成，提高了316奧氏體不銹鋼在低應(yīng)變幅度下的高周疲勞壽命。在大變形量下，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變也是需要考慮的一個因素。奧氏體組織在應(yīng)變強化過程中可能形成2 種馬氏體組織：具有hcp 晶體結(jié)構(gòu)的ε 馬氏體和具有bcc 晶體結(jié)構(gòu)的α′馬氏體[15]。304 不銹鋼在預應(yīng)變過程中經(jīng)歷應(yīng)變誘導的ε 馬氏體或α′馬氏體轉(zhuǎn)變和位錯密度變化[16-18]。疲勞行為是結(jié)構(gòu)損傷失效的重要形式，研究人員發(fā)現(xiàn)應(yīng)變強化對不同材料的疲勞行為具有不同的影響規(guī)律。應(yīng)變強化后316奧氏體不銹鋼在高應(yīng)變幅加載下的疲勞壽命減少，而低應(yīng)變幅下材料的疲勞壽命增加[19]。CHANG 等[20]對CP-Ti 的低周疲勞行為進行研究發(fā)現(xiàn)：在低應(yīng)變幅下，隨著預應(yīng)變增加，二次循環(huán)硬化在預應(yīng)變試樣中逐漸消失，預應(yīng)變對低周疲勞壽命的不利影響在較低的應(yīng)變幅度下變得更加顯著；在高應(yīng)變幅度下，顯示為預應(yīng)變無關(guān)的低周疲勞行為。PARK等[21]通過研究發(fā)現(xiàn)，施加10%的拉伸預應(yīng)變對AZ31鎂合金的疲勞壽命沒有顯著影響。AL-RUBAIE 等[22]發(fā)現(xiàn)，隨著預應(yīng)變水平增加，7050-T7451 鋁合金的疲勞壽命降低。WANG 等[23]發(fā)現(xiàn)，拉伸預應(yīng)變提高了Z2CN18.10 奧氏體不銹鋼的疲勞壽命，而壓縮預應(yīng)變對其有不利影響。DAS 等[24]研究預應(yīng)變路徑對DP 600 鋼高周疲勞性能的影響時發(fā)現(xiàn)，所有預應(yīng)變試樣均顯示出高周疲勞壽命提高，與初始預應(yīng)變方向正交進行疲勞試驗的試樣表現(xiàn)出更好的抗疲勞性。應(yīng)變強化實現(xiàn)了奧氏體不銹鋼承壓設(shè)備的輕量化，為了研究應(yīng)變強化對奧氏體不銹鋼材料疲勞行為的影響規(guī)律，本文作者對不同應(yīng)變強化量的022Cr17Ni12Mo2奧氏體不銹鋼進行疲勞實驗研究，分析應(yīng)變強化對疲勞壽命和循環(huán)塑性變形的影響規(guī)律，并從應(yīng)變強化對顯微組織影響的角度，分析應(yīng)變強化對疲勞行為的影響機理。

1 實驗材料與方法

實驗采用熱軋022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為Cr 17.27, Ni 10.48, Mo 2.16, Mn 0.82, Si 0.65, C 0.018, P 0.03, Fe 余量。為了研究應(yīng)變強化對疲勞試驗的影響，對原始試樣、5%，10%和20%的應(yīng)變強化量試樣進行疲勞實驗。根據(jù)GB/T 15248—2008，采用線切割加工板狀疲勞試樣，試樣軸向方向與軋制方向相同，試樣的標距段長度為16 mm，寬度為10 mm，厚度為5 mm。疲勞實驗采用拉-拉疲勞加載的方式進行，疲勞波形采用三角波，應(yīng)力比取0.1，最大應(yīng)力為425 MPa，加載頻率為5Hz，疲勞實驗在EHFEG250-40L疲勞試驗機上進行。

