超級(jí)雙相不銹鋼S32760 疲勞性能研究

王旺龍，宋 偉

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

超級(jí)雙相不銹鋼屬于第四代雙相不銹鋼，是第四代雙相不銹鋼的代表鋼種之一，廣泛應(yīng)用于石油輸送管道、承壓設(shè)備、氯堿工業(yè)、化肥生產(chǎn)、海水淡化設(shè)備、核電火電以及海洋工程等領(lǐng)域。目前已被收錄在相關(guān)不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)中，作為工業(yè)生產(chǎn)備用不銹鋼[1]。當(dāng)前對(duì)S32760 的研究集中在熱處理工藝、焊接工藝、成分組織、和耐腐蝕性方面，對(duì)工程領(lǐng)域中涉及的疲勞性能研究較少。文章測(cè)定了超級(jí)雙相不銹鋼S32760 在空氣中的S-N 曲線和疲勞極限，在掃描電鏡（SEM）下對(duì)疲勞斷口進(jìn)行微觀檢測(cè)，研究其疲勞失效機(jī)理，為S32760 不銹鋼結(jié)構(gòu)件進(jìn)行抗疲勞設(shè)計(jì)、疲勞壽命預(yù)測(cè)提供可靠的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

選取超級(jí)雙相不銹鋼S32760 熱軋鋼板作為實(shí)驗(yàn)基材，金相顯微檢測(cè)可知：軋面上，鐵素體組織約占45%，奧氏體組織約占55%；軋面的垂直面上，前者約占40%，后者約占60%。在疲勞試驗(yàn)開始之前，分別對(duì)板材長(zhǎng)寬兩個(gè)方向的力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)量，最終選擇力學(xué)性能更好的長(zhǎng)邊方向作為旋轉(zhuǎn)彎曲試樣的軸向加工方向，長(zhǎng)邊方向的屈服強(qiáng)度為980MPa，拉伸強(qiáng)度為1030MPa。

疲勞試驗(yàn)在YRB-200 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞機(jī)上進(jìn)行，設(shè)備轉(zhuǎn)速為3130r/min，通過調(diào)整加載砝碼獲取所需應(yīng)力。應(yīng)力增量選用最大值，即5%的拉伸強(qiáng)度，取整為20MPa[2]。采用小子樣升降法來(lái)測(cè)量材料的疲勞極限，試驗(yàn)循環(huán)基數(shù)取107。在每個(gè)應(yīng)力下進(jìn)行4 組實(shí)驗(yàn)作為S-N 曲線的數(shù)據(jù)，材料的應(yīng)力壽命曲線采用單對(duì)數(shù)坐標(biāo)繪制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 疲勞極限

升降圖如圖1 所示，共有14 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，從出現(xiàn)第一組不同的結(jié)果算起，可以組成六個(gè)對(duì)子數(shù)，即540-560MPa 有4 組，560-580MPa 有2 組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中疲勞極限的處理采用升降法測(cè)定疲勞極限來(lái)進(jìn)行[3]。

圖1 載荷升降圖

疲勞極限：

疲勞極限的標(biāo)準(zhǔn)差：

變異系數(shù)：

變異系數(shù)為0.0083，符合置信度為95%，誤差為5%時(shí)，所需的半子樣為3，即6 個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)中有12 個(gè)有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，符合實(shí)驗(yàn)精度對(duì)樣品數(shù)目的要求。

2.2 S-N 圖

超級(jí)雙相不銹鋼S32760 在室溫常壓條件下的S-N 曲線如圖2 所示。在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)上，疲勞曲線呈直線分布，在Origin 中擬合出其冪函數(shù)表達(dá)式為S=1055.46285-0.04136，決定系數(shù)R2為0.55353。

圖2 空氣中的S-N 圖

3 結(jié)果分析

3.1 斷口分析

如圖3 所示，雙相不銹鋼S32760 的疲勞斷口分為疲勞源區(qū)A，裂紋擴(kuò)展第I 階段B 和第II階段C）和瞬斷區(qū)D。有多個(gè)疲勞源的斷口，也有單一疲勞源的斷口。裂紋擴(kuò)展區(qū)占了整個(gè)斷口的絕大多數(shù)部分，瞬斷區(qū)占比較小，表明其強(qiáng)度較高。

