車用含Nb奧氏體不銹鋼熱疲勞行為分析

陳海軍，周培峰，袁正浩

(1. 河南工程學院 機械工程學院，河南 鄭州 451191；2. 河南航天精工制造有限公司，河南 南陽 473000；3. 飛龍汽車部件股份有限公司鑄造事業(yè)部，河南 南陽 474350)

為了減少污染物排放，大量車輛使用了二次加壓技術，車輛的排氣溫度越來越高，發(fā)動機排氣歧管和渦輪增壓器殼體零件所承受的工作溫度也大幅提升[1-2]。此外，這些零件長期暴露在熱循環(huán)環(huán)境中，由于熱應力的作用而產(chǎn)生熱疲勞損傷，這對材料的高溫性能及抗熱疲勞性能提出了很高的要求[3-4]。目前，常用的排氣歧管材料如鐵素體不銹鋼最高的工作溫度為900 ℃、高鎳奧氏體球墨鑄鐵最高的工作溫度為950 ℃，已經(jīng)逐漸滿足不了對排氣歧管性能的要求。新型含Nb奧氏體不銹鋼同時還含有Cr、Nb、N等強抗氧化性和高溫強度的合金元素[5]，提高了材料的使用溫度，最高可達1 150 ℃以上，非常適合制作排氣歧管和渦輪增壓器殼體零件[6]。本研究采用自約束熱疲勞試驗法模擬排氣歧管的部分溫度場，系統(tǒng)分析了新型含Nb奧氏體不銹鋼由于外界溫度變化造成的裂紋萌生及擴展機制，可為優(yōu)化材料使用環(huán)境提供相應理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

材料用1 t中頻感應電爐熔煉，熔煉溫度為1 580～1 620 ℃，澆注溫度為1 560～1 580 ℃，采用負壓自動生產(chǎn)線鑄造。試樣化學成分見表1。

表1 試樣化學成分

澆注尺寸為φ20 mm×250 mm的毛坯試棒，在空氣中冷卻。將試棒加工成φ16.0 mm×10 mm的圓柱試樣，用線沿直徑切割出一個長度為2.0 mm的預制缺口，見圖1。將試樣所有的棱邊倒角(0.5×45°)，表面用400目砂紙打磨并適度拋光去除表面機加工痕跡，以減少表面原因誘發(fā)裂紋的概率。

圖1 熱疲勞試樣示意圖(單位：mm)

熱疲勞試驗在RPL-1200型全自動熱疲勞試驗機上進行。將試樣分成5組，每組3個，加熱上限溫度分別為550 ℃、650 ℃、750 ℃、850 ℃、1 050 ℃，保溫3 min，然后快速浸入室溫的水中，保持5 s。每循環(huán)10次，用由80 mL鹽酸、20 g硫酸銅、80 mL蒸餾水混合配制成的試劑將試樣氧化膜腐蝕掉并適度拋光，用JC20型讀數(shù)顯微鏡測量裂紋長度，測量示意圖見圖2。裂紋長度為3個試樣主裂紋長度的平均值，利用式(1)計算裂紋總長度。利用光學顯微鏡及FEI Quanta 250FEG型掃描電鏡對試樣的組織、裂紋擴展及形貌進行觀察分析。

圖2 裂紋測量示意圖(單位：mm)

(1)

式中：a為裂紋總長度，mm；ai為每次測量的裂紋長度，mm。

2 結果與討論

2.1 熱疲勞行為

試樣裂紋長度與循環(huán)次數(shù)的關系曲線見圖3。由圖3可知，除上限溫度為1 050 ℃的試樣外，其他試樣均包括萌生、加速擴展、穩(wěn)態(tài)擴展3個階段。上限溫度為550 ℃、650 ℃的試樣在循環(huán)75次后出現(xiàn)明顯開裂(裂紋長度為0.2 mm)，循環(huán)120次后進入穩(wěn)態(tài)擴展，即在圖中表現(xiàn)為斜率很小(下同)；750 ℃、850 ℃的試樣分別循環(huán)20次后出現(xiàn)明顯開裂，分別循環(huán)180次、160次后進入穩(wěn)態(tài)擴展階段，但850 ℃的試樣裂紋比750 ℃的試樣裂紋長得多；1 050 ℃的試樣循環(huán)10次后就出現(xiàn)了明顯開裂且呈直線擴展。從擴展速率來看，550～850 ℃的試樣在加速擴展階段，擴展速率隨循環(huán)溫度的上升而增大。以上現(xiàn)象說明，盡管隨著裂紋長度的增加，擴展速率也會相應上升，但裂紋長度的增加還會使熱應力松弛，進而導致擴展速率下降。1 050 ℃的試樣從開始起裂后便呈直線擴展，但擴展速率并不大，這可能與熱循環(huán)過程中外緣形成的較多放射狀裂紋產(chǎn)生的應力松弛有關(圖4)。