為了獲得不同應(yīng)變強化量下的022Cr17Ni12Mo2 金相顯微組織，采用線切割獲取金相試樣，并將樣品依次采用800～2 000號金相砂紙打磨以及拋光布拋光，隨后采用鹽酸(HCl)和硝酸(HNO3)以體積比3:1配制的金相腐蝕溶液進行腐蝕，采用VHX-700F 光學顯微鏡(OM)觀察不同應(yīng)變強化量下材料顯微組織。為了獲得不同應(yīng)變強化量下022Cr17Ni12Mo2 的疲勞斷口形貌，采用Zeiss SUPRA55 掃描電子顯微鏡(SEM)對不同應(yīng)變強化量下的疲勞斷口形貌進行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變強化對022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼拉伸行為的影響

圖1所示為應(yīng)變強化對022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響規(guī)律。從圖1可知：022Cr17Ni12Mo2 的屈服強度隨著應(yīng)變強化量的增加而增大，斷后伸長率隨著應(yīng)變強化量的增加而降低，而抗拉強度基本保持不變。

圖1 不同應(yīng)變強化量下022Cr17Ni12Mo2拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.1 Tensile stress-strain curves of 022Cr17Ni12Mo2 under different strain strengthening values

為了量化應(yīng)變強化量對022Cr17Ni12Mo2 塑性性能的影響，采用塑性應(yīng)變能密度來表征應(yīng)變強化過程中塑性的變化。使用面積法計算不同應(yīng)變強化量下拉伸過程中的彈性應(yīng)變能密度和塑性應(yīng)變能密度，如圖2所示。通過抗拉強度對應(yīng)的點作1條斜率為彈性模量的直線，將拉伸曲線與坐標軸圍成的區(qū)域分為2部分：左側(cè)區(qū)域面積為塑性應(yīng)變能密度，右側(cè)區(qū)域面積為彈性應(yīng)變能密度。

圖2 拉伸應(yīng)變能密度Fig.2 Diagram of tensile strain energy density

表 1 所示為不同應(yīng)變強化量下022Cr17Ni12Mo2 的總應(yīng)變能密度、塑性應(yīng)變能密度和彈性應(yīng)變能密度。從表1可以看出：總應(yīng)變能密度和塑性應(yīng)變能隨著應(yīng)變強化量的增加而減小，而彈性應(yīng)變能基本保持不變。因此，應(yīng)變強化消耗了022Cr17Ni12Mo2的塑性應(yīng)變能量。

表1 不同應(yīng)變強化量下拉伸應(yīng)變能密度Table 1 Tensile strain energy densities under different strain strengthening values MJ?m-3

從應(yīng)變強化對拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線和塑性應(yīng)變能的影響可以看出： 應(yīng)變強化提高了022Cr17Ni12Mo2 的屈服強度，對拉伸強度影響不大；在塑性表征參數(shù)方面，應(yīng)變強化降低了斷裂后的伸長率和塑性應(yīng)變能密度。因此，應(yīng)變強化過程中022Cr17Ni12Mo2強度的增加源于應(yīng)變強化過程中消耗的材料塑性能量[25-26]。

2.2 應(yīng)變強化量對022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼疲勞行為的影響

2.2.1 應(yīng)變強化對疲勞壽命與循環(huán)塑性變形的影響

通過對不同應(yīng)變強化量的022Cr17Ni12Mo2 進行低周疲勞實驗研究得到了應(yīng)變強化對疲勞壽命的影響曲線，如圖3所示。從圖3可知：隨著應(yīng)變強化量的增加，在相同的循環(huán)載荷作用下材料的疲勞壽命延長，因此，應(yīng)變強化量不僅提高了022Cr17Ni12Mo2 的屈服強度，而且延長了其疲勞壽命。

圖3 022Cr17Ni12Mo2不銹鋼疲勞壽命隨應(yīng)變強化量的演變規(guī)律Fig.3 Evolution law of fatigue life of 022Cr17Ni12Mo2 stainless steel with strain strengthening

在循環(huán)載荷過程中，除了疲勞斷裂壽命外，循環(huán)塑性變形累積也是一種主要的失效形式。本文從循環(huán)應(yīng)變幅、循環(huán)遲滯回線和棘輪應(yīng)變3方面分析應(yīng)變強化量對022Cr17Ni12Mo2循環(huán)塑性變形的影響。圖4所示為不同應(yīng)變強化量下循環(huán)應(yīng)變幅的演化規(guī)律。從圖4可以看出：原始試樣以及應(yīng)變強化試樣均體現(xiàn)為3階段特征，應(yīng)變幅在循環(huán)初始階段迅速增加，隨后趨于穩(wěn)定，最后在接近失效時再次快速增加。值得注意的是，對比不同應(yīng)變強化量下循環(huán)應(yīng)變幅演化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：循環(huán)應(yīng)變幅隨著應(yīng)變強化量的增加而減小，特別是第一階段的循環(huán)應(yīng)變幅抑制顯著。