疲勞源來(lái)自鋼鐵生產(chǎn)過程中的夾渣和夾雜物。夾渣容易在鋼鐵內(nèi)部形成連續(xù)的微小疏孔，甚至?xí)诓牧现行纬奢^大的溝槽，直接造成材料的應(yīng)力集中效應(yīng)，促使裂紋過早出現(xiàn)并向著材料內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)展。夾雜物與組成材料的基體在彈塑性等力學(xué)性能上存在著差異，但一般都與材料基體有著較強(qiáng)的結(jié)合力。疲勞載荷作用下，雖然存在脫離基體的傾向，但仍需經(jīng)過大量的循環(huán)夾雜物才會(huì)使其產(chǎn)生脫離基體的而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。因此，對(duì)雙相不銹鋼的疲勞來(lái)說，夾渣及其造成的顯微疏孔比夾雜物更容易誘發(fā)裂紋產(chǎn)生，更容易成為疲勞源，危害性更高，這一點(diǎn)從圖1 中的疲勞裂紋擴(kuò)展過程就可以看出，疲勞源1 和2 引起的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)幾乎占據(jù)了全部擴(kuò)展區(qū)，裂紋源3 萌生的裂紋未進(jìn)入裂紋擴(kuò)展區(qū)就與擴(kuò)展來(lái)的裂紋匯合而停止擴(kuò)展，這是疲勞源3 遲于疲勞源1和2 起裂的緣故。

圖3 空氣中的疲勞斷口（σ=580MPa，N=2331730）

疲勞裂紋擴(kuò)展第I 階段的斷面上存在著兩種截然不同的斷貌，一種是解理斷面，另一種是滑移斷面，這與雙相不銹鋼的金相組織分布有關(guān)。通過能譜分析，圖4 中1 處為滑移斷裂，鉻鎳質(zhì)量比為3.05，屬于奧氏體相組織；2 處滑移斷裂，鉻鎳質(zhì)量比為5.97，屬于鐵素體相組織；3 處為解理斷裂，經(jīng)能譜檢測(cè)該處組織鉻鎳質(zhì)量比為6.04，屬于鐵素體相組織；4 處解理斷裂，鉻鎳質(zhì)量比為8.84，且此處的含氮量為0，屬于二次金相σ 相組織；5 處解理斷裂，鉻鎳質(zhì)量比為5.81，屬于鐵素體相組織[6]。與裂紋進(jìn)入第II 擴(kuò)展階段相比，這時(shí)的二次裂紋長(zhǎng)度短、深度淺，方向多變。韌窩并沒有出現(xiàn)，因?yàn)轫g窩形成需要比較大的成長(zhǎng)空間，而在這時(shí)裂紋為深入材料內(nèi)部深處，材料的高強(qiáng)度導(dǎo)致材料的變形十分微弱，不能產(chǎn)生足夠的變形去形成韌窩。

圖4 裂紋擴(kuò)展第Ⅰ階段的滑移斷貌與解理斷貌

疲勞裂紋進(jìn)入第Ⅱ擴(kuò)展階段，應(yīng)力增加，加上晶體排布的原因，斷面逐漸變得粗糙，隨著裂紋擴(kuò)展的深入，韌窩數(shù)量也在逐漸地增多，如圖5 所示，大韌窩中的夾雜物大多脫落，小韌窩可以看到微小的夾雜物顆粒。其形狀為等軸的圓形韌窩，說明其是由材料的變形依然輕微，彎曲載荷主要分配給了正應(yīng)力。二次裂紋的方向逐漸向著單一化的趨勢(shì)發(fā)展，最終基本上發(fā)展為垂直于主裂紋擴(kuò)展面的二次裂紋，二次裂紋常在相界和夾雜物出產(chǎn)生。圖6 中，在經(jīng)過二次裂紋后，疲勞輝紋條帶出現(xiàn)了明顯變窄的傾向，說明在疲勞裂紋擴(kuò)展的過程中，二次裂紋的出現(xiàn)可以有效降低其擴(kuò)展速率[7]。除此之外，雙相不銹鋼中還出現(xiàn)了小的解理面，不同的解理面以韌性撕裂的方式交匯，呈現(xiàn)出準(zhǔn)解理斷裂的特征。