圖3 試樣裂紋長度與循環(huán)次數(shù)的關系曲線

圖4 熱疲勞循環(huán)后試樣宏觀形貌

2.2 循環(huán)溫度對顯微組織的影響

圖5為含Nb奧氏體不銹鋼在不同循環(huán)上限溫度時的顯微組織。由圖5可知，循環(huán)一定周次后各試樣的顯微組織依然由奧氏體基體和金屬化合物構成。鋼的晶粒在1 050 ℃循環(huán)75次后依然沒有明顯變化，說明該鋼的粗化溫度高于1 050 ℃。當循環(huán)上限溫度低于750 ℃時，晶內(nèi)無二次碳化物析出，晶界碳化物也未見明顯熔融。當循環(huán)上限溫度高于850 ℃時，晶間碳化物開始破碎、分解，晶界變窄，在晶內(nèi)有彌散二次碳化物析出，溫度越高越明顯。這是因為，循環(huán)上限溫度較低(低于850 ℃)時Nb原子的拖拽作用，以及循環(huán)上限溫度較高(高于850 ℃)時Nb(N、C)相的釘扎作用，均有效阻止了晶粒長大[7-9]，晶界熔融的碳化物為含Cr、Fe等元素的M3C7型碳化物[10]。

圖5 不同循環(huán)上限溫度時的顯微組織(×200)

圖6為熱疲勞試樣的裂紋擴展形貌。可以看出，熱疲勞裂紋的擴展主要沿晶界進行，部分裂紋穿過了晶界。該處的碳化物較大，且碳化物與奧氏體基體的線膨脹系數(shù)不一樣，從而在冷熱交替時于界面處脫開，形成裂紋并擴展[11]。當循環(huán)上限溫度高于750 ℃時，試樣中也出現(xiàn)了次生裂紋。在裂紋始端附近，試樣表面出現(xiàn)的氧化蝕坑有助于熱疲勞裂紋的產(chǎn)生及擴展[12]。此外，裂紋前端金屬的氧化及脫落加劇了裂紋的擴展和開裂[13]，溫度越高越明顯。

圖6 不同部位的熱疲勞擴展形貌(750 ℃)

2.3 循環(huán)次數(shù)對顯微組織的影響

圖7為試樣在550 ℃、650 ℃、750 ℃、850 ℃、1 050 ℃循環(huán)不同次數(shù)時的顯微組織。由圖7可知，試樣在750 ℃以下進行熱疲勞循環(huán)時，隨循環(huán)次數(shù)的增加，顯微組織未見明顯改變，晶界依然清晰。在850 ℃以上進行熱疲勞循環(huán)時，隨循環(huán)次數(shù)的增加，晶界碳化物的熔融及二次碳化物的析出明顯。特別是當溫度達到1 050 ℃時，晶界碳化物熔融特別明顯，但晶界依然可見。這說明在1 050 ℃循環(huán)75次時，鋼的奧氏體基體也未粗化，這跟加入Nb元素有直接關系[14-16]。但晶界碳化物的破裂熔融在原位形成了新的高能區(qū)，有利于裂紋產(chǎn)生及擴展，使材料的熱疲勞性能下降。

圖7 不同溫度下不同循環(huán)次數(shù)時的顯微組織(×100)

3 結論

(1)除1 050 ℃的試樣外，其他循環(huán)溫度下的試樣均包括萌生、加速擴展、穩(wěn)態(tài)擴展階段。隨循環(huán)上限溫度的升高，進入穩(wěn)態(tài)擴展階段前的循環(huán)次數(shù)減少。

(2)循環(huán)上限溫度為1 050 ℃的試樣從開始起裂后裂紋便呈直線擴展，但擴展速率并不大，這與熱循環(huán)過程中外緣形成的較多放射狀裂紋產(chǎn)生的應力松弛有關。

(3)含Nb高鎳奧氏體鋼在不同上限溫度循環(huán)時，晶粒大小沒有明顯變化，表明Nb元素的固溶和釘扎作用依然有效(最高上限溫度為1 050 ℃)。

(4)熱疲勞裂紋擴展的方向除與晶界有關外，還與較大碳化物顆粒有關。