圖4 不同應(yīng)變強化量下循環(huán)應(yīng)變幅的演化規(guī)律Fig.4 Evolution laws of cyclic strain amplitude at different strain strengthening values

圖5 不同應(yīng)變強化試樣遲滯回線的演變Fig.5 Evolution laws of hysteresis loop at different strain strengthening values

圖5(a)所示為不同應(yīng)變強化材料在第300 個循環(huán)的遲滯回線。從圖5(a)可以看出：隨著應(yīng)變強化量的增加，遲滯回線向小位移方向偏移。圖5(b)所示為不同應(yīng)變強化材料在半壽命循環(huán)時的遲滯回線。從圖5(b)可知：遲滯回線隨著應(yīng)變強化量的增加同樣往小位移方向偏移，同時10%和20%應(yīng)變強化量下半壽命循環(huán)的遲滯回線基本重合。這表明應(yīng)變強化抑制了由平均應(yīng)力引起的遲滯回線的偏移，并且隨著應(yīng)變強化量的增加，遲滯回線由塑性累積增長向塑性安定現(xiàn)象轉(zhuǎn)變。

棘輪行為是材料在非對稱循環(huán)載荷下產(chǎn)生的塑性應(yīng)變累積。棘輪應(yīng)變定義為遲滯回線的中心位置，可由下式得到[27]：

式中：εmax和εmin分別為遲滯回線的最大和最小應(yīng)變。

圖6所示為不同應(yīng)變強化量下棘輪應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律。從圖6可知：棘輪應(yīng)變隨應(yīng)變強化量的增加而受到抑制。原始試樣以及5%應(yīng)變強化量試樣的棘輪應(yīng)變在循環(huán)初始階段迅速增加，然后保持穩(wěn)定；但在高應(yīng)變強化量下即10%和20%未發(fā)現(xiàn)快速上升的第一階段，棘輪應(yīng)變量微弱，這表明應(yīng)變強化抑制022Cr17Ni12Mo2的棘輪行為，特別是第一階段棘輪行為?；谘h(huán)過程中的循環(huán)應(yīng)變幅、遲滯回線和棘輪應(yīng)變分析可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)變強化抑制了循環(huán)塑性變形，并且循環(huán)塑性行為從循環(huán)塑性累積轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄园捕ā?/p>

2.2.2 應(yīng)變強化對疲勞斷裂機理的影響

圖6 不同的應(yīng)變強化量下棘輪應(yīng)變的演化規(guī)律Fig.6 Evolution laws of ratcheting strain at different strain strengthening values

圖7所示為不同應(yīng)變強化量下疲勞試樣斷口形貌與疲勞裂紋擴展區(qū)域在斷裂面中所占的比例。從圖7可以看出：不同應(yīng)變強化試樣的斷口形貌均由典型的疲勞起裂、裂紋擴展以及瞬斷區(qū)組成。值得注意的是，隨著應(yīng)變強化量增加，疲勞裂紋擴展區(qū)域在斷口面占據(jù)的比例不斷增大。

采用SEM 對不同應(yīng)變強化后試樣的疲勞斷口形貌進行觀察。圖8所示為疲勞斷口形貌。以原始材料為例，疲勞斷口形貌可以分為4個區(qū)域：起裂點、裂紋擴展區(qū)、過渡區(qū)和瞬斷區(qū)。起裂區(qū)如圖8(a)所示，可根據(jù)裂紋擴展的方向確定起裂點，原始材料疲勞起裂源于循環(huán)塑性變形產(chǎn)生的孔洞。裂紋擴展區(qū)如圖8(b)所示，可以看到裂紋擴展過程留下的撕裂脊即疲勞輝紋。圖8(c)所示為過渡區(qū)的形貌，該區(qū)域中疲勞輝紋和韌窩同時存在。圖8(d)所示為快速斷裂區(qū)的形貌，該區(qū)域中疲勞輝紋已完全消失，大量韌窩表明該區(qū)域發(fā)生了韌性斷裂。