瞬斷區(qū)材料滑移斷裂和微孔聚集型斷裂，并且由于試樣旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致出現(xiàn)弧形的撕裂楞。如圖7 所示。微孔聚集型斷裂以剪切韌窩為主，同時(shí)也有少量的等軸韌窩存在。如圖8 所示。

圖5 裂紋擴(kuò)展第Ⅱ階段等軸韌窩形貌

圖6 二次裂紋及疲勞輝紋形貌

圖7 瞬斷區(qū)弧狀撕裂棱

圖8 瞬斷區(qū)韌窩形貌

3.2 疲勞機(jī)理分析

通過試驗(yàn)，最終得出超級(jí)雙相不銹鋼S32760 的平均疲勞極限σ-1為556.667MPa，疲勞試驗(yàn)前通過拉伸試驗(yàn)已知屈服強(qiáng)度為σs980MPa，拉伸強(qiáng)度σ-b為1030MPa。同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，同代雙相不銹鋼的SAF2705 的σ-1為640MPa，σs為569MPa，拉伸強(qiáng)度σ-b為953MPa[8]。S32760 的拉伸強(qiáng)度高于SAF2705，平均疲勞極限卻反而不及SAF2705。疲勞極限σ-1與拉伸強(qiáng)度σ-b的比值（疲勞比）表征材料的疲勞性能，則fs32760=0.54，fsAF2705=0.67。疲勞裂紋向材料基體內(nèi)部擴(kuò)展時(shí)，伴隨著彈性變形和塑性變形[9]。當(dāng)外界載荷作用時(shí)，塑性好的材料往往能夠吸收較多的能量。一定程度上，材料的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度的比值（屈強(qiáng)比）代表了材料塑性變形的能力，比值越小，塑性變形能力愈強(qiáng)，在裂紋擴(kuò)展過程中吸收更多的能量，起到緩解疲勞沖擊的作用；另一方面，隨著載荷的作用，塑性變形會(huì)使材料在裂紋的擴(kuò)展方向上得到差異性的變形強(qiáng)化，造成材料力學(xué)性能的各向異性，誘發(fā)更多的二次裂紋產(chǎn)生，又起到了吸收疲勞沖擊的作用。那么在材料抵抗疲勞載荷的過程中，塑性強(qiáng)的材料會(huì)表現(xiàn)出比塑性差的材料更強(qiáng)的抗疲勞能力，即疲勞比更大，見表1，這也是產(chǎn)生上述結(jié)果的原因。

表1 S32760 與SAF2507 的屈強(qiáng)比與疲勞極限

4 結(jié)論

1）超級(jí)雙相不銹鋼S32760 在空氣中的疲勞極限為556.667MPa，疲勞比為0.54，髙周疲勞階段的S-N 冪函數(shù)表達(dá)式為S=1055.46285n-0.04136。

2）在雙相不銹鋼中，夾渣造成的疏孔比夾雜物更易導(dǎo)致使裂紋產(chǎn)生，是主要的疲勞源。裂紋擴(kuò)展初期，奧氏體和部分鐵素體滑移斷裂，二次金相σ相和部分鐵素體相解理斷裂。二次裂紋會(huì)減緩裂紋在雙相不銹鋼中的擴(kuò)展速率，這對(duì)材料對(duì)抗疲勞裂紋的擴(kuò)展是有益的。

3）材料的屈強(qiáng)比可以影響材料的疲勞極限；屈強(qiáng)比越大的材料，疲勞比越低，在高周疲勞中抗疲勞能力也就越差。