圖7 疲勞斷口形貌與疲勞裂紋擴展區(qū)域Fig.7 Fatigue fracture surface and fatigue crack propagation zone

圖8 疲勞斷口形貌Fig.8 Fatigue fracture morphologies

圖9所示為原始試樣以及20%應(yīng)變強化的疲勞斷口形貌，其中圖9(a)，(b)和(c)所示為原始材料的斷口形貌，圖9(d)，(e)和(f)所示為應(yīng)變強化材料的斷口形貌。由圖9(a)可以發(fā)現(xiàn)：原始試樣起裂位置存在塑性孔洞，疲勞裂紋從孔洞起裂向四周擴展。由圖9(d)可以看到：應(yīng)變強化試樣疲勞起裂源于微裂紋開裂并未存在孔洞。在應(yīng)變強化過程中消耗材料的塑性能量，應(yīng)變強化試樣在循環(huán)載荷過程中難以產(chǎn)生韌性孔洞，因此，應(yīng)變強化使疲勞裂紋的起裂機理發(fā)生轉(zhuǎn)變。從圖9(b)可見原始試樣裂紋擴展區(qū)的疲勞條紋之間存在微孔洞，從圖9(e)可見應(yīng)變強化試樣的裂紋擴展區(qū)可以發(fā)現(xiàn)疲勞輝紋間有微孔洞和微裂紋共同存在。從圖9(c)和9(f)可知應(yīng)變強化前后瞬斷區(qū)的失效模式均為韌性斷裂。

通過對比原始材料以及應(yīng)變強化材料的疲勞裂紋擴展面積及斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)：應(yīng)變強化消耗022Cr17Ni12Mo2的塑性能量，導致疲勞斷口形貌發(fā)生變化；隨著應(yīng)變強化量的增加，其疲勞裂紋擴展區(qū)域的面積擴大，并且起裂區(qū)由原始材料的微孔洞起裂向微裂紋起裂轉(zhuǎn)變。

2.3 應(yīng)變強化后材料顯微組織變化與疲勞行為的關(guān)聯(lián)

022Cr17Ni12Mo2 通過應(yīng)變強化過程消耗，其塑性應(yīng)變能量，提高屈服強度，使材料在循環(huán)載荷下的塑性累積變形轉(zhuǎn)化為塑性安定行為，從而提高其疲勞壽命，并且應(yīng)變強化擴大了疲勞裂紋擴展區(qū)的面積并促使疲勞起裂方式由微孔洞向微裂紋轉(zhuǎn)變。應(yīng)變強化對疲勞行為的影響源于應(yīng)變強化導致材料顯微組織的變化，認識應(yīng)變強化對奧氏體不銹鋼顯微組織的影響規(guī)律對于理解其強化機理具有重要作用。 圖 10 所示為022Cr17Ni12Mo2 在不同應(yīng)變強化量下的金相顯微組織。從圖10可以看到：隨著應(yīng)變強化量增加，金相顯微組織發(fā)生變化，5%應(yīng)變強化后材料顯微組織中產(chǎn)生孿晶組織，當應(yīng)變強化量為20%時出現(xiàn)形變馬氏體組織。

圖9 應(yīng)變強化前后疲勞斷口形貌對比Fig.9 Comparisons of fatigue fracture surfaces before and after strain strengthening

為了定量分析孿晶組織與應(yīng)變強化量之間的關(guān)系，采用孿晶線密度(λ)進行分析[28-29]：

式中：p和q分別為金相圖的長度和寬度；m和n分別為平行于金相組織圖長度和寬度方向的孿晶數(shù)量；Nf為線條穿過的孿晶數(shù)量。采用式(2)以及不同應(yīng)變強化量的金相顯微組織圖，可以得到原始材料以及不同應(yīng)變強化量材料的孿晶線密度，分別為0.025，0.046，0.068 和0.073 %/μm。通過定量分析可以發(fā)現(xiàn)：022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼在應(yīng)變強化過程中，產(chǎn)生變形孿晶組織，并且隨著應(yīng)變強化量的增加而增加。WANG 等[30]通過預應(yīng)變引入的高密度變形孿晶，發(fā)現(xiàn)孿晶組織提高了Fe-30Mn-0.9C孿生塑性鋼的屈服強度并改善了變形的均勻性，從而有效地抑制了疲勞損傷，延長了疲勞壽命。XIE等[31]通過研究發(fā)現(xiàn)，孿晶可以減少由位錯運動引起的對奧氏體晶界的擠壓，能夠改善變形均勻性，并延遲疲勞微裂紋的萌生。由022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼的金相顯微組織發(fā)現(xiàn)，孿晶線密度隨應(yīng)變強化量的增加而增加，同時由疲勞實驗研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)變強化延長疲勞壽命，并抑制022Cr17Ni12Mo2 的循環(huán)塑性變形行為。因此，應(yīng)變強化過程中形成的孿晶組織提高022Cr17Ni12Mo2 不銹鋼的抗疲勞破壞能力，抑制循環(huán)塑性變形，延長疲勞壽命。并且隨著應(yīng)變強化產(chǎn)生的孿晶數(shù)量增多，試樣剩余凈截面的強度得到提高，材料可以承受更多的循環(huán)載荷，從而使得022Cr17Ni12Mo2的疲勞裂紋擴展區(qū)域的面積增大。

圖10 不同應(yīng)變強化量下022Cr17Ni12Mo2金相組織Fig.10 Metallographic structure of 022Cr17Ni12Mo2 at different strain strengthening values

通過顯微組織分析發(fā)現(xiàn)，在圖10(c)中10%應(yīng)變強化的022Cr17Ni12Mo2組織中出現(xiàn)了少量的形變馬氏體組織，在圖10(d)中20%應(yīng)變強化的試樣中形變馬氏體含量增加。JU 等[32]對Fe-30Mn-4Si-2Al 合金的疲勞行為進行研究發(fā)現(xiàn)，材料中ε馬氏體相變使合金具有良好的抗低周疲勞性能。SONG等[33]發(fā)現(xiàn)，預應(yīng)變形成少量的馬氏體有利于疲勞裂紋分支和偏轉(zhuǎn)，從而增加材料的抗疲勞性能，而高比例的馬氏體降低材料的力學性能。如圖10(c)和(d)所示，由于應(yīng)變強化后022Cr17Ni12Mo2組織中出現(xiàn)形變馬氏體，因此，當疲勞裂紋擴展到馬氏體組織時路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)和分叉，要達到相同的擴展深度需要更多的循環(huán)次數(shù)。通過上述分析可知：當應(yīng)變量較大時，在孿晶和馬氏體的共同作用下，022Cr17Ni12Mo2 的疲勞裂紋擴展面積提高，疲勞裂紋擴展壽命延長；且022Cr17Ni12Mo2應(yīng)變強化作用產(chǎn)生的馬氏體組織顯著抑制循環(huán)塑性變形行為，促使材料產(chǎn)生塑性安定現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1)應(yīng)變強化延長了022Cr17Ni12Mo2不銹鋼的疲勞壽命，抑制了循環(huán)塑性變形行為；當應(yīng)變強化量超過10%時，022Cr17Ni12Mo2 的循環(huán)塑性變形行為由循環(huán)塑性累積向塑性安定行為轉(zhuǎn)變。

2)022Cr17Ni12Mo2 在應(yīng)變強化過程中，產(chǎn)生了變形孿晶組織，并且隨著應(yīng)變強化量的增加，孿晶組織密度增加；當應(yīng)變強化量超過10%時，會誘導產(chǎn)生變形馬氏體組織。

3)022Cr17Ni12Mo2 應(yīng)變強化產(chǎn)生的孿晶組織提高了其抗疲勞破壞能力，抑制了循環(huán)塑性變形，延長了疲勞壽命；而應(yīng)變強化產(chǎn)生的馬氏體組織顯著抑制了循環(huán)塑性變形行為，促使材料產(chǎn)生塑性安定現(xiàn)